動態(tài)高分子因其再加工能力和損傷后的自恢復能力,能夠延長材料的使用壽命而備受關注。具有物理化學相互作用的動態(tài)聚合物性能優(yōu)越,在機械強度/延伸性、可回收性、自愈率和效率方面表現(xiàn)出突出,但以有效的方式獲得這種干聚合物仍然是一個挑戰(zhàn)。但它的合成條件嚴苛、反應步驟冗長,使用低成本、高效率的方法制備這種動態(tài)聚合物是目前材料可持續(xù)發(fā)展的研究熱點。目前被報道的文獻中,動態(tài)彈性聚合物聚(TA)的合成通常需要額外的交聯(lián)劑(即雙鍵、離子基等)。利用廉價有機溶劑 (例如氯化溶劑)催化合成多功能的聚合物鮮少報道。
近日,北京化工大學曹鵬飛教授在CCS Chemistry發(fā)表了最新研究性論文“A Novel Dynamic Polymer Synthesis via Chlorinated Solvent Quenched Depolymerization”。本文報道了一種通過有機溶劑淬滅合成的集高拉伸性、自主自愈合性、良好的可回收性、高粘附性和3D打印性于一體的新型動態(tài)高分子。該方法使用天然有機分子硫氰酸(TA),采用氯化溶劑作為“催化劑”,高溫下能穩(wěn)定端基硫自由基并與帶有它的聚合物鏈發(fā)生反應,防止溫度降低后聚(TA)發(fā)生動力學上的解聚。通過固體核磁共振和第一原理模擬揭示了這種新型合成方法,即溶劑淬滅解聚機理,啟發(fā)其他研究者使用這種獨特的反應機理設計不同的聚合物合成路線。
1.聚(TA)的合成及反應機理

圖1 聚TA的動態(tài)結構及DCM相互作用結構示意圖

圖2 (a)不同反應時間和(b) DCM比對動態(tài)聚合物合成單體轉化率的影響,(c, d) TA單體(上)、加熱TA樣品(中)和DCM加熱TA(下)的固態(tài)13C NMR譜,(e) TA單體和聚(TA)的Cl 2p XPS光譜。
通過探索不同反應時間和氯化溶劑濃度下的動態(tài)聚合反應,得到優(yōu)化反應條件:120 ℃ 30min,DCM的摩爾比為0.25:1(約9.3 wt.% DCM)。加熱過程中沒有DCM不會在系統(tǒng)中引起化學變化,在DCM存在的情況下,樣品經過相同的加熱過程后,粉末轉化為高粘性液體。在沒有 DCM 的情況下,聚(TA)中的二硫化物容易解離為硫自由基,從而引發(fā)解聚反應。在高溫(約125 ℃)下,DCM 分子傾向于強締合并穩(wěn)定聚合物鏈末端的硫自由基。反應性聚合物鏈也可以用 DCM 片段的終止,產生穩(wěn)定的聚(TA)產物。
DSC曲線表明,聚(TA)的低玻璃化轉變溫度對自愈合性質具有重要意義。聚(TA)的分子較短,但流變行為表明聚TA高分子鏈具有強的纏結,表明動態(tài)二硫鍵和氫鍵在聚(TA)的粘彈性性能中起到了重要作用。聚(TA)的斷裂伸長率 >1000% ,拉伸強度可達0.66MPa,韌性在約4.40MJ·m-3。聚(TA)的機械強度比報道所使用的1,3-二異丙烯苯和另外的 Fe3+-鹽(拉伸強度55kPa)的化學交聯(lián)劑的體系高出了12倍左右。循環(huán)拉伸實驗表明,聚(TA)是一種極具潛力的阻尼材料。
3.聚TA的多功能性

圖4(a) 聚(TA)的高效自愈合性。(b) 自愈前后的聚(TA)拉伸強度測試。(c) 聚(TA)的極佳的可加工性。(d) 動態(tài)鍵交換示意圖。

聚(TA)粘接鋁片和鋼片的拉剪強度分別為1.15 MPa和1.63 MPa,即使與聚四氟乙烯仍具有優(yōu)良的粘結性,且剪切強度為0.35 MPa。聚(TA)在3D 打印的成功演示擴展了潛在的應用。
他們報道了一種通過自天然衍生分子TA合成動態(tài)聚合物。基于獨特的反應機理,氯化溶劑可以穩(wěn)定末端自由基并與其反應,防止解聚發(fā)生。不同于傳統(tǒng)聚合物合成需要使用大量溶劑,使用微量的溶劑(<10wt.%)就可以得到具有高單體轉化率(>75%)的聚合物。合成的動態(tài)聚合物具有高可回收性、自愈性、良好的粘接性和可3D打印性,機械性能優(yōu)異,延伸率超過1000%,同時具有優(yōu)異的耗能能力,可開發(fā)為阻尼材料,在諸多領域極具吸引力。利用普通有機溶劑--DCM“催化”合成動態(tài)聚合物的策略,以及對這種獨特反應機理的深入了解,可為低成本、高效率地設計多功能聚合物提供新方向。
文獻鏈接:A Novel Dynamic Polymer Synthesis via Chlorinated Solvent Quenched Depolymerization, Jiadeng Zhu, Sheng Zhao, Jiancheng Luo, Wei Niu, Joshua T. Damron, Zhen Zhang, Md Anisur Rahman, Mark A Arnould, Tomonori Saito, Rigoberto Advincula, Alexei P. Sokolov, Bobby Sumpter and Peng-Fei Cao
https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202202362
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