四川大学张新星教授团队《ACS Nano》: 非共价组装制备具有室温延展性的强韧化可修复材料

2022-08-07 来源：高分子科技

与金属相比，高分子材料可在较低温度（通常100~300 ℃）下加工成型，其加工过程更便捷且能耗、成本显著降低，从而得以广泛应用。尽管如此，高分子加工仍然依赖挤出、注塑等复杂的熔融加工设备，易导致原料和添加剂的降解及能耗增加。长期以来，科学家们致力于进一步降低聚合物材料的加工温度，对避免加工过程中的降解和减少碳排具有重要意义。近年来的研究表明，通过不同分子链运动能力和玻璃化转变温度（T_g）的单体共聚、刺激诱导材料T_g转变以及动态交联等方法可在一定程度上降低聚合物的加工温度，但所得材料的力学性能较低，难易满足实际应用需求，且在制备过程中通常需要有毒溶剂、精细加工设备以及复杂的技术要求（超高压、紫外等）等。因此，如何制备可室温加工、力学强度满足工程化应用需求的聚合物材料仍然是一个巨大的挑战。

近日，四川大学张新星教授团队在前期研究工作（Adv. Mater. 2019, 1900042; ACS Nano 2020, 14, 7055; Nat. Commun 2021, 1291; Small 2022, 18, 2104048）基础上，报道了一种非共价组装策略，用以制备具有室温延展性的强韧化可修复材料（图1）。通过将液态金属（LMPs）与没食子酸在超声作用下共混，可以在液态金属纳米颗粒表面形成刚性的多酚自组装壳层，从而形成软核硬壳的GAs@LMPs纳米微球。由于LMPs独特的机械可变形性和多酚自组装壳层与聚丙烯酸（PAA）聚合物基体间富集的超分子作用，所得复合材料表现出优异的机械强度（35.49 MPa）和韧性（105.88 MJ m^-3）。该复合材料可在简单的水刺激作用下表现出硬-软力学性能切换，实现室温下的复杂形状编程与自修复。此外，该材料还可在温和条件下分别回收聚丙烯酸和液态金属，实现重复利用和资源循环，从而为环境友好材料的开发及可持续应用提供新路径。

图1 材料设计示意图

由于GAs@LMPs纳米颗粒和PAA基体之间氢键对水的高度敏感性及LMPs固有的机械变形性，在水分子作用下氢键解离使得材料具有出色的可编程性和可变形性。通过在环境温度下使用水蒸汽触发的可持续和简便的工艺方法，复合材料可以很容易地锻造成型为各种二维或三维形状（图2）。

图2 室温加工性表征

为了评估该复合材料对于替代传统塑料的可行性，作者对材料的机械性能进行了研究。GAs@LMPs纳米颗粒在PAA基体中作为物理交联点，形成密集的氢键相互作用。在拉伸过程中，GAs@LMPs和PAA之间的界面氢键促进了LMPs的变形，增强了载荷的传递和能量的耗散。因此，该复合材料表现出优异的机械性能以满足实际应用需求（图3）。除了优异的加工性能及机械性能外，由于具有高导热性的液态金属在PAA基体中形成导热通路，该复合材料可用于热管理设备。

图3 机械性能表征

该材料还可实现室温下的修复，修复效率约为100%。修复后的样品可以承受约为自身重量52,300倍的载荷而不产生明显的缺陷。当材料达到服役寿命后，可以在较为温和的条件下实现对液态金属与聚丙烯酸基体的分别回收（图4）。

图4 室温自修复与回收加工性能

上述工作近期以“Noncovalent Assembly Enabled Strong Yet Tough Materials with Room Temperature Malleability and Healability”为题发表在ACS Nano （DOI：10.1021/acsnano.2c05518）上。论文第一作者为四川大学高分子研究所硕博连读生杨昕，通讯作者为高分子材料工程国家重点实验室张新星教授，本研究工作得到国家自然科学基金（52173112、51873123），四川省杰出青年科学基金（2021JDJQ0017）和四川大学工科共性学科特色方向（No: 2020SCUNG203）资助支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05518

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（责任编辑：xu）

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