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四川大学朱剑波教授团队 Nat. Commun.:单体结构调控聚合反应热力学以及材料性能
2023-06-06  来源:高分子科技

  现代人类社会越来越离不开高分子材料大量高分子材料废弃后不当处置造成严重的生态环境污染和资源浪费。近年来,通过单体结构设计,发展新型高性能可回收聚合物,构建单体-聚合物-单体的闭环生命周期,被认为是解决上述问题的有效手段之一。虽然已经有大量基于内酯开环聚合新型聚合体系被报道,但是单体结构如何影响聚合解聚平衡,聚合物结构与性能之间的关系仍然是这一领域的难点。


  四川大学朱剑波教授团队长期致力于开发新型可循环、高性能高分子材料(Acta Chim. Sinica 202280, 11651182; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20591–20597; ACS Macro Lett. 2022, 11, 173178; Angew. Chem. Int. Ed2022, 61, e202117639Sci. China Chem2023, 66, 251-258 )。在此前工作的基础上,该团队针对ε-己内酯(ε-CL)环张力大,所得聚合物聚ε-己内酯(PCL)难以降解等问题,详细探究了取代基数目、位阻和位置对聚合过程中热力学参数的影响。研究结果表明,随着取代基数目的增加或者位阻增大,聚合过程的最低聚合温度(Tc)呈现下降趋势,有利于聚合物解聚回到单体(如图1所示)。 


单体结构与聚合反应Tc的关系


  为了兼顾ε-CL衍生单体的聚合活性和回收能力,同时实现对聚合物性能的调控。该团队在上述理论的指导下,设计了一类螺环结构内酯单体(如图2所示)。该类聚合物不仅表现出完全降解回收的能力,同时可以通过改变螺环结构调节聚合物的性能(如图3所示)。例如,改变螺环结构的环大小或者环刚性可以大范围调节聚合物结晶性和机械性能,最终可以得到弹性体或者韧性塑料,为该类型聚合物材料的应用提供更多潜力。 


含螺环结构七元环内酯单体 


3 聚合物的物理与机械性能表征


  综上所述,该研究基于ε-CL开环聚合反应,详细研究了取代基的数目、位阻大小和位置对聚合过程的影响,得出了单体结构与聚合过程热力学参数的变化规律,为后期开发新型可化学回收的聚合物提供了理论指导。同时,发展了一系列性能可调、可完全回收的聚合物材料,拓展了该类聚合物的应用范围。


  该工作以题为“Insights into Substitution Strategy towards Thermodynamic and Property Regulation of Chemically Recyclable Polymers” 发表于《Nature Communications》。文章第一作者四川大学化学学院博士研究生涂义民,通讯作者为四川大学化学学院朱剑波教授和蔡中正副研究员。特别感谢科技部、国家自然科学基金委、四川大学的经费支持。


  文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-38916-5

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(责任编辑:xu)
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