长春应化所崔冬梅教授团队 Macromolecules: 双核钪金属配合物催化合成兼具高强度和韧性的乙烯-苯乙烯多嵌段共聚物

2025-02-21 来源：高分子科技

合成兼具高强度和韧性的材料一直是一个有前景但具有挑战性的研究课题。间规聚苯乙烯（sPS）以其高强度而闻名，与此同时也面临着严重的脆性以及加工问题。将柔性乙烯单元引入刚性聚苯乙烯链中可以解决这些问题，但需要控制共聚物链段的规整性以及序列分布，以平衡强度和韧性。现有钛金属配合物在进行乙烯-苯乙烯共聚时难以得到具有间规聚苯乙烯链段的共聚物，这不利于强度的提升。单核稀土金属配合物所得共聚物中含有间规聚苯乙烯链段，但聚乙烯（PE）链段较短，影响其韧性的体现。设计合成具有长PE链段和长sPS链段的共聚物，是这一研究方向新的目标。

近日，长春应化所崔冬梅教授团队使用烷基桥连芴基双核钪金属配合物进行乙烯-苯乙烯的共聚合反应（图1），得到兼具长PE链段与长sPS链段的多嵌段共聚物，其两个明显的熔点分别对应PE链段和sPS链段（图2）。共聚物显示出优于sPS和高密度聚乙烯（HDPE）的优异拉伸强度（60.0 MPa）和抗冲击性（119.6 kJ/m²），这是单核类似物所生产共聚物达不到的（图3）。这些性能主要归因于两种长嵌段组成的独特链结构，形成互穿网络而不发生相分离（图4）。密度泛函理论模拟揭示了其机制，当两个金属中心均连接sPS链段时，苯乙烯配位-插入过程较低的活化能以及更稳定的中间体促使更长sPS链段的形成；而当金属中心均连接PE链段时，PE链上氢原子与金属中心的H---Sc³⁺激动作用抑制了较大位阻苯乙烯的插入，因而形成PE连续链段；另外，分别由sPS和PE两种链段连接的配合物为sPS-PE连接点的形成提供了机会。

图1. 烷基桥连芴基双核钪金属配合物

图2. 共聚物DSC曲线及连续自成核和退火实验结果

图3. 共聚物的拉伸性能及抗冲击性能

图4. 共聚物的扫描电镜图和原子力显微镜图

综上所述，兼具高强度和韧性的乙烯-苯乙烯共聚物需要有足够长的sPS和PE链段，这是体现其力学性能的关键，而具有适当空间位阻和电子效应的双核钪配合物成功实现这一目标。这项研究工作揭示了一种通过调节链结构和相形态来平衡强度和韧性的可能方法，为催化剂的设计和共聚物性能调控提供了新的思路。该工作以“Synthesis of Ethylene-Styrene Multiblock Copolymers Possessing High Strength and Toughness Using Binuclear Scandium Catalysts”为题发表在《Macromolecules》上。文章第一作者是长春应化所博士研究生汪骐远，通讯作者是长春应化所李世辉教授和崔冬梅教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00169

下载：Synthesis of Ethylene-Styrene Multiblock Copolymers Possessing High Strength and Toughness Using Binuclear Scandium Catalysts

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（责任编辑：xu）

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