ACS Materials Lett. | 吉林大学孙俊奇: 高力学性能的可修复与可循环利用聚合物材料- X-MOL资讯

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ACS Materials Lett. | 吉林大学孙俊奇: 高力学性能的可修复与可循环利用聚合物材料

材料

作者：X-MOL 2022-03-22

英文原题：Healable and Recyclable Polymeric Materials with High Mechanical Robustness

通讯作者：孙俊奇，吉林大学

作者：Xiaokong Liu (刘小孔), Yixuan Li (李懿轩), Xu Fang (房旭), Zhuoqiang Zhang (张卓强), Siheng Li (李思衡)

背景介绍

传统聚合物材料在给人类社会创造便利的同时，也引起了严重的资源浪费和环境污染问题。由于共价键的不可逆性，传统聚合物材料在损伤后通常难以通过修复来恢复其初始的性能，也难于被循环利用，大多数只能被废弃或焚烧。因此，亟需发展可修复与可循环利用的聚合物材料，实现对不可修复和循环利用的传统聚合物的逐步替代。基于非共价相互作用与动态共价键交联的超分子聚合物材料是发展可修复与可循环利用聚合物材料的有效途径（图1）。虽然人们已经基于可逆交联的策略制备了一系列可修复与可循环利用聚合物材料，但这一领域的研究仍然面临如下挑战：1.由于非共价相互作用或动态共价键较弱，基于可逆作用力构筑的可修复与可循环利用聚合物材料的力学性能普遍较低，亟需发展高强度可逆交联聚合物材料的制备方法；2.部分可逆交联聚合物虽然具有较高的力学强度，但其修复与循环利用往往需要在苛刻的条件下才能实现。

图1. 基于非共价相互作用和动态共价键的可修复与可循环利用聚合物材料

文章亮点

吉林大学孙俊奇教授团队结合其前期工作，系统地总结了近年来基于非共价相互作用和动态共价键的可逆交联策略制备具有优异力学性能的可修复与可循环利用聚合物材料的研究进展，并对这一领域未来面临的挑战和发展的趋势提出了自己的观点。文章概要介绍了可修复与可循环利用聚合物材料的构筑方法，总结了几类典型的非共价相互作用与动态共价键在构筑可逆交联聚合物时展现的特点。热可逆动态共价键常用于构建热稳定性良好的可逆交联聚合物，它们的修复和循环利用性能需要在较高的温度下才能实现。水或溶剂敏感的动态共价键可用于制造在温和条件下具有良好修复和循环利用性能的可逆交联聚合物。基于高密度的可逆交联策略，是制备高强度的具有修复和循环利用性能的可逆交联聚合物的常用方法。其中高密度、低结合能的氢键可用于制备室温自修复的高强度聚合物材料。

作者重点提出基于聚合物链间多种非共价相互作用与动态共价键的协同及微结构增强是制备高力学性能的可修复与可循环利用聚合物材料的有效方法（图2）。这种方法可以用于制备具有优异修复和循环利用性能的超分子塑料、弹性体和凝胶等材料。如将聚丙烯酸和聚乙烯基吡咯烷酮在水溶液中基于氢键进行复合, 基于复合物内部的高密度氢键和原位生成的聚合物纳米粒子的增强作用，获得了断裂强度和杨氏模量分别达81 MPa和4.5 GPa的高强度可修复超分子塑料。在聚氨酯弹性体的构筑中引入可逆交联的硬而韧的微相分离结构，可以制备高力学性能的可修复与可循环利用聚氨酯弹性体，并赋予弹性体材料优异的弹性和抗撕裂性能等。在自修复超分子水凝胶的构筑中，通过引入可逆交联的微相分离结构，既能够提高水凝胶的强度和弹性性能，又能赋予凝胶优异的室温自修复性能，是解决水凝胶修复性能与力学强度矛盾的一种有效方法。

图2. 基于非共价键与微结构增强的可修复与可循环利用聚合物材料

动态共价键由于具有较高的解离能而适合制备高强度的可修复与可循环利用聚合物材料（图3）。其中，硼氧六环由于具有三个交联位点，非常适合制备高强度的可逆交联聚合物材料。用硼氧六环交联刚性链段聚合物，的结合可以制备高强度的修复与循环利用聚合物材料。如通过环硼氧烷动态交联低分子量聚芳醚酮，可以制备了高力学强度的超分子热固性聚合物，即可表现出热固性塑料的高力学强度和稳定性，又具有热塑性聚合物的可加工性能。发展兼具高稳定性及高动态性的动态共价键具有重要意义。在硼氧六环上引入氮配位基团，可以降低硼氧六环的解离能，进而实现氮配位硼氧六环室温下的可逆解离与重构。基于氮配位硼氧六环交联合适的聚合物，可以构筑具有优异室温修复与循环性能的可逆交联聚合物材料。

图3. 基于动态共价键的可修复与可循环利用聚合物材料

实现可逆交联聚合物材料的功能修复，发展功能性的可修复与可循环利用聚合物材料，一直是这一领域的研究重点。作者介绍了基于可逆交联聚合物的具有原子氧防护性能的自修复聚合物涂层以及高耐用性、高可靠性能的自修复电子/离子皮肤的最新进展（图4）。赋予可修复聚合物新的功能及实现功能修复是自/可修复聚合物材料走向应用的基础。

图4. 功能性可修复与可循环利用聚合物材料

总结/展望

大力发展可修复与可循环利用聚合物材料，能够有效缓解资源浪费及环境污染问题，对于构建可持续发展社会具有重要意义。在过去的十几年里，可修复与可循环利用聚合物材料的发展取得了重要的进步。由于非共价相互作用及动态共价键在加热等苛刻的环境中会解离，未来，提高可逆交联聚合物材料的热稳定性和环境稳定性，是需要解决的重要课题。由于传统的聚合物材料的加工方案不能完全适用可逆交联聚合物材料，因此可逆交联聚合物材料的加工新方法和新技术对最终实现材料的工业生产和应用至关重要。开发高性能可闭环回收的可逆交联聚合物材料对于减少聚合物废料的浪费是一条非常有前景的途径，应该予以重视。最后，作者认为该文章将为研究人员开发具有优异力学性能和功能的下一代可持续发展聚合物材料提供有效思路。相关文章发表在期刊ACS Materials Letters上，吉林大学刘小孔教授为文章第一作者，孙俊奇教授为通讯作者。

通讯作者信息：

孙俊奇教授

孙俊奇，男，1975年生，现任吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室、化学学院教授、国家杰出青年科学基金获得者。分别于1996和2001年在吉林大学获得工学学士和理学博士学位，2002年1月至2003年8月在日本理化学研究所从事博士后研究，2003年9月受聘吉林大学教授，2010年受聘吉林大学“唐敖庆特聘教授”。于2003年获得全国优秀博士论文，获得2007年度中国化学会青年化学奖和第十届中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖(2019年)。获得2021年度中国化学会高分子基础研究王葆仁奖。主要从事可修复、可循环利用及可降解聚合物材料方面的研究。

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