扫一扫 加微信
首页 > 新闻资讯 > 行业动态 > 消息正文
首页 > 新闻资讯 > 行业动态 > 消息正文
南京大学&斯坦福大学Nat. Commun.:热力学稳定而动力学不稳定的配位键带来强韧的自愈合聚合物
发布:Iron_MAN10   时间:2019/3/25 9:19:58   阅读:201 
分享到新浪微博 分享到腾讯微博 分享到人人网 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter

【引言】

自愈合材料在最近受到广泛关注,诸如包覆愈合剂和利用可逆化学键等策略已经被广泛用于设计和制备自愈合材料。对于多数基于可逆化学键的自愈合材料而言,优异的机械强度和自修复性能往往难以兼顾。利用热力学不稳定而动力学活泼的化学键能够实现快速的室温自愈合,但所得到的材料力学强度通常比较低;而利用热力学稳定但动力学不活泼的化学键则能得到力学强度高的材料,但其自愈合性质往往较差。然而,自愈合材料的实际应用往往需要高韧性和自愈合的组合。为了解决这一难题,多相策略被应用于自愈合材料的设计之中,其中硬相为材料提供强度而软基质中的多价超分子相互作用使得材料实现自愈合,但是该种多组分体系的机械性能很大程度上取决于加工条件。此外,最近报道过利用强弱配位键的结合能得到具有高度可拉伸和自我愈合的弹性体,遗憾的是由于弱配位键的存在该种材料具有低韧性和低于0.5 MPa的低杨氏模量。由此可见,在常见的分子系统中获得高韧性/高模量的同时具有自愈合性能并不容易实现,设计合成热力学稳定而动力学活泼的交联位点成为其中的关键。

【成果简介】

近日,南京大学李承辉、左景林教授与斯坦福大学鲍哲南教授合作,报道了一种含有热力学稳定而动力学不活泼配位化合物的自愈合聚合物。所制备的Zn(Hbimcp)2-PDMS聚合物不仅具有高度可拉伸性(高达2400 %应变)和高韧性(29.3 MJ×m-3),并且可以在室温下自动愈合。对照实验表明,配位键结合强度和动力学活性的优化组合是获得材料韧性和自愈合性质的原因。该分子设计理念为制备具有优异机械性能的自愈合聚合物提供了方向。该成果以题为" Thermodynamically stable whilst kinetically labile coordination bonds lead to strong and tough self-healing polymers "发表在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文导读】
 

图1 模型复合物与聚合物的结构和表征
(a) [Zn(Hbimcp)2]2+ 配合物可能的立体化学结构;(b) Zn(Pr-Hbimcp)Cl2的变温1H核磁共振;(c) 配体交换过程的三种可能途径;(d) 聚合物Zn(Hbimcp)2-PDMS的结构;(e) 在力谱测量过程中拉伸Hbimcp-PDMS(蓝线)和Zn(Hbimcp)2-PDMS(红线)单链的典型力-拉伸曲线。


图2 Zn(Hbimcp)2-PDMS聚合物的力学性能
(a) Zn(Hbimcp)2-PDMS聚合物在25°C下的时间-温度叠加曲线;(b) Zn(Hbimcp)2-PDMS聚合物在不同温度下的特征弛豫时间;(c) Zn(Hbimcp)2-PDMS聚合物在不同拉伸速度下的应变-应力测试;(d) 拉伸前后薄膜的照片;(e) 持续负载1000 g的薄膜的光学图像;(e) 在室温(25°C)愈合不同时间条件下薄膜的应变-应力曲线。


图3 机制研究的对照实验
(a, b) [Zn(Hbimcp)2]2+的两种能量耗散过程;(c) [Zn2(bimcp)2Cl2]的分子结构;(d) [Ni(Hbimcp)2]2+的分子结构;(e) Zn(Hbimcp)2-PDMS、Ni(Hbimcp)2-PDMS聚合物和Zn2(bimcp)2-PDMS的应力-应变曲线比较。


