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中科院化学所赵宁研究员和徐坚研究员课题组:动态聚合物网络及材料的超级拉伸性能
2019-09-09  来源:高分子科技

  优异的可拉伸性能是聚合物网络能够用在柔性电子器件、驱动器以及能量存储等领域的必备条件,构筑双网络、纳米杂化以及利用动态相互作用是实现这一性能的常用策略。其中,利用动态共价键、离子键、疏水、配位、π-π、主客体以及离子-偶极等相互作用构筑的动态聚合物网络受到广泛关注。在特定条件下网络中动态交联点通过可逆断裂或者动态交换耗散能量,有效防止材料发生不可逆破坏,使材料获得高拉伸性能。

  中国科学院化学研究所赵宁研究员/徐坚研究员课题组通过强、弱动态键的协同作用首次使聚合物网络的最大拉伸倍数提升至13,000倍。丁二烯聚合物(PB)网络由离子型氢键和亚胺键交联(图1)。拉伸过程中少量的亚胺键用于维持网络结构,而大量的离子型氢键则起到耗散能量的作用,两种机制之间的协同作用使PB网络获得超拉伸性能。相关工作“Superstretchable Dynamic Polymer Networks” 发表在Advanced Materials上。

图1. 聚合物网络结构及拉伸过程示意图。

  PB网络拉伸性能与两种动态键的比例密切相关。研究发现,含离子型氢键多(≥ 7%)的PB网络可拉伸2000倍以上;特别是PB-ion-imine-7-2.8可拉伸13,000倍(图2,受仪器量程限制和避免重力对拉伸性能的影响,拉伸试验采用2mm标距、两次拉伸完成)。这一结果远超过之前报道的高拉伸聚合物(凝胶约210倍, 本体聚合物约180倍)。

图2. PB网络拉伸性能研究。(a-d)PB-ion-imine-7-2.8的拉伸性能。(e, f)不同PB网络的拉伸倍数。

  作者利用多种手段从分子尺度研究了这一机理。单分子力谱测试发现PB-ion-imine-7-2.8中存在160和229 pN两个力值,分别对应于离子型氢键和亚胺键(图3a, b)。可逆拉伸单分子力谱测试则表明了两种键的动态性(图3c),动态键可在聚合物网络拉伸过程中不断耗散能量,促进聚合物链滑移而使材料获得高拉伸倍数。变温红外和变温核磁证明了两种动态键的热响应性,离子型氢键比亚胺键对温度更加敏感(图3d, e)。温度扫描测试发现PB-ion-imine-9-0.8和 PB-ion-imine-7-2.8在较低温度下便表现出粘流态的性质(图3f)。通过小分子模型,利用二维红外光谱进一步证明了亚胺键在体系中也可以实现能量耗散。

图3. PB网络超拉伸机理研究。(a-c)PB-ion-imine-7-2.8单分子力谱测试。(d)PB-ion-imine-5-4.8变温红外光谱图。(e)PB-ion-imine-5-4.8变温核磁图。(f)不同PB网络温度扫描。

  本研究工作是与西南交通大学崔树勋教授、中国科学院化学研究所王建平研究员向俊锋研究员及加拿大麦克马斯特大学史安昌教授合作完成。

  论文链接:http://doi.org/10.1002/adma.201904029

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