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長春應化所崔冬梅教授團隊 Macromolecules: 雙核鈧金屬配合物催化合成兼具高強度和韌性的乙烯-苯乙烯多嵌段共聚物

2025-02-21 來源：高分子科技

合成兼具高強度和韌性的材料一直是一個有前景但具有挑戰性的研究課題。間規聚苯乙烯（sPS）以其高強度而聞名，與此同時也面臨著嚴重的脆性以及加工問題。將柔性乙烯單元引入剛性聚苯乙烯鏈中可以解決這些問題，但需要控制共聚物鏈段的規整性以及序列分布，以平衡強度和韌性。現有鈦金屬配合物在進行乙烯-苯乙烯共聚時難以得到具有間規聚苯乙烯鏈段的共聚物，這不利于強度的提升。單核稀土金屬配合物所得共聚物中含有間規聚苯乙烯鏈段，但聚乙烯（PE）鏈段較短，影響其韌性的體現。設計合成具有長PE鏈段和長sPS鏈段的共聚物，是這一研究方向新的目標。

近日，長春應化所崔冬梅教授團隊使用烷基橋連芴基雙核鈧金屬配合物進行乙烯-苯乙烯的共聚合反應（圖1），得到兼具長PE鏈段與長sPS鏈段的多嵌段共聚物，其兩個明顯的熔點分別對應PE鏈段和sPS鏈段（圖2）。共聚物顯示出優于sPS和高密度聚乙烯（HDPE）的優異拉伸強度（60.0 MPa）和抗沖擊性（119.6 kJ/m²），這是單核類似物所生產共聚物達不到的（圖3）。這些性能主要歸因于兩種長嵌段組成的獨特鏈結構，形成互穿網絡而不發生相分離（圖4）。密度泛函理論模擬揭示了其機制，當兩個金屬中心均連接sPS鏈段時，苯乙烯配位-插入過程較低的活化能以及更穩定的中間體促使更長sPS鏈段的形成；而當金屬中心均連接PE鏈段時，PE鏈上氫原子與金屬中心的H---Sc³⁺激動作用抑制了較大位阻苯乙烯的插入，因而形成PE連續鏈段；另外，分別由sPS和PE兩種鏈段連接的配合物為sPS-PE連接點的形成提供了機會。

圖1. 烷基橋連芴基雙核鈧金屬配合物

圖2. 共聚物DSC曲線及連續自成核和退火實驗結果

圖3. 共聚物的拉伸性能及抗沖擊性能

圖4. 共聚物的掃描電鏡圖和原子力顯微鏡圖

綜上所述，兼具高強度和韌性的乙烯-苯乙烯共聚物需要有足夠長的sPS和PE鏈段，這是體現其力學性能的關鍵，而具有適當空間位阻和電子效應的雙核鈧配合物成功實現這一目標。這項研究工作揭示了一種通過調節鏈結構和相形態來平衡強度和韌性的可能方法，為催化劑的設計和共聚物性能調控提供了新的思路。該工作以“Synthesis of Ethylene-Styrene Multiblock Copolymers Possessing High Strength and Toughness Using Binuclear Scandium Catalysts”為題發表在《Macromolecules》上。文章第一作者是長春應化所博士研究生汪騏遠，通訊作者是長春應化所李世輝教授和崔冬梅教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00169

下載：Synthesis of Ethylene-Styrene Multiblock Copolymers Possessing High Strength and Toughness Using Binuclear Scandium Catalysts

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（責任編輯：xu）

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