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上海交大陳玉潔、UCLA賀曦敏團隊 Nano Lett.:高強度、光誘導雙重形狀可編程的共價適應性網絡
2022-10-31  來源:高分子科技


  形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer)作為一類近年來快速發展的智能材料,能夠實現在穩態與暫態間的形狀轉變。但是,主流的形狀記憶聚合物只能實現對于暫態的編程行為,這大大限制了其應用的場合。如果能夠對穩態進行編程,則意味著在沒有熵變的情況下能夠完成對初始狀態的重塑,這將把材料的形狀控制性提升至新的維度。在之前的研究中,熱固性的聚氨酯材料由于其交聯網絡結構,兼具出色的機械性能、形狀記憶效應與穩定性,但也不可避免地具有難降解的特點。


  共價適應性網絡(Covalent Adaptable Networks)為上述問題提供了解決辦法,其作為熱塑性與熱固性材料的橋梁,通過動態的鍵交換反應,使得熱固性材料具有一定的熱塑性行為。但是,大部分的共價適應性網絡很難兼具出色的力學性能與形狀記憶效應,并且幾乎所有共價適應性網絡的塑性行為都是基于熱刺激,這種直接引發很大程度上限制了材料的實際應用環境。因此,采用遠程、無毒的可見或近紅外光作為刺激源,可以精準地控制材料的形變行為,無疑是更佳的選擇。同時,相比于傳統的金屬氧化物、碳材料等光熱轉化顆粒而言,MXene作為一種新型的二維材料,在表現出良好光熱轉化效應的同時,具有出色的透明度而非黑色。然而,關于MXene光熱轉化效應影響因素的研究大多只是停留在表面,亟待研究者們進一步探索。


圖1 MXene/PU復合材料的制備以及MXene的相關表征。


  針對上述問題,上海交通大學陳玉潔副研究員和加州大學洛杉磯分校賀曦敏副教授團隊設計了一種MXene/PU的納米復合材料。研究者通過熔融鹽法對MAX進行刻蝕,制備了一系列具有不同金屬元素插層以及不同層數的MXene,其中Co-d-MXene展現出了最佳的光熱轉化性能,在可見光或近紅外光輻射下,均可達到240℃以上。經過實驗與模擬分析,MXene的結構參數與光學參數均對其性能有關鍵的影響。 


圖2 MXene/PU復合材料的物理與熱機械性能。


  將MXene引入到聚氨酯交聯網絡之后,由于顆粒增強效應與氫鍵作用,復合材料的機械性能進一步提升(拉伸強度與斷裂應變最高為16.31 MPa和1042%),綜合性能由于常見的共價適應性網絡。同時,動態力學分析表明該符合材料可以實現完全的應力釋放,滿足Arrhenius公式,具有熱塑性,可以實現基于動態共價鍵的拓撲轉變行為。此外,在低于100℃的環境中,復合材料仍表現出優異的基于熵彈性的形狀記憶效應。因此,復合材料可以同時實現彈性的形狀記憶行為與塑性的拓撲重構,二者分別基于互不干涉的熔融溫度(Tm)與鍵交換引發溫度(Ti)。 


圖3 MXene/PU復合材料的光響應行為。


  經過測試,復合材料在0.50和1.00 W cm?2的光照下、在200 s內分別可達98.8和157.4℃,因此這兩種光強可以分別被用于引發形狀記憶效應與拓撲轉變,即所謂的光誘導雙重形狀可編程行為。并且,由于聚氨酯體系在升溫后會出現明顯的結晶度變化,從而導致宏觀的透明度變化,復合材料具有被用于信息識別、光致書寫、柔性顯示等領域的潛力。 


圖4 MXene/PU復合材料的可重構以及多重編程能力。


  除此之外,基于拓撲轉變,復合材料展現出了光致自修復以及熱壓可重構的能力,經過多次重構后仍具有良好的力學性能與雙重形狀編程行為。綜上所述,此類材料兼具了弱光引發暫態形狀記憶、強光引發穩態拓撲轉變、熱壓可重構的多重形狀編程能力,在提升綜合形狀記憶性能的同時解決了形狀記憶聚合物回收的痛點。相關工作成果發表在Nano Letters上海交通大學博士研究生陳馳為文章的第一作者,上海交通大學陳玉潔副研究員和加州大學洛杉磯分校賀曦敏副教授為通訊作者。


  原為鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02181

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(責任編輯:xu)
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