中科大陈昶乐教授团队 Angew 综述：功能化聚烯烃及其复合材料

2025-02-26 来源：高分子科技

聚烯烃（如聚乙烯、聚丙烯）是全球产量最大的合成高分子材料，因耐腐蚀、质轻、机械性能好、成本低等优势，被广泛用于农业、医疗、制造业等领域。然而，其非极性特性导致与极性材料相容性差，限制了在高端领域的应用。传统功能化方法（如化学接枝、共混填料）存在反应条件苛刻、副反应多等问题。近年来，通过精准引入功能单元定制聚烯烃性能成为研究热点，推动聚烯烃材料向响应性、可降解、高极性相容性等方向升级。

近日，中国科学技术大学陈昶乐教授团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表题为“Functional Polyolefins and Composites”的综述文章（DOI: 10.1002/anie.202424529），系统总结了功能化聚烯烃及其复合材料的最新研究进展。文章从功能性共单体、链转移剂、后聚合改性试剂及功能填料四大策略出发，深入探讨了定制化聚烯烃材料的合成方法、性能优化及前沿应用（图1）。该论文第一作者为安徽大学谭忱副研究员和中国科学技术大学司桂福特任副研究员，通讯作者为中国科学技术大学邹陈特任副研究员和陈昶乐教授。

图1 功能化聚烯烃及其复合材料

一、功能化共聚单体策略

通过引入含螺吡喃、环状单体的共聚单体单元，陈昶乐等人合成了具有光致变色、形状记忆功能的聚烯烃。这类材料在紫外/可见光下快速变色，并可通过热或机械刺激实现形状重构，在信息加密和智能传感器领域潜力巨大。侯召民等人利用稀土催化剂合成荧光自修复聚烯烃，其荧光特性与自愈能力结合，为柔性电子器件提供了新材料。通过离子簇单体的引入，陈昶乐等人制备了兼具高透明度与力学性能的等规聚丙烯（iPP）。离子动态交联网络不仅提升材料抗冲击性，还赋予其优异的抗蠕变能力。此外，动态交联策略可减少微塑料释放，为解决塑料污染提供新方案。Mecking和Nozaki等人通过将羰基、羧基等可降解单元嵌入聚烯烃主链，可实现材料可控降解。Coates等人利用“特洛伊木马”策略，通过Diels-Alder反应引入可逆双键，实现聚烯烃闭环回收。崔冬梅等人向聚烯烃主链中引入可触发聚烯烃降解的双键基团。唐山等人实现了聚烯烃的机械作用降解。（图2）。这些突破为开发可持续聚烯烃材料提供了方向。

图2 利用共单体策略制备可持续聚烯烃材料

二、链转移剂功能化策略

通过链转移剂调控聚合过程，可制备端基功能化的聚烯烃低聚物，进而合成可降解的类聚烯烃材料。例如，唐勇团队利用配位链转移聚合制备酯键连接的类聚乙烯，其力学性能媲美商用材料，且可通过简单水解实现单体回收（图3）。这种“从摇篮到摇篮”的设计理念，为塑料循环经济提供了新路径。陈昶乐和Miyake等人通过在烯烃复分解聚合中使用链转移试剂制备了遥爪型功能化聚烯烃，随后将其用于制备可闭环回收的类聚烯烃材料。

图3 利用配位链转移聚合制备酯键连接的类聚乙烯

三、后聚合改性策略

Hartwig等人发展了多种温和条件下实现聚烯烃C-H键活化的方法，将废聚乙烯转化为可再加工材料。Alexanian和Guan等人通过动态交联网络设计，将聚烯烃升级为高性能热固性材料，并可多次循环使用（图4）。通过环氧基团修饰EPDM橡胶，张立群等人制备了可回收的碳黑复合材料。陈昶乐等人提出“订书机策略”，利用接枝共聚物改善混合塑料相容性，使HDPE/PCL共混物的韧性提升。

图4 利用后聚合改性制备动态交联聚烯烃

四、功能填料策略

混合聚烯烃与功能性填料可制备多功能聚烯烃复合材料，如崔屹等人研究的纳米聚乙烯复合膜可用于散热；利用功能材料独特性赋予聚烯烃更多功能，崔屹等人还合成含无机颜料聚烯烃织物，展示色彩与性能的平衡（图5）。利用核壳型离聚物催化剂，陈昶乐等人在原位聚合路线中实现了填料在聚烯烃基体中的均匀分散和界面强化，制备出具有导热、阻燃、光降解等功能的聚乙烯基复合材料（图6）。利用木质素/EPDM复合材料的动态配位网络，研发出可举起万倍自重的人工肌肉，在软体机器人领域展现潜力。

图5 聚烯烃/纳米材料复合材料构建功能织物

图6 核壳型催化剂用于原位聚合法制备高性能的聚烯烃基复合材料

功能化聚烯烃的定制化设计需进一步探索新型功能单元与合成策略。例如，开发兼具多重响应性的智能材料、优化降解单元的环境适应性、推动原位聚合技术的规模化应用等。此外，建立标准化性能评价体系、降低催化剂成本、提升材料回收效率，将是实现商业化应用的关键。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202424529

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（责任编辑：xu）

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