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廣西大學徐傳輝教授課題組《Macromolecules》:具有可控精準修復和可逆黏附能力的柔性光熱材料
2023-04-11  來源:高分子科技

  光熱材料能夠高效、快速地將光轉化為熱,為其在智能響應、水處理、清潔能源等方面的應用提供了基礎和思路。近年來,聚合物基光熱材料因其輕質、柔性、易加工、耐腐蝕等優點受到廣泛關注。真黑色素作為最早被研究的光熱劑之一,因其寬帶光吸收能力、生物相容性、廉價易得而常被用于光熱治療、海水淡化等方面。然而,由于真黑色素的表面含有大量極性親水基團(-OH-COOH-NH-),將真黑色素顆粒分散到聚合物中制備柔性光熱復合材料仍然存在障礙。


  酯交聯在工作溫度下的穩定性和在高溫下的動態性使其有望成為橡膠傳統永久交聯的理想替代。但是,橡膠交聯時引入的動態共價鍵數量有限,且提高體系動態共價鍵密度的同時常伴隨著交聯密度的增長。這對于追求高動態特性和特定力學性能的橡膠vitrimer材料是不利的。另外,基于酯交換的橡膠vitrimer材料局部受損后需要在上百攝氏度的高溫下才能激活動態共價交換反應,使損傷界面的網絡拓撲發生重排,達到修復損傷的目的。材料的尺寸和受損部位對加熱設備提出了諸多要求。為了修復局部損傷而對材料整體進行加熱,能量利用率低,同時也會加速材料的老化。受遠程可調諧光線照射光熱材料表面引起的溫升效應的啟發,賦予可修復材料光熱轉換能力有望實現材料光控局部溫升并觸發修復過程。


  在前期研究工作中,廣西大學徐傳輝教授課題組通過交聯劑設計,在維持交聯密度一定的前提下,將增量酯基引入橡膠vitrimer中,提高了材料的高溫動態特性(Polymer Chemistry, 2022, 13, 6650第一作者廣西大學碩士生楊力)。近期,他們在前期工作的基礎上,將真黑色素分散到羧基丁苯橡膠(XSBR)中,制備得到具有可控精準修復和可逆黏附能力的柔性光熱復合材料(XSBRZA/E)。 


1 (a-c)真黑色素的提取和(d)XSBRZA/E復合材料的制備。


  真黑色素是從廉價的墨魚囊中提取而來。在原料機械共混的剪切過程中,作為橡膠交聯劑的丁二酸二縮水甘油酯(DGESA,含有極性的環氧基團和少量羥基),同時也作為液態分散劑,輔助打破真黑色素顆粒間的相互作用,使真黑色素顆粒均勻分散在橡膠基體中。在共混的同時,納米氧化鋅也與體系中的羧基發生反應,從而引入鋅離子作為固化反應和酯交換反應的催化劑。 


2 真黑色素在橡膠基體中的分散性(a,b)DGESA,(c-d)DGESA。


  SEMTEM圖像表明,在DGESA的輔助下,真黑色素均勻分散在橡膠基體中。在高分辨的TEM圖像中還能觀察到均勻散布在橡膠基體中的鋅離子簇,這為鋅離子與真黑色素鄰苯二酚結構的配位提供了基礎。 


3 XSBRZA/E復合材料的(a-c)光熱轉換性能和(d,e)太陽能熱發電應用。


  憑借均勻分散的真黑素,以及事先引入到橡膠基體的鋅離子與之發生的配位作用,XSBRZA/E復合材料在僅有1 phr真黑色素負載的情況下也表現了令人滿意的光熱效率(80%)。在0.55 W/cm2的近紅外(NIR)激光照射下,1 phr真黑色素負載的XSBRZA/E復合材料可以在20秒內從室溫升高到~120°C,在90秒達到~190°C的高溫,這為復合材料的光控修復提供了條件。XSBRZA/E復合材料還可以與商用的溫差發電機聯用,實現太陽能熱發電應用。即使在廣西南寧3月份的柔和陽光下,也能夠產生0.15 V以上的輸出電壓。 


4 XSBRZA/E復合材料的光控修復性能。


  憑借高效的光熱轉換能力和酯交換特性,XSBRZA/E復合材料可以在NIR激光照射下實現可控精準修復。 


5 XSBRZA/E復合材料的可逆黏附性能。


  基于界面非共價相互作用的溫度依賴性,XSBRZA/E復合材料與基材間的粘附強度可以通過改變溫度或照射NIR實現調控,從而表現出對常見基材的可逆黏附行為,易于從基材上拆卸,甚至可以多次重復使用。


  相關成果近期以“Flexible Photothermal Materials with Controllable Accurate Healing and Reversible Adhesive Abilities”為題發表在Macromolecules上。論文的第一作者為廣西大學化學化工學院碩士生楊力,通訊作者為徐傳輝教授。該研究得到國家自然科學基金(2187504722175044)支持。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00372

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(責任編輯:xu)
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