可逆共价键交联聚合物网络的结构与力学特性研究

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交联高分子材料凭借着质轻、强度高、耐溶剂、高弹性等优势在现代社会中发挥了至关重要的功能,但是,传统的共价交联高分子材料在失效破坏后难以回收再利用,造成了日益严重的资源与环境问题。引入可逆的交联作用,构建可逆交联高分子网络,开发可以自修复、再加工的新型交联高分子材料成为解决这些问题的关键策略之一。本文以两种典型的可逆共价键——亚胺键与硼酸酯键——构建交联聚合物网络,这两种可逆共价键都具有缩合-水解反应与动态交换反应的两种可逆反应途径。从相应的小分子单体出发,本文设计并合成了一系列具有不同交联密度的可逆共价键交联网络,主要关注该类网络的力学性质、粘弹特性及其结构成因,为未来开发可逆交联高分子材料提供结构-性能关系的理论基础。主要内容如下:(1)从小分子多元胺与二元醛出发,构建了可逆亚胺键交联的聚亚胺弹性体(Polyimine Elastomer,PIE)。由于主链中硅氧烷结构的存在,PIE在室温下呈现为高弹态。通过调节原料二元胺与三元胺的投料比例,所得的PIE具有不同的玻璃化转变温度(Tg)与交联密度,因而呈现出渐变且可调的粘弹性与物理机械性能。在PIE的拉伸应力松弛实验中,我们观察到一种特殊的“应力松弛-回弹”现象,其应力-时间曲线发展到零应力之后没有达到平衡,而是逐渐增长(“回弹”)到一个平衡值。这种特殊的“应力松弛-回弹”现象既无法用经典的不可逆共价交联弹性体的应力松弛理论解释,在可逆交联网络的研究中亦鲜有报道,故其应该与可逆亚胺键交联结构相关。我们在进一步表征PIE在受力过程中的结构转变的基础上,初步揭示了这种特殊的“应力松弛-回弹”现象可能源自于可逆亚胺键在受力破坏后的实时重构反应。这种受力过程中的实时重构机制,使得可逆交联网络在受力方向上形成稳定的取向化的拓扑结构,促成了在取向方向上实现强度提升的效果。(2)PIE的应力“回弹”现象反映出可逆共价交联网络的外力活化-网络重构效应。基于这种机制,我们研究了基于另一类可逆共价键——硼酸酯键的交联网络在外力作用下的网络重构能力。由小分子多羟基聚硅氧烷与二元硼酸出发,我们构建了含有大量硼酸酯键的聚二氧杂硼烷网络(Polydioxaborolane Network,PDOB)。由于主链中共轭环状结构的存在,交联度较高的PDOB在室温下呈现为硬质的热固性塑料。在PDOB的粘弹性研究中,我们发现其Tg要高于理论上的拓扑结构冻结转变温度(Tv)。我们进一步探究了PDOB在Tv到Tg的温度范围内的重复加工性,发现虽然其处于玻璃态,但外力作用仍能激活其表面的可逆共价键反应活性,促成可逆交联网络的重构。这些结果表明,可逆交联高分子网络的成型加工可以在更宽的温度范围内借助合理的加工力场得以实现。(3)将不同物理机械性质的高分子共混,是制备橡胶增韧塑料或者塑料补强橡胶等高性能高分子材料的关键策略之一。PIE虽然具有较好的拉伸弹性,但是在温度升高时表现出过快松弛、形状稳定性差等缺点;另外,PDOB虽然具有较高的强度,但是其韧性不足,容易脆断。基于亚胺键与硼酸酯键共有的水分子介导的先解离再重构的可逆化学特性,我们通过水解-溶液共混-再交联的途径制备了基于亚胺键与硼酸酯键的双重可逆共价交联网络(Reversible Double Networks,RDN)。在此途径中,两种单一可逆共价交联网络可以克服原有的不相容性,在溶液体系中实现两种网络碎片的均匀分散,并在此后的交联过程中将均匀分散的互穿交联的相结构固定下来。相比于两种单一可逆共价网络及物理共混的参比样品,RDN中的PIE网络与PDOB网络可以共同承受外力并互相牵制,这使得RDN在拉伸过程中能够吸收大量机械能,表现出显著提升的韧性,在实现刚性的PDOB网络增强PIE弹性网络的同时保持了双重网络的交联弹性,而在应力松弛中PDOB网络也对PIE网络的快速松弛产生限制作用。RDN中的两种可逆共价键仍然保持了各自的动态交换反应活性,这促成了其重复热加工中均相互穿结构的稳定性。此外,借助两种单一可逆共价交联网络的溶解性差异与可逆键的水解性质,我们还通过简单且经济的水溶法实现了对RDN中的两种组分的分离与回收。回收得到的单一可逆共价网络具有与原料相接近的力学性能与表面性质,并且可以再次通过溶液共混得到再生的RDN。这些结果表明,合理设计与利用可逆共价键的解离与缔合的化学特性,可以简化均相互穿的共混高分子交联网络材料的制备,同时实现共混材料的增强、增韧以及便捷化回收与再生。
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