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吉林大学李洋副教授课题组在以天然产物为原料合成可在室温环境下快速修复的自修复弹性体方面取得新进展
2019-09-27  来源:高分子科技
关键词:自修复 弹性体

  弹性体材料因其优越的柔韧性、弹性等优点在多种商业领域存在着广泛应用。然而在材料的使用过程中,弹性体的老化及损伤等往往会导致资源浪费及安全问题。受自然界生物体启发,可以修复结构和功能损伤的自修复材料受到了人们的广泛关注。然而,目前的自修复弹性体材料多由石油化工产品构筑。为构建可持续发展及环境友好型社会,科学家们开始致力于在天然产物领域寻找石油化工类自修复弹性体材料的替代品。此前,有基于呋喃、纤维素以及蛋白质等天然产物的自修复弹性体材料被陆续报道。但是,这些材料往往是力学性能较弱的水凝胶材料或者在修复过程要求额外的刺激,如加热或者需要溶剂的介入。因此,利用天然产物制备具有优异的机械性能并且可以进行快速有效的室温修复的弹性体材料依然是一种巨大的挑战。

  针对这一问题,李洋副教授团队通过对聚合物分子结构进行设计,以油酸及组氨酸为原料制备了可室温快速修复的自修复弹性体材料,避免了目前自修复弹性体材料多数以石油化工产品为原料,制备过程容易产生污染等问题。在制备过程中,该团队以聚油酸为主链,修饰以组氨酸基团,随后加入多种不同金属离子与组氨酸进行配位交联,从而得到了力学性能可控,并具备优秀的自修复能力的弹性体材料Mn+/POA-His。

图1. Mn+/POA-His的制备过程

  当改变材料中所使用的配位金属时,配位键的强度也会随之变化。在该工作选用的Zn2+ Cu2+ Fe3+三种不同金属离子中,使用较弱的Zn2+ -组氨酸配位键所制得的Zn2+/POA-His具有最低的断裂应力(3.90 MPa)和最高的断裂应变(231%),与之对比,使用较强的Fe3+ -组氨酸配位键所制得的Fe3+/POA-His具有最高的断裂应力(5.20 MPa)和最高的拉伸应变(178%)。这都证明了Mn+/POA-His的力学性能可通过加入不同配位金属进行调控。

  该工作中选择的体系内存在着大量动态性良好的配位键及氢键,此外材料较低的Tg和聚合物链的枝状结构也提升了聚合物链段的迁移能力。这两点相结合使得材料具有优秀的室温快速修复能力。以Zn2+/POA-His为例,完全断裂的材料在室温下接触10 s便可自发恢复59%的断裂强度,并且在1 h内可以实现完全修复。而且,这种自修复弹性体材料不仅可以通过热压进行多次重塑,还可以通过替换材料中的配位金属实现材料的循环回收利用。而且经过多次重塑,材料的力学性能基本没有衰减。这项研究工作为设计环境友好型自修复弹性体材料提供了一种新策略。

图2. (a) Mn+/POA-His的拉伸应力-应变曲线;Zn2+/POA-His在(b)修复及(c)热压重塑过程中的拉伸应力-应变曲线;(d) Cu2+/POA-His和Fe3+/POA-His原始样品及通过置换金属回收后的样品的拉伸应力-应变曲线。

  基于其可控的力学性能和优秀的自修复能力,这种材料可以作为自修复补丁应用于不同的环境。比如,Zn2+/POA-His可以修补如气球等力学性能较弱的弹性材料,而Fe3+/POA-His则可以修补轮胎等较强的橡胶材料。即使在使用过程中再次受到损伤,该材料依然可以实现快速修复并恢复其气密性。

图3. Mn+/POA-His作为自修复补丁在不同环境下的应用,(a) Zn2+/POA-His膜对气球的修补,(b)Fe3+/POA-His膜对自行车内胎的修补。

  以上相关成果以“Plant Oil and Amino Acid-Derived Elastomers with Rapid Room Temperature Self-Healing Ability”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。论文的第一作者为吉林大学化学学院博士生郭文瑾,通讯作者为李洋副教授

  论文链接:

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(责任编辑:xu)
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