熱固性聚合物(比如環(huán)氧)因為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,機械性能優(yōu)異和良好耐腐蝕性,作為涂層,黏結(jié)劑,灌封膠和復(fù)合材料在各個領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但是,由于熱固性聚合物永久性的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),在完全固化后它們無法修復(fù)、再加工成型和循環(huán)利用。類玻璃高分子(vitrimers)作為一種新型高分子材料,能夠利用動態(tài)交聯(lián)點的交換反應(yīng),在保持交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的前提下實現(xiàn)自修復(fù)和可再加工成型,從而兼顧熱固性聚合物的穩(wěn)定性和熱塑性聚合物的可塑性。目前開發(fā)的大部分vitrimers往往需要很長時間的加熱或很高的溫度,來釋放應(yīng)變所產(chǎn)生的應(yīng)力和實現(xiàn)可再加工,這使得該材料無法應(yīng)用于一些不耐高溫的場景,比如大部分電子產(chǎn)品中集成電路的最高承受溫度不超過125 ℃。因此,如何加快vitrimer應(yīng)力松弛過程,降低材料可再加工溫度仍是目前亟需解決的一大難題。
針對加快vitrimer應(yīng)力松弛過程和降低材料可再加工溫度的問題,中國工程物理研究院化工材料研究所陳茂博士課題組,利用含二硫的羧酸固化劑,首次設(shè)計制備了基于二硫鍵和羧酸酯鍵的雙重可交換動態(tài)鍵的環(huán)氧vitrimer。由于二硫鍵和羧酸酯鍵均是熱可交換的動態(tài)鍵,該環(huán)氧vitrimer在180 ℃下,仍然保持了非常優(yōu)異的耐溶劑性。
圖1 (a)具有雙重可交換動態(tài)鍵環(huán)氧vitrimer的設(shè)計制備;(b)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中二硫鍵和羧酸酯鍵的交換反應(yīng)機理;(c)材料在三氯苯中優(yōu)異的高溫耐溶劑性。
該課題組進一步研究了該環(huán)氧vitrimer的應(yīng)力松弛行為,可以看到材料的應(yīng)力松弛非?,其特征應(yīng)力松弛時間τ在200 ℃下僅為1.5s,即使在60 ℃下也只有1.5h,通過計算得出交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中鏈段運動的活化能為75kJ mol-1,vitrimer特征轉(zhuǎn)變溫度(Tv)低至-6.3℃,均低于只具有二硫鍵或羧酸酯鍵的對照組。
圖2 (a)該環(huán)氧vitrimer歸一化的應(yīng)力松弛曲線;(b)其特征應(yīng)力松弛時間與溫度的關(guān)系。
此外,該課題組還利用熱壓成型手段,在100 ℃下1h內(nèi),實現(xiàn)了具有雙重可交換動態(tài)鍵環(huán)氧vitrimer的多次再加工成型,而且其力學(xué)性能在4次修復(fù)再成型之后,仍然能夠完全恢復(fù)。與此同時,在相同條件下,只具有二硫鍵或羧酸酯鍵的對照組環(huán)氧vitrimer則無法實現(xiàn)再加工成型。這一具有快速應(yīng)力松弛和中等再加工成型溫度的環(huán)氧聚合物將有望用于自修復(fù)、可再加工和可循環(huán)利用的電子封裝材料。
圖3 (a)具有雙重可交換動態(tài)鍵環(huán)氧vitrimer的多次成型及其力學(xué)性能的完全恢復(fù);(b)只具有二硫鍵的環(huán)氧vitrimer的熱壓過程(無法成型);(c)只具有羧酸酯鍵的環(huán)氧vitrimer的熱壓過程(無法成型)。
以上相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Macro Letters. 2019, 8, 255-260上,并已經(jīng)申請相關(guān)專利。論文的第一作者和通訊作者為陳茂博士,合作者包括中物院化工材料研究所吳冶平副研究員和趙秀麗研究員、西南科技大學(xué)周琳博士和南開大學(xué)張擁軍教授。該論文獲國家自然科學(xué)基金(51603198和21606213)與中物院院長基金(YZJJLX2017004)的共同資助。
論文鏈接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsmacrolett.9b00015
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