聚合物强度和韧性是一对公认的矛盾。在聚合物体系中引入氢键、配位等非共价交联可有效提高材料的强度和韧性，然而该方法仅仅适用于柔性的弹性体和凝胶体系。在刚性的聚合物体系中分子链构象调节能力显著下降，材料在受到拉伸过程中非共价键断裂后重构变得困难；另外，这些传统的非共价键的键能相对较弱，断裂时能量耗散较低。因此通过传统非共价键作为聚合物交联方式很难同时提高聚合物的强度和韧性。

  近日，西南科技大学常冠军团队在Advanced Functional Materials上发表文章“Force-Reversible and Energetic Indole-Mg-Indole Cation-π Interaction for Designing Toughened and Multifunctional High-Performance Thermosets”，报道了一种力致可逆高能阳离子-π交联方法。该交联模式具有两大优势：（1）交联点作用面积大，当材料受到外力变形时，该交联点的断裂与重构相对容易，增加了材料破坏前交联点断裂与重构次数；（2）交联点键能与共价键相当，断裂作用力处于传统共价键和非共价键之间，当材料受到外力变形时，该交联点可先于共价键断裂。基于以上优势，当材料受到外力变形时，不仅可以保证聚合物网络的完整性，而且还可以做到最大程度的能量耗散。从宏观上表现为聚合物的强度和韧性同时提高，规避了刚性骨架聚合物强度和韧性之间的矛盾，为构筑新一代高强韧可回收热固性树脂提供了一种全新的设计方法。

图1. 阳离子-π交联聚合物制备过程（以环氧类聚合物为例）。

  该工作所报道的动态交联聚合物具有优异的力学性能。交联后聚合物拉伸强度和断裂伸长率均得到大幅度提高。拉伸强度达到108 Mpa，同时断裂伸长率提高到21.1%。聚合物拉伸强度和延展性得到同时提升。在不同的拉伸应变下，这种三明治结构的阳离子-π交联方式（indole-Mg-indole）表现出不同的断裂与重构模式。与传统环氧树脂相比，其强度和韧性均得到明显提升。

图2. 动态阳离子-π交联聚合物的力学行为。

  传统的热固性树脂（例如，环氧树脂）一般不能再次回收利用。该工作所报道的动态交联聚合物可实现简易的回收再生。该类热固性聚合物不仅可通过溶液的方法回收，也可采用热压的方法实现重铸。

图3. 动态阳离子-π交联聚合物的回收再利用方法。

  该工作所报道的动态交联聚合物还具有自预警、自修复特性。通过聚合物在受到破坏时荧光的明显改变可实现破坏缺陷的自预警，进而通过简易的离子溶液处理可实现材料的自修复。此外，利用分子间高能阳离子-π相互作用的重建可实现聚合物的高强粘接。

图4. 动态阳离子-π交联聚合物的自预警、自修复和粘接行为。

  西南科技大学杨莉副教授为该论文第一作者，西南科技大学常冠军教授和伦敦大学学院兰阳博士为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重大专项基金、四川省杰出青年科技人才基金、环境友好能源材料国家重点实验室基金、中国工程物理研究院创新发展基金等基金的资助。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111021

作者简介

常冠军，教授，博士生导师，环境友好能源材料国家重点实验室副主任，美国宾夕法尼亚大学访问助理教授，四川省杰出青年科技人才，中国（绵阳）科技城高层次创新创业人才。担任国际先进材料与制造工程学会中国大陆总会聚合物发泡与多孔材料专业委员会副主任委员、全国塑料标准化技术委员会再生塑料工作组委员、中国（绵阳）科技城科学技术协会常务委员等职务。围绕国家重大工程和军民融合战略，长期致力于动态键驱动高性能聚合物的研发工作。主持国家自然科学基金3项，国家重大专项、装备预研等纵向基金20余项。以第一作者和通讯作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Macromolecules等期刊上发表学术论文86篇。以第一发明人授权美国发明专利5项、中国发明专利12项。