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理研开发出可在各种环境中自我修复的新型功能性聚合物

2019年02月19日 化学材料
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日本理化学研究所(简称“理研”)利用稀土类金属催化剂,使极性烯烃与乙烯实现“精密共聚”,并成功制作了新型“功能性聚合物”,这种聚合物不仅是干燥的空气中,在水中、酸性和碱性水溶液中也具有出自我修复性能和形状记忆性能。此次的研究成果有望促进开发出可在各种环境中进行自我修复,且具有高度实用性的新型功能性材料。

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此次,研发小组利用自主开发的稀土类催化剂,首次使乙烯与甲氧苯基丙烯类成功实现精密共聚,获得的新型聚合物不仅具有弹性特性,表现出极高的延伸率(2200%),而且还具备非常优异的自我修复性能。即使不从外部施加任何刺激和能量,在空气、水、酸性及碱性水溶液中都显示出了自我修复性能。另外,这种新型聚合物通过温度控制,还可以作为形状记忆材料,拥有形状固定率和形状恢复率达到99%的优异特性,即使反复改变形状,恢复性能都没有降低。

本次研究成果预定发布在美国国际科学杂志《Journal of the American Chemical Society》上,并于2月7日先行发布在网络版上。

具体做法是利用钪(Sc)催化剂,在1个大气压条件下使乙烯与甲氧苯基丙烯进行共聚,仅一步就成功获得了分子量比较高的聚烯烃(图1)。通过结构分析发现,其结构中除甲氧苯基丙烯与乙烯的交替单元外,还具有乙烯-乙烯链。

理研开发出可在各种环境中自我修复的新型功能性聚合物

图1:利用钪催化剂使乙烯与甲氧苯基丙烯类发生共聚反应

研究确认,获得的聚烯烃不仅显示出延伸率约为2200%的优异弹性体特性,还具备自我修复性能。即使不从外部施加任何刺激和能量,在空气(图2上)、水、酸性和碱性水溶液中也都显示出自我修复性能(图2下)。

理研开发出可在各种环境中自我修复的新型功能性聚合物

图2:新型功能性聚合物在空气和水中的自我修复

此外,通过将甲氧苯基丙烯类的取代基换成t-Bu基等大型取代基,还可以控制聚合物的热特性,合成在室温下可作为硬塑料使用,加热后则显示出弹性体特性的材料。研究发现,通过合理利用该性质进行温度控制,该聚合物可作为形状记忆材料使用(图3)。在50℃的加热状态下改变该聚合物的形状,然后直接冷却至室温水平的话,将在变形的状态下固化。再将其加热至50℃后,又会迅速恢复为原来的形状,显示出形状固定率和形状恢复率达到99%的出色形状记忆特性。另外,即使反复改变其形状,功能也没有降低。

理研开发出可在各种环境中自我修复的新型功能性聚合物

图3:新型功能性聚合物的形状记忆特性

研究发现,该聚合物具有弹性体特性、自我修复性及形状记忆特性的理由之一主要是因为构筑了网络结构,在这种网络结构中,甲氧苯基丙烯与乙烯的交替单元作为柔软的成分发挥作用,而乙烯-乙烯链的硬晶体单元可作为物理交联点(图4)。

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图4:新型功能性聚合物的微相分离结构模式图

文 JST客观日本编辑部

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