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上海交大周寅寧/羅正鴻教授課題組《Macromolecules》:可閉環(huán)回收的可逆交聯(lián)聚合物設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲嘏艅恿W(xué)解耦
2023-09-15  來源:高分子科技

  可逆交聯(lián)聚合物,也稱共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(covalent adaptable networks, CANs),可在特定外界刺激條件下發(fā)生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)渲嘏,既能保持熱固性材料良好的力學(xué)性能,同時又具備熱塑性材料可回收加工的特性。目前CANs的回收常通過引入單官能度小分子解聚網(wǎng)絡(luò),再加入多官能度單體重新交聯(lián)獲得再生網(wǎng)絡(luò)(圖1A)。上述回收方法中,添加物的殘留會導(dǎo)致重新形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺陷增多,性能受到影響。因此,設(shè)計(jì)合成高性能可逆交聯(lián)聚合物,探索其高效的閉環(huán)回收策略成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。


  網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)渲嘏艅恿W(xué)行為直接影響了可逆交聯(lián)聚合物的重加工性能,準(zhǔn)確深入地解析其對可逆交聯(lián)聚合物動態(tài)特性的影響是設(shè)計(jì)合成可閉環(huán)回收CANs的關(guān)鍵,也是難點(diǎn)。目CANs可逆交換動力學(xué)的研究主要是通過應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn),但該手段通常只能得到其表觀交換動力學(xué)特性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲嘏懦c動態(tài)鍵的可逆交換反應(yīng)有關(guān)外,還與鏈段松弛有關(guān)。因此,有必要對CANs拓?fù)渲嘏艅恿W(xué)進(jìn)行解耦,以定量揭示可逆交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與動態(tài)特性間關(guān)系。


1. 可逆交聯(lián)聚合的化學(xué)回收過程及具有不同乙烯酰基動態(tài)化學(xué)結(jié)構(gòu)


  近期,上海交大“創(chuàng)新多尺度化工材料及反應(yīng)工程研究室” 成員設(shè)計(jì)合成了一種基于乙烯胺硫酯(Vinylogous Carbamothioate, VC)動態(tài)化學(xué)結(jié)構(gòu)的可閉環(huán)回收的交聯(lián)聚合物。該動態(tài)化學(xué)結(jié)構(gòu)是在比利時根特大學(xué)Du PrezWinne教授課題組的研究基礎(chǔ)上,將與;噙B的取代基改為硫元素所得(圖1B)。高摩爾折射率含硫單元的引入,使得CANs折光系數(shù)增加,同時C-S鍵比C-OC-C鍵鍵長更長,使得分子鏈更柔順。進(jìn)一步的拓?fù)渲嘏艅恿W(xué)研究表明,受柔性含S鏈段的影響,鏈段松弛在拓?fù)?/span>網(wǎng)絡(luò)重排過程中具有重要貢獻(xiàn),導(dǎo)致模型反應(yīng)中小分子交換動力學(xué)與由應(yīng)力松弛測得的CANs表觀動力學(xué)呈現(xiàn)相反的特征。


  首先,利用小分子模型反應(yīng)對乙烯胺硫酯動態(tài)鍵交換動力學(xué)進(jìn)行研究(圖2)。通過對比不同溫度、不同時間下特征氫質(zhì)子對應(yīng)的積分比率來確定N-Butyl-VC剩余分?jǐn)?shù),在使用過量芐胺的前提下,采用擬一級動力學(xué)方程擬合N-Butyl-VC剩余分?jǐn)?shù)隨反應(yīng)時間的函數(shù),得到對應(yīng)溫度下交換反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。隨后,利用Arrhenius方程得到鍵交換活化能。同理,可得乙烯胺酯鍵(Vinylogous Urethane, VU)的鍵交換動力學(xué)參數(shù)。對比發(fā)現(xiàn),VC結(jié)構(gòu)的交換反應(yīng)較VU結(jié)構(gòu)更慢,交換活化能高于VU體系。 


