環(huán)氧樹(shù)脂是一類重要的熱固性材料,具有優(yōu)異的電絕緣性、高粘結(jié)性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。作為涂料、膠黏劑、電子電器材料、土建材料等,環(huán)氧樹(shù)脂已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域(機(jī)械電子、航空航天、化學(xué)化工、船舶建筑、汽車軍工、冶金輕工等)和人們的日常生活中。但環(huán)氧樹(shù)脂具有不溶不熔的性質(zhì),在成型后無(wú)法再次加工。因此,環(huán)氧樹(shù)脂的廢棄物、老化物和損壞物難以回收再用,造成資源浪費(fèi)和固廢污染。
2011年,法國(guó)科學(xué)家Leibler提出了一種含動(dòng)態(tài)酯鍵的環(huán)氧樹(shù)脂(vitrimer,張希院士將其譯為“類玻璃高分子”),為環(huán)氧樹(shù)脂的回收降解和重復(fù)利用提供了一條有效途徑。在室溫下,因動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的酯交換反應(yīng)很慢,類玻璃高分子具有和普通的熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料一樣的性質(zhì);但在高溫下,由于酯交換反應(yīng)很快(圖1),類玻璃高分子的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)可改變(圖2),此時(shí)類玻璃高分子如熱塑性高分子般具有可塑性和可再加工性能(重塑形、焊接、回收利用、愈合等)。隨后,很多基于其他動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵(二硫鍵、亞胺鍵、硅氧烷等)的環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子被相繼報(bào)道。因此,類玻璃高分子有望替代傳統(tǒng)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域,這無(wú)疑將對(duì)減少資源浪費(fèi)、降低環(huán)境污染起到非常重要的作用。
圖1 酯交換反應(yīng)示意圖。
圖2 交換反應(yīng)使交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變化,從而使材料具有可再加工性能,如焊接、重塑形、自愈合等。
近日,為慶祝材料科學(xué)頂級(jí)期刊《Progress in Materials Science》創(chuàng)刊70周年,清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授和吉巖副教授課題組應(yīng)邀撰寫(xiě)了題為“Functional epoxy vitrimers and composites”的綜述論文,梳理總結(jié)了近十年來(lái)環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子領(lǐng)域的研究進(jìn)展。該綜述首先從環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子及其復(fù)合材料的分類、合成方法和技術(shù)出發(fā),詳細(xì)介紹了含不同動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵(酯鍵、二硫鍵、亞胺鍵、硅氧鍵等)的環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子,及其摻雜不同納米顆粒(碳納米管、石墨烯、多巴胺、金納米球等)的環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子復(fù)合材料,并總結(jié)了環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子的合成方法和技術(shù)。之后重點(diǎn)介紹了動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵給環(huán)氧樹(shù)脂帶來(lái)的可再加工新功能。動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)不僅使環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子在外界刺激(光、熱、電、磁等)下可變形、受損壞后可自愈合、可通過(guò)焊接獲得復(fù)雜3D結(jié)構(gòu),還可通過(guò)熱壓使環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子碎片重新成型、或用溶劑降解環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子后重新交聯(lián)成新材料而回收再用。隨后,全面總結(jié)了環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子的潛在應(yīng)用。理論上,環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子有望替代傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的存在還使環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子有望用在3D柔性驅(qū)動(dòng)器、柔性可穿戴器件、納濾膜、生物潤(rùn)滑油等領(lǐng)域。最后,該綜述分析了環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子在實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要解決的困難和問(wèn)題。
此外,近十年來(lái),其他熱固性類玻璃高分子材料的發(fā)展也十分迅速。它們和環(huán)氧樹(shù)脂類玻璃高分子一樣,具有優(yōu)異的可再加工性能,這將為熱固性材料領(lǐng)域帶來(lái)重要的技術(shù)變革。
該論文通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授和楊洋博士。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接:Functional epoxy vitrimers and composites. Yang Yang, Yanshuang Xu, Yan Ji, Yen Wei. Progress in Materials Science (IF: 31.56,CiteScore: 47.1). DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100710
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642520300748
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