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    四川大學王玉忠院士團隊:PET的智能化與高性能化
    2019-07-13  來源:中國聚合物網

      近年來智能化快速發展,智能高分子材料因其能夠感知外界刺激,并迅速做出響應以改變自身物理或化學性質,成為各國研究人員關注的熱點。其中,形狀記憶聚合物(SMPs)能夠記憶并受刺激回復材料的原始形狀,自修復聚合物(SHPs)可以修復使用過程中產生的裂紋或劃痕,在建筑材料、生物醫療、國防工業等高新技術領域具有廣泛的應用前景。但是,智能高分子材料也面臨著許多實際問題,如復雜的結構設計合成、成本高、產率低、強度低、熱穩定性差等。此外,易燃性問題也限制了智能高分子材料在許多具有防火阻燃要求的領域,如建筑、航空航天、公共交通等的應用和推廣。

      聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為一種通用型熱塑高分子,是目前產量最大的合成高分子品種,被廣泛應用于合成纖維、瓶裝材料、薄膜和工程塑料等領域。雖然不具有智能響應性能,但PET的低成本、高強度、保形性、耐熱性和耐腐蝕等優點也是其他許多智能高分子不能比擬的。因此,實現PET的智能化和高性能化,賦予其額外的高附加價值,具有重要的經濟效益和現實意義。

      四川大學王玉忠院士團隊通過對聚合物分子結構的設計,在PET分子鏈側基上引入苯酰亞胺-苯乙炔基團,采用簡單的一鍋熔融縮聚方法制備了具有高強度(比普通PET的拉伸強度提高45%)、形狀記憶性能、自修復性能和阻燃抗熔滴性能的共聚酯P(ET-co-PN)n,同時該共聚酯可適用于3D打印技術。

    圖1. PET共聚酯的制備過程及苯乙炔基團間的π-π堆積作用

      苯乙炔基團間的物理π-π堆積作用不僅可以作為形狀記憶的固定相,亦可以作為自修復過程中的動態交聯點,同時賦予共聚酯優異的形狀記憶性能和自修復性能。共聚酯P(ET-co-PN)15-20的形狀固定率(Rf)可達99%以上,形狀回復率(Rr)可達96%以上。切斷的共聚酯P(ET-co-PN)15樣條在140°C修復20分鐘后可以承受自身4878倍的重物。

    圖2. PET共聚酯的形狀記憶性能和自修復性能

      燃燒時,共聚酯分子鏈側基上的苯乙炔基團不僅會發生自交聯,亦可與苯酰亞胺基團分解產生的氰基結構發生協同交聯。這種交聯結構一方面大大提高了聚酯熔體黏度,抑制熔滴產生;另一方面可促進穩定芳稠環炭層的形成,起到阻燃效果。共聚酯P(ET-co-PN)15具有較高的極限氧指數值(33.5%),且可通過垂直燃燒測試V-0級、不熔滴。此外,利用共聚酯的形狀記憶性能和阻燃性,設計的早期火災預警裝置表現出很短的響應時間(< 5 s)。

    圖3. PET共聚酯的阻燃性能及在早期火災預警方面的應用

      PET共聚酯由于合適的結晶速率、可控的熔體流變性和較強的層間黏附力,可用于3D打印技術制備不同形狀的幾何模型,且制備的3D模型具有很好的形狀記憶性能,可望制備大規模的可折疊-展開設備并用于航空航天和交通運輸等領域。

    圖4. PET共聚酯在3D打印方面的應用

      此研究為傳統高分子材料的發展提供了新思路,實現了通用高分子材料的智能化與高性能化,有望在高科技、高附加值產業中得到實際應用。該工作以“3D printable robust shape memory PET copolyesters with fire safety via π-stacking and synergistic crosslinking”為題發表于Journal of Materials Chemistry A。該文的第一作者為王玉忠院士的博士研究生陳琳,該工作得到國家自然科學基金重點項目(21634006)項目的資助。

      論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta04187g#!divAbstract

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