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中科院化學所趙寧研究員和徐堅研究員課題組:動態聚合物網絡及材料的超級拉伸性能
2019-09-09  來源:高分子科技

  優異的可拉伸性能是聚合物網絡能夠用在柔性電子器件、驅動器以及能量存儲等領域的必備條件,構筑雙網絡、納米雜化以及利用動態相互作用是實現這一性能的常用策略。其中,利用動態共價鍵、離子鍵、疏水、配位、π-π、主客體以及離子-偶極等相互作用構筑的動態聚合物網絡受到廣泛關注。在特定條件下網絡中動態交聯點通過可逆斷裂或者動態交換耗散能量,有效防止材料發生不可逆破壞,使材料獲得高拉伸性能。

  中國科學院化學研究所趙寧研究員/徐堅研究員課題組通過強、弱動態鍵的協同作用首次使聚合物網絡的最大拉伸倍數提升至13,000倍。丁二烯聚合物(PB)網絡由離子型氫鍵和亞胺鍵交聯(圖1)。拉伸過程中少量的亞胺鍵用于維持網絡結構,而大量的離子型氫鍵則起到耗散能量的作用,兩種機制之間的協同作用使PB網絡獲得超拉伸性能。相關工作“Superstretchable Dynamic Polymer Networks” 發表在Advanced Materials上。

圖1. 聚合物網絡結構及拉伸過程示意圖。

  PB網絡拉伸性能與兩種動態鍵的比例密切相關。研究發現,含離子型氫鍵多(≥ 7%)的PB網絡可拉伸2000倍以上;特別是PB-ion-imine-7-2.8可拉伸13,000倍(圖2,受儀器量程限制和避免重力對拉伸性能的影響,拉伸試驗采用2mm標距、兩次拉伸完成)。這一結果遠超過之前報道的高拉伸聚合物(凝膠約210倍, 本體聚合物約180倍)。

圖2. PB網絡拉伸性能研究。(a-d)PB-ion-imine-7-2.8的拉伸性能。(e, f)不同PB網絡的拉伸倍數。

  作者利用多種手段從分子尺度研究了這一機理。單分子力譜測試發現PB-ion-imine-7-2.8中存在160和229 pN兩個力值,分別對應于離子型氫鍵和亞胺鍵(圖3a, b)?赡胬靻畏肿恿ψV測試則表明了兩種鍵的動態性(圖3c),動態鍵可在聚合物網絡拉伸過程中不斷耗散能量,促進聚合物鏈滑移而使材料獲得高拉伸倍數。變溫紅外和變溫核磁證明了兩種動態鍵的熱響應性,離子型氫鍵比亞胺鍵對溫度更加敏感(圖3d, e)。溫度掃描測試發現PB-ion-imine-9-0.8和 PB-ion-imine-7-2.8在較低溫度下便表現出粘流態的性質(圖3f)。通過小分子模型,利用二維紅外光譜進一步證明了亞胺鍵在體系中也可以實現能量耗散。

圖3. PB網絡超拉伸機理研究。(a-c)PB-ion-imine-7-2.8單分子力譜測試。(d)PB-ion-imine-5-4.8變溫紅外光譜圖。(e)PB-ion-imine-5-4.8變溫核磁圖。(f)不同PB網絡溫度掃描。

  本研究工作是與西南交通大學崔樹勛教授、中國科學院化學研究所王建平研究員、向俊鋒研究員及加拿大麥克馬斯特大學史安昌教授合作完成。

  論文鏈接:http://doi.org/10.1002/adma.201904029

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(責任編輯:xu)
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