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四川大学王玉忠院士团队:PET的智能化与高性能化
2019-07-13  来源:大发排列3网

  近年来智能化快速发展,智能高分子材料因其能够感知外界刺激,并迅速做出响应以改变自身物理或化学性质,成为各国研究人员关注的热点。其中,形状记忆聚合物(SMPs)能够记忆并受刺激回复材料的原始形状,自修复聚合物(SHPs)可以修复使用过程中产生的裂纹或划痕,在建筑材料、生物医疗、国防工业等高新大发排列3领域具有广泛的应用前景。但是,智能高分子材料也面临着许多实际问题,如复杂的结构设计合成、成本高、产率低、强度低、热稳定性差等。此外,易燃性问题也限制了智能高分子材料在许多具有防火阻燃要求的领域,如建筑、航空航天、公共交通等的应用和推广。

  聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为一种通用型热塑高分子,是目前产量最大的合成高分子品种,被广泛应用于合成纤维、瓶装材料、薄膜和工程塑料等领域。虽然不具有智能响应性能,但PET的低成本、高强度、保形性、耐热性和耐腐蚀等优点也是其他许多智能高分子不能比拟的。因此,实现PET的智能化和高性能化,赋予其额外的高附加价值,具有重要的经济效益和现实意义。

  四川大学王玉忠院士团队通过对聚合物分子结构的设计,在PET分子链侧基上引入苯酰亚胺-苯乙炔基团,采用简单的一锅熔融缩聚方法制备了具有高强度(比普通PET的拉伸强度提高45%)、形状记忆性能、自修复性能和阻燃抗熔滴性能的共聚酯P(ET-co-PN)n,同时该共聚酯可适用于3D打印大发排列3。

图1. PET共聚酯的制备过程及苯乙炔基团间的π-π堆积作用

  苯乙炔基团间的物理π-π堆积作用不仅可以作为形状记忆的固定相,亦可以作为自修复过程中的动态交联点,同时赋予共聚酯优异的形状记忆性能和自修复性能。共聚酯P(ET-co-PN)15-20的形状固定率(Rf)可达99%以上,形状回复率(Rr)可达96%以上。切断的共聚酯P(ET-co-PN)15样条在140°C修复20分钟后可以承受自身4878倍的重物。

图2. PET共聚酯的形状记忆性能和自修复性能

  燃烧时,共聚酯分子链侧基上的苯乙炔基团不仅会发生自交联,亦可与苯酰亚胺基团分解产生的氰基结构发生协同交联。这种交联结构一方面大大提高了聚酯熔体黏度,抑制熔滴产生;另一方面可促进稳定芳稠环炭层的形成,起到阻燃效果。共聚酯P(ET-co-PN)15具有较高的极限氧指数值(33.5%),且可通过垂直燃烧测试V-0级、不熔滴。此外,利用共聚酯的形状记忆性能和阻燃性,设计的早期火灾预警装置表现出很短的响应时间(< 5 s)。

图3. PET共聚酯的阻燃性能及在早期火灾预警方面的应用

  PET共聚酯由于合适的结晶速率、可控的熔体流变性和较强的层间黏附力,可用于3D打印大发排列3制备不同形状的几何模型,且制备的3D模型具有很好的形状记忆性能,可望制备大规模的可折叠-展开设备并用于航空航天和交通运输等领域。

图4. PET共聚酯在3D打印方面的应用

  此研究为传统高分子材料的发展提供了新思路,实现了通用高分子材料的智能化与高性能化,有望在高科技、高附加值产业中得到实际应用。该工作以“3D printable robust shape memory PET copolyesters with fire safety via π-stacking and synergistic crosslinking”为题发表于Journal of Materials Chemistry A。该文的第一作者为王玉忠院士的博士研究生陈琳,该工作得到国家自然科学基金重点项目(21634006)项目的资助。

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta04187g#!divAbstract

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