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南京大學(xué)李承輝團(tuán)隊(duì) Angew:由動(dòng)態(tài)配位鍵構(gòu)造的具有多刺激響應(yīng)性的新型機(jī)械自適應(yīng)材料
2024-03-12  來(lái)源:高分子科技

  設(shè)計(jì)合成能夠根據(jù)外界刺激調(diào)整其機(jī)械性能的材料是防止其失效和延長(zhǎng)其使用壽命的關(guān)鍵。然而,現(xiàn)有的機(jī)械自適應(yīng)聚合物仍受到諸如承載能力不足、難以實(shí)現(xiàn)可逆變化、成本高和缺乏多重響應(yīng)性等問(wèn)題的限制。針對(duì)上述問(wèn)題,南京大學(xué)李承輝教授團(tuán)隊(duì)利用動(dòng)態(tài)配位鍵設(shè)計(jì)了一種具有雙重刺激響應(yīng)性的新型機(jī)械適應(yīng)性材料,表現(xiàn)為溫度敏感的強(qiáng)度可控調(diào)節(jié)和速率誘導(dǎo)的沖擊硬化行為。制備的聚合物表現(xiàn)出令人印象深刻的能量耗散、阻尼能力(1.0 Hz時(shí)的損耗因子分別為1.152.09)、自修復(fù)和3D打印能力,具有耐用和可定制的抗沖擊和保護(hù)性能。這項(xiàng)研究工作不僅提出了在機(jī)械自適應(yīng)材料中引入配位平衡的新型策略,而且為智能防護(hù)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了具有綜合性能的新一代抗沖擊材料。相關(guān)工作以“Mechanically Adaptive Polymers Constructed from Dynamic Coordination Equilibria”發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》。論文的第一作者為南京大學(xué)趙梓含博士,通訊作者為南京大學(xué)李承輝教授。


1基于動(dòng)態(tài)配位鍵的機(jī)械自適應(yīng)材料的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意圖及合成路線。


  由于配位作用通常在其締合態(tài)和解離態(tài)之間處于平衡狀態(tài),該研究工作首先測(cè)試證明BPA-FeBPA-Co兩種配合物在外界刺激下容易發(fā)生動(dòng)態(tài)解離作用,因此,本工作制備得到的刺激響應(yīng)性材料的機(jī)械適應(yīng)性主要?dú)w因于:配位動(dòng)態(tài)交聯(lián)點(diǎn)在外界刺激下的可逆斷裂-重組會(huì)誘導(dǎo)纏結(jié)聚合物鏈段的動(dòng)態(tài)斷裂或滑移行為,從而使聚合物網(wǎng)絡(luò)發(fā)生拓?fù)渲嘏拧?/span>當(dāng)沖擊速度低于配位鍵的解離速率時(shí),配位鍵可視為活性鍵,當(dāng)沖擊速度超過(guò)解離速率時(shí),配位鍵可視為非活性,從而影響聚合物的機(jī)械性能。在流變學(xué)測(cè)試中,所制備的配位交聯(lián)聚合物模量在循環(huán)溫度斜坡過(guò)程中的變化跨越了六個(gè)數(shù)量級(jí),表明其機(jī)械強(qiáng)度具有顯著的溫度響應(yīng)性。此外,通過(guò)拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試,聚合物的楊氏模量和拉伸韌性也表現(xiàn)出明顯的速率依賴(lài)行為。 


2.配位交聯(lián)聚合物的溫度與速率相關(guān)的機(jī)械適應(yīng)性。


  此外,該動(dòng)態(tài)配位交聯(lián)聚合物展現(xiàn)了出色的能量耗散和阻尼性能,對(duì)不同應(yīng)變的循環(huán)壓縮和拉伸表現(xiàn)出明顯的耗散和彈性恢復(fù)。聚合物的耗能比都保持在40%以上,最大值達(dá)到78.67%。在循環(huán)拉伸試驗(yàn)中也觀察到類(lèi)似的趨勢(shì),能量耗散比超過(guò)80%。此外,流變學(xué)研究表明聚合物在廣泛的頻率和溫度范圍內(nèi)可保持其阻尼能力。 


3配位交聯(lián)聚合物的能量耗散和阻尼性能。


  基于優(yōu)異的能量耗散及阻尼性能,聚合物材料表現(xiàn)出抗沖擊性能,鋼球下落沖擊實(shí)驗(yàn)表明所得聚合物PBMBD-FePBMBD-Co可明顯衰減鋼球在基材上的沖擊力。具備能量耗散能力的聚合物同時(shí)可作為增韌劑對(duì)硬脆型環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行力學(xué)增韌改性。此外,配位交聯(lián)聚合物表現(xiàn)出的溫度響應(yīng)性和機(jī)械適應(yīng)性使其成為3D打印的理想選擇。通過(guò)利用阻尼聚合物的3D打印特性,可以獲得多種按需定制的抗沖擊材料,可在不同領(lǐng)域提供潛在的應(yīng)用,如個(gè)人防護(hù)裝備的制造以及航空航天和汽車(chē)行業(yè)。 


4配位交聯(lián)聚合物的抗沖擊測(cè)試,增韌能力和3D打印應(yīng)用。


  總結(jié):作者采用配位化學(xué)動(dòng)態(tài)平衡策略合成了一種新型的雙重響應(yīng)機(jī)械自適應(yīng)材料。由于配位交聯(lián)點(diǎn)的刺激-響應(yīng)可逆解離特征,聚合物表現(xiàn)出速率和溫度依賴(lài)的機(jī)械適應(yīng)性。同時(shí),該粘彈性聚合物在很寬的頻率和溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著的能量耗散和阻尼能力,使其在抗沖擊應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。此外,所得聚合物兼具室溫自修復(fù)、3D打印等性質(zhì),使其更具可持續(xù)性、耐用性和可定制性,從而在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用價(jià)值。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202400758

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