图4 Zn(Hbimcp)2-PDMS聚合物的能量吸收性能
(a) 能量吸收效率的计算;(b) 不同应变下的归一化应力-松弛曲线;(c) 空白海绵和复合海绵的循环应变-应力曲线;(d) 复合海绵愈合过程的循环应变-应力曲线;(e) 复合海绵在压缩、愈合和恢复过程中的光学图像。

【小结】

本文中,为了进一步解决材料的机械性能和自愈合性质之间的难题,作者设计并合成了一种含有热力学稳定而动力学活泼的配位化合物的PDMS聚合物。该配位化合物具有较大的结合常数,但也能够实现快速、可逆的分子内/分子间配体交换。研究表明,制备的聚合物具有良好的可拉伸性和高韧性,同时还可在室温下实现自愈合。通过改变金属离子和金属与配体的摩尔比,发现配位键的结合强度和动力学活性在材料的机械性能和自愈合性能中起着关键作用。本文提供了一种具有优异机械性能的自修复聚合物的设计思路,而且该种聚合物有望作为抗冲击材料得到实际应用。

文献链接:Thermodynamically stable whilst kinetically labile coordination bonds lead to strong and tough self-healing polymers (Nat. Commun. 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-09130-z)


来源:材料牛
 
相关信息
   标题 相关频次
 描述非晶合金液体动力学和热力学的新方法--微观结构局域五次对称性
 2
 三氯乙酸(TCA)中金属锌的腐蚀行为
 2
 A3钢在乙酸中的腐蚀行为和机理
 1
 Ti3SiC2/SiC复合材料高温氧化行为研究
 1
 γ-MnO2的制备及其吸附除铬的性能
 1
 奥氏体不锈钢表面双辉等离子渗锆的动力学
 1
 变形对奥氏体→铁素体相变影响的热力学数值模拟
 1
 大连化物所纳米晶三线态能量转移动力学研究取得新进展
 1
 二茂铁衍生物在Chiralpak AD手性固定相上的对映体分离及热力学性质
 1
 粉煤灰/聚丙烯复合材料的非等温结晶动力学行为
 1
 哈佛锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作《Adv. Funct. Mater.》:研发软结构复合3D打印中的强韧粘接技术
 1
 化学镀镍反应副产物H2的影响和措施
 1
 化学气相沉积SiO2/S复合涂层的热力学分析
 1
 基于热激活理论和曲率驱动机制的晶粒长大元胞自动机模拟
 1
 磷石膏与纯石膏脱水反应的动力学对比研究
 1
 硫酸盐还原菌的粘附动力学研究
 1
 铝含量对钢渗碳动力学和贝氏体相变动力学的影响
 1
 铝在三氯乙酸介质中的腐蚀动力学
 1
 宁波大学赵传壮副教授与蒙特利尔大学朱晓夏教授发表系统评述:指导水相中温敏性聚合物分子设计的热力学地图
 1
 膨胀石墨基炭/炭复合材料对苯酚的吸附动力学
 1
 热力学过程在量子系统中不可逆被科学家首次证实
 1
 上帝之手—合成氨
 1
 世界最强韧材料碳炔可批量生产:强度超钻石40倍
 1
 室温压缩AZ31镁合金的再结晶动力学
 1
 添加一种长丝可显著改善3D打印塑料部件的强韧性
 1
 我国学者在纳米水处理化学方面取得重要进展
 1
 新型超强韧石墨烯材料有望替代碳纤维
 1
 渣系中MgO含量对镁铝铁合金脱氧H13钢中夹杂物的影响
 1
 中国科大等实验演示用集体测量减少测量对热力学演化的反作用影响
 1
 中南大学在纳米材料热力学研究中取得新进展
 1
 中碳钒-钛-氮微合金钢中碳氮化物析出理论计算
 1