四川大学雷景新教授、江亮副研究员 Macromolecules：具有可调节的机械性能、可循环回收和3D形状重构的环氧基聚脲

2024-01-08 来源：高分子科技

环氧树脂作为一种重要的热固性材料，拥有出色的化学稳定性、优异的介电性能和较高的机械强度等优点，被广泛应用于电子、建筑和军事等领域。然而，环氧树脂的这种结构同时也带来了两个主要的挑战：一是其难以进行二次熔融加工和回收，这不仅造成了资源浪费，也对环境产生了严重污染；二是其高刚度分子结构易导致非柔性韧性，使得材料在使用过程中容易发生脆性断裂。

为了解决这些问题，四川大学高分子研究所、高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）的雷景新教授/江亮副研究团队基于对受阻脲键（Hindering Urea Bonds, HUBs）的深入研究，将含异氰酸酯基的HUBs引入到传统的环氧网络中，成功合成了一种新型的热固性环氧基聚脲（EHTPUs）。通过精确调节环氧单体的比例，所合成的EHTPUs展现了从软弹性体到硬塑料的可调力学行为。这种动态的HUBs结构赋予了EHTPUs卓越的可回收性能，经过四个循环后，其机械性能能够实现超过90%的完全恢复，显著提高了材料的多功能性和使用寿命。此外，EHTPUs在这些循环中也展现了稳定的动态力学性能、耐溶剂性和透光率。值得一提的是，EHTPUs还具备弹性形状记忆功能和三维永久形状的重构能力。这项工作不仅为设计具有可调节机械性能、高可回收性和多功能性的热固性环氧基聚合物提供了一种新的方法，也为拓宽这类可回收聚合物的应用领域奠定了基础。

图1

以HDI-三聚体、2,6-二甲基哌嗪和双官能环氧化合物(E44或PPGE)为原料，在无催化剂条件下合成了EHTPUs（图1a）。合成的EHTPUs具有良好的透明性，可从透过率和宏观照片证实（图1b）,还具有良好的耐溶剂性能（图1c和1d）。

图2

合成的EHTPUs力学性能可从软弹性体过渡到硬塑料范围内可调控。EHTPUs的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率从样品EHTPU-0为5.21 MPa、3.43 MPa和442.0%变化到样品EHTPU-3的23.6 MPa、0.32 GPa和125.2%，甚至到样品EHTPU-5的57.3 MPa、1.02 GPa和8.3%（图2a-c和2e-f）。另外，还表现出良好的可循环拉伸性能，10次循环后放置72h仍然可恢复（图2d）。

图3

如图3a所示，将粉碎后的EHTPU-2试样在120℃、8 MPa、30min的条件下进行热压缩，可反复重加成表面光滑的透明薄片。经过4次加工后，EHTPUs的化学结构、力学性能和模量等均保持不变（图3b-f）。与以前报道的可再加工环氧树脂相比，所设计的EHTPUs可再加工环氧树脂具有最佳韧性、相对突出的强度和最广泛的性能调制范围，同时保持了优异的可再加工性能和稳定性。

图4

除可重加工性能外，动态HUBs还可以通过脲键之间的动态交换反应赋予合成EHTPUs三维（3D）永久形状重构能力，扩大了其潜在的应用前景。与传统的永久交联结构相比，动态HUB可以使EHTPUs在不同的温度区间经历永久和暂时的形状变化，两者甚至可在一个网络中实现弹性和塑性形状记忆的循环。宏观上EHTPU-2的弹性和塑性形状记忆过程如图4a-b所示，定量化的弹性和塑性形状记忆过程如图4c-d所示。

该工作以“Enabling the Epoxy-Based Polyurea with Adjustable Mechanical Properties, Recyclability, and 3D Shape Configuration”为题发表在《Macromolecules》（doi.org/10.1021/acs.macromol.3c01688）上。论文第一作者为四川大学硕士研究生陈兴宝，通讯作者为四川大学雷景新教授和江亮副研究员。本工作得到了中国博士后面上基金（2022M722238）、四川省青年科学基金（2023NSFSC0984）和高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）“优秀青年人才”项目（sklpme2022-3-05）等项目的资助支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.macromol.3c01688#

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（责任编辑：xu）

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