天津大学李悦生教授团队在设计新型的离子型自修复材料上取得系列进展
2019-03-05 11:44:00
作者：本网整理 来源：高分子科学前沿
受到生物体系的启发，人们希望合成材料受到损伤时能够具有自我报告、自我检测和自修复的功能，来提高材料的安全性，可靠性和使用寿命，从而减少资源浪费和减轻环境压力。然而，在机械强度和自修复之间始终存在着矛盾，为了保持良好的修复性能往往需要牺牲材料的机械强度。事实上，在实际的应用中通常需要材料具有综合的性能，如高的机械性能、良好的导电性、温和的修复条件、环境耐受性以及电学和机械性能的协同修复等。
“目前制备高机械强度自修复材料一个重要的方法是引入非共价的牺牲键，如氢键、金属-配体相互作用、离子键等”课题组组长李悦生教授解释道，“这是由于可逆的共价键的断裂能够耗散大量的能力，从而使得材料的韧性增强。但是为了满足实际的应用，如作为柔性可穿戴的传感器时，人们往往需要在材料内部或表面掺杂导电填料，这势必导致材料机械性能和修复性能的下降。”
为了制备具有高机械强度、高韧性、良好修复性能和导电性的材料，相关论文的第一作者崔静博士与其它研究人员通过精巧的自下而上的分子层设计，构建了一系列新型自修复的梯度共聚物。这种梯度共聚物是由大位阻的桥连苯基团作为硬段和悬挂咪唑盐基团作为软段相互渐变穿插在聚合物主链上组成的（图1）。
图1. （a）硬段和软段梯度地分布在聚合物主链上；（b）离子基团作为物理交联点，在拉伸过程中进行可逆地断裂和重组，耗散能量，增韧材料。
带有刚性基团的硬段不仅保证了共聚物的弹性，还对共聚物的模量和刚性有很大贡献。咪唑阳离子和双三氟甲基磺酰基亚胺（Tf2N-）反离子存在着动态的超分子作用，为聚合物体系构建了可逆的物理交联网络，从而实现材料的修复性能。且离子基团植入到聚合物的软段，有利于离子的动态运动，赋予共聚物更灵活的相互作用和修复能力。这种精巧的分子设计理念使得制备的材料兼具高的机械强度和韧性以及环境耐受的自修复性能（图2）。
图2. （a-c）试样机械性能测试及对比；（d-f）修复性能测试及修复的环境耐受性测试。
由于制备的共聚物中含有大量离子基团提供了固有的离子导电性，在不需要外加填料的情况下，可以直接作为柔性可穿戴的应变传感器检测人体关节的运动，并表现了良好的电学修复性、灵敏性、稳定性和耐湿性（图3）。
图3. 自修复材料作为应变传感器的性能及应用。
在前期工作中，该团队利用开环易位聚合制备了一系列新型的不同反离子的聚离子液体用于自修复材料。通过探究不同反离子与咪唑盐阳离子的相互作用，实现了修复和机械性能的平衡，为本工作的开展奠定了理论依据和基础，对本工作的实施具有启发性作用。相关成果发表在J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 25220-25229, DOI: 10.1039/C7TA06793C; Mater. Chem. Front., 2019, 3, 464-471, DOI: 10.1039/c8qm00592c。在此基础上，该课题组将进一步探索新型的高强高韧离子型自修复材料的制备及其应用。
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