 2. 模型化合物鍵交換動力學(xué)研究


  進(jìn)一步,利用應(yīng)力松弛對VCVU動態(tài)鍵構(gòu)成的CANs的表觀動態(tài)性能進(jìn)行表征(圖3)。結(jié)果表明,VC-CANs表現(xiàn)出更短的松弛時間和較低的拓?fù)渲嘏拍軌。這一結(jié)果與小分子模型反應(yīng)截然相反,作者推測這可能是由于相比于鍵交換,鏈段松弛在VC-CANs網(wǎng)絡(luò)重排中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 


 3. CANs的表觀交換動力學(xué)研究


  為更進(jìn)一步量化鍵交換與鏈段松弛在網(wǎng)絡(luò)重排過程中的貢獻(xiàn),采用振蕩頻率掃描對不同溫度下的一系列小范圍頻率試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行時間-溫度疊加,得到大頻率范圍的損耗因子和存儲模量的主曲線(圖4由于CANs在低頻區(qū)的響應(yīng)與Maxwell模型吻合,作者對低頻區(qū)的損耗因子采用Maxwell粘彈性理論方程擬合得到相應(yīng)參考溫度下的交換速率系數(shù)β。值得注意的是,β在大范圍溫度下表現(xiàn)出雙溫度響應(yīng)。在高溫區(qū)域,由于CANs處于粘流態(tài),可以忽略鏈段松弛對網(wǎng)絡(luò)重排的限制,認(rèn)為其對應(yīng)的活化能僅與鍵交換有關(guān)。對比發(fā)現(xiàn),VC-CAN的交換活化能較VU-CAN的更高,與小分子模型反應(yīng)一致。在低溫區(qū)域,受到鍵交換與鏈段松弛雙重限制,此時,通過與高溫區(qū)對應(yīng)活化能相減,可以得到鏈段松弛對網(wǎng)絡(luò)重排的能壘大小,計(jì)算結(jié)果為VC-CAN的鏈段松弛能壘小于VU-CAN。通過對拓?fù)渲嘏艅恿W(xué)解耦,發(fā)現(xiàn)在上述CANs的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲嘏胚^程中,鏈段松弛起到了重要的作用。因此,不能簡單地將模型反應(yīng)中小分子交換動力學(xué)與由應(yīng)力松弛測得的CANs表觀動力學(xué)進(jìn)行關(guān)聯(lián),還應(yīng)該考慮鏈段松弛的作用。 


 4. 主曲線分析解耦CANs拓?fù)渲嘏胖械逆I交換與鏈段松弛的能壘


  最后,作者開展了CANs室溫下閉環(huán)回收實(shí)驗(yàn)(圖5)。在酸性條件下將樣品解離,通過簡單的分離純化步驟,分別對功能單體和交聯(lián)劑進(jìn)行了回收,其純度與初始反應(yīng)物一致。利用回收單體和交聯(lián)劑重新交聯(lián)固化,所獲得的CANs與初始樣品相比,在化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)組成和熱機(jī)械性能方面均沒有明顯變化。 


 5. CANs的閉環(huán)回收過程與產(chǎn)物表征


  上述研究對可逆交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲嘏艅恿W(xué)和閉環(huán)化學(xué)回收進(jìn)行了較為深入的研究,為未來設(shè)計(jì)具有特定動態(tài)性能的可閉環(huán)回收CANs提供了參考。


  該工作以“Closed-Loop Recyclable Vinylogous Carbamothioate-Based Covalent Adaptable Networks為題發(fā)表在Macromolecules 2023, 56, 6644-6654。上海交通大學(xué)化工系博士研究生劉杰為第一作者,周寅寧研究員與已出站博士后李錦錦博士(現(xiàn)華東理工大學(xué)特聘副研究員)為共同通訊作者。羅正鴻教授在研究工作中提供了重要的指導(dǎo)與幫助,該研究得到國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c01142

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