【投稿】南京大学Cell Reports Physical Science:基于氢键作用的高强度自修复材料


超分子聚合物是通过单体分子间的非共价弱相互作用自组装而成的。由于非共价弱相互作用具有动态可逆的特点,超分子聚合物被赋予了区别于传统高分子的诸多特殊性能,包括可循环加工性、环境响应性、自适应性和自修复性等。这些独特而又优异的性质使超分子聚合物在智能材料、环境友好材料、生物医用材料等领域具有广泛的应用前景。但是相较于传统高分子,超分子聚合物单体分子间作用相对较弱,其力学强度往往较低。因此研发出高强度多功能性的超分子聚合物具有重要的意义。

近期,南京大学化学化工学院李承辉教授等人利用分子间的高密度氢键作用与低结晶性,制备了可自修复且具有优异变刚度性质的高强度超分子聚合物。研究人员通过1,2-双(2-氨基乙氧基)乙烷和丙烯酸的Michael加成反应制备了一种含有四羧乙基结构的新型小分子EGTPA,该分子通过分子间的高密度氢键作用与低结晶性可得到超分子聚合物(图 1)。分子中的众多羧基和主链上的氧原子可以形成致密的氢键,使材料EGTPA在室温下的杨氏模量达到1.1 GPa,为坚硬固体,其Tg为28 °C (图 2)。

图1: EGTPA的合成与表征

图2: EGTPA的变刚度性质

同时,由于多种氢键作用的随机存在和羧乙基结构的影响,从XRD图中可以看出材料具有低结晶性。因为高密度动态氢键的存在,材料具有极为优异的变刚度性质,从25 °C 到125 °C的温度变化下,其储能模量变化(G’25/G’125)高达50000。同时材料在较稳和条件下可实现自修复,60 °C下加热10分钟便可达到90%的应力修复。研究人员利用该材料优异的变刚度性质将其与弹性材料复合,实现“高温变刚度形变—低温高强度定型—加热恢复形变”的类形状记忆效应,提供了一种自制“形状记忆材料”的策略,以满足特定的应用需求(图3)。

图3: 自制“形状记忆材料”

以上工作以“A Supramolecular Polymer Formed by Small Molecules”为题发表在Cell出版社旗下开放获取期刊《Cell Reports Physical Science》上。

Min-Hao Zhang, Cheng-Hui Li, Jing-Lin Zuo, A Supramolecular Polymer Formed by Small Molecules. Cell Reports Physical Science纳思达股, 2020, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100144

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本文由作者团队供稿。

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