中南民大張道洪教授團隊 Adv. Mater.：亞納米維度揭示超支化環(huán)氧樹脂增強增韌機理
近日，中南民族大學(xué)超支化聚合物團隊張道洪教授聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張宏俊教授、澳大利亞墨爾本大學(xué)苗孟河教授等在構(gòu)筑高強高韌可降解超支化環(huán)氧樹脂及其增強增韌機理方面取得新的研究進展，研究成果以“Ultra-Strong and High-Tough Thermoset Epoxy Resins from Hyperbranched Topological Structure and Subnanoscaled Free Volume”為題發(fā)表于國際知名期刊《Advanced Materials》（Doi: 10.1002/adma.202308434）。中南民族大學(xué)碩士研究生劉欣為論文第一作者，張道洪教授、張宏俊教授和苗孟河教授為論文的共同通訊作者，中南民族大學(xué)為論文的第一通訊單位。
環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、機械性能和工藝性能等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、風電等領(lǐng)域。然而環(huán)氧樹脂的發(fā)展依然面臨著強度和韌性的矛盾、固化產(chǎn)物難以降解和循環(huán)利用等難題，限制了其進一步的廣泛應(yīng)用。為此，張道洪教授團隊將超支化拓撲結(jié)構(gòu)引入環(huán)氧樹脂中，先后在超支化環(huán)氧樹脂的構(gòu)筑與結(jié)構(gòu)調(diào)控（Angew. Chem., 2022, 61, e202211713; 2021, 60, 331；Chem. Eng. J: 2018, 334, 1371; 2020, 387,124071）、環(huán)氧樹脂的高效增強與增韌（Nat. Sustain., 2020, 3, 29；ACS Macro Lett, 2021, 10, 1113; Macromolecules, 2022, 55, 595; Chem. Eng. J.: 2023, 465, 142998; 2023, 471, 144329;)、以及環(huán)氧樹脂高效降解與回收(Macromolecules, 2023, 56, 5290; ACS Sustain. Chem. Eng., 2023, 11, 11077)等方面取得了系列成果，系統(tǒng)總結(jié)了超支化聚合物“橢球形結(jié)構(gòu)”的原位均相增強增韌機制(Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 100977)。然而，如何通過調(diào)節(jié)超支化分子的拓撲結(jié)構(gòu)進一步高效調(diào)控環(huán)氧樹脂的微觀缺陷，從自由體積尺寸與分布角度來理解和揭示協(xié)同增強增韌機理依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
圖1. 超支化環(huán)氧樹脂Bn的合成
本工作中，作者利用點擊化學(xué)技術(shù)將酰亞胺結(jié)構(gòu)引入環(huán)氧樹脂中，制備了一系列拓撲結(jié)構(gòu)可控的超支化聚酰亞胺環(huán)氧樹脂（Bn）（圖1），進一步將其引入復(fù)合商業(yè)化通用環(huán)氧樹脂（DGEBA）中。研究發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺結(jié)構(gòu)的引入可顯著提升環(huán)氧樹脂的機械性能和熱性能，其中具有中等支化度和中等含量的Bn/DGEBA共聚物展現(xiàn)出了最優(yōu)的力學(xué)性能。與純的DGEBA相比，超支化聚酰亞胺環(huán)氧樹脂能同時提高拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、彎曲模量、沖擊強度和韌性分別提高了73.7%，36.3%，28.0%，38.0%，44.6%，116.4% and 216.2%。進一步通過正電子湮沒壽命譜學(xué)（PALS）詳細研究了共聚物亞納米級自由體積尺寸與分布對宏觀機械性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著自由體積分數(shù)、自由體積孔尺寸和孔平均尺寸分布的降低，共聚物的強度和韌性呈現(xiàn)出了先增加后降低的變化趨勢。在此基礎(chǔ)上，作者提出了Bn與DGEBA的均相分子互穿增強增韌，認為“橢球形結(jié)構(gòu)”的超支化聚合物具有較好的流動性和相容性，可以與線形的DGEBA鏈形成分子互穿，填充原有DGEBA鏈間的孔隙，實現(xiàn)自由體積孔尺寸的降低和致密化，從而協(xié)同提升樹脂的強度和韌性（圖2）。此外，該環(huán)氧樹脂還展現(xiàn)出了相對溫和的降解條件和較高的單體回收產(chǎn)率。該研究為環(huán)氧樹脂的增強增韌機制提供了新的理解和認識，為高性能可降解環(huán)氧樹脂的設(shè)計開發(fā)提供了新的方法與途徑。
圖2. Bn/DGEBA共聚物的增強增韌機制
張道洪教授領(lǐng)銜的超支化聚合物團隊是校學(xué)術(shù)團隊，入選了湖北省自然科學(xué)創(chuàng)新群體、湖北省科技創(chuàng)新團隊和國家民委創(chuàng)新團隊，依托于中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、催化轉(zhuǎn)化與能源材料化學(xué)教育部重點實驗室和超支化聚合物合成與應(yīng)用技術(shù)湖北省工程研究中心，長期從事超支化聚合物合成及應(yīng)用研究，團隊主持“超支化聚合物”領(lǐng)域的國家自然科學(xué)基金項目10余項、省重大重點和企業(yè)委托項目30余項，獲授權(quán)國際、國家發(fā)明專利70余件。部分成果獲中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎一等獎2項、湖北省科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎一等獎1項。實現(xiàn)超支化聚合物系列產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，建成國內(nèi)最大的年產(chǎn)千噸級超支化聚合物生產(chǎn)示范線，為國內(nèi)200余所高校和科研院所提供超支化聚合物研究類產(chǎn)品，為國內(nèi)外工程塑料加工企業(yè)供應(yīng)高性能的節(jié)能加工助劑和關(guān)鍵技術(shù)，促進了國內(nèi)高分子材料的可持續(xù)健康發(fā)展。
文章信息：Xin Liu, Huanghu Wu, Wei Xu, Yu Jiang, Junheng Zhang, Bangjiao Ye, Hongjun Zhang*, Sufang Chen, Menghe Miao*, Daohong Zhang*. Ultra-Strong and High-Tough Thermoset Epoxy Resins from Hyperbranched Topological Structure and Subnanoscaled Free Volume. Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202308434.
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308434
