苏州大学李述汤院士Avd. Mater.：碳聚合物点“点出”自愈合防腐聚合物
2017-07-06 15:02:40
作者：本网整理 来源：材料人
【引言】
当前，合成高分子材料由于轻质、易加工等特性广泛应用于生活中，为人们的生活提供便利，但它仍然缺少自然界生物与生俱来的本领—“自愈合”能力，所以合成高分子材料在使用过程出现的中断裂、裂纹等会影响产品的性能和使用寿命，增加成本。
受到大自然的启发，科学家制备出多种自愈合聚合物材料，这类材料在破损时能够通过一定途径将裂纹重新填补，实现自愈合。愈合机理主要分两类，一类是与功能型物质复合来实现自愈合；另一类是通过向体系提供能量，使材料发生共价键或非共价键作用来实现自愈合。但很多自愈合制备方法复杂且成本高，难以广泛的应用于实际生活。近年来，简便、高效、低成本开始成为自愈合材料的新要求。
【成果简介】
近日，来自苏州大学的李述汤院士、康振辉教授、刘阳教授以及Yeshayahu Lifshitz教授（共同通讯）在Advanced Materials上发表题为“Carbon Dots as Fillers Inducing Healing/Self-Healing and Anticorrosion Properties in Polymers”的文章。作者主要是利用碳纳米晶体，分别与块状类、涂层类聚合物复合，制备碳点-聚合物复合材料，代表性研究对象为碳点-聚甲基丙烯酸甲酯（CDs-5/PMMA）、碳点-聚氨酯（CDs-5/PU-3）复合材料。出现断裂后，这种材料可以通过碳点与聚合物之间形成的共价键作用、氢键作用或范德华力作用，实现材料的愈合/自愈合过程；对于涂层类聚合物，碳点的添加还提高了材料的防腐蚀性能。
【图文导读】
图1：块状CDs-5/PMMA愈合实验流程图
a） 制备透明棒状 CDs-5/PMMA
b） 将棒状CDs-5/PMMA分为两段
c） 在室温下，将断面浸在20 mg/ml-1 CDs-5水溶液中几秒后，迅速取出并对其作用20N轴向力
d） 重新愈合完整的棒状CDs-5/PMMA
图中实验分别在日光和紫外光环境中进行，CDs-5/PMMA呈蓝色的为紫外光环境
图2：块状CDs-5/PMMA的拉伸强度测试
a） EtOH/PMMA、CDs-5/PMMA（初始/自愈）应力-应变曲线
b） CDs-5浓度对CDs-5/PMMA（初始/自愈）拉伸强度的影响
c） 断裂-愈合实验循环次数对CDs-5/PMMA拉伸强度的影响，
d） CDs类型对CDs-5/PMMA（初始/自愈）拉伸强度的影响
注：本实验用愈合材料的拉伸强度表征其自愈合能力，EtOH/PMMA为乙醇-聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。
图3：退火CDs-5的FTIR、XPS光谱
a） CDs-5高分辨率C1s XPS能谱图
b） CDs-5高分辨率C1s XPS曲线能谱图
c） CDs-5红外光谱图
d） 愈合本质的猜想，假设的愈合机理示意图，主要是C=O—NH共价键、氢键的形成以及CDs分子间范德华力的作用
图4：CDs-5/PU-3涂层的自愈合及防腐蚀性能表征
a~c） CDs-5/PU-3涂层，自愈过程中裂纹尺寸与时间的变化关系
d） CDs-5/PU-3涂层的拉伸强度与厚度、浸润溶液的变化关系
e） Tafel曲线
f） LSV曲线
g）、h） CDs-5改善PU-3涂层自愈、防腐蚀性能的机制
【小结】
本文提供了一种简便、低成本的愈合/自愈合复合材料的制备方法。添加CDs，诱导聚合物材料愈合/自愈合，主要是利用了CDs和高分子链之间形成的C=O—NH共价键、官能团之间形成的氢键以及CDs分子间范德华力的作用。对于涂层类聚合物，CDs还增强了材料的防腐蚀性能，主要是利用O2的氧化还原反应实现的。这种CDs诱导自愈合、防腐蚀性能的方法，还需要做更深入的研究，同时这种方法也为自愈合材料在工程中的潜在应用开拓了一条新的路径。
文献链接：Carbon Dots as Fillers Inducing Healing/Self-Healing and Anticorrosion Properties in Polymers （Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701399）
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