氢键型水凝胶自修复行为的Monte Carlo模拟

基于氢键型自修复水凝胶的结构特征构建了其横截面的格气模型, 并利用Monte Carlo模拟方法对其自修复行为进行研究. 首先根据自修复过程中的比热峰值确定了氢键的临界联结分数, 然后重点考察了氢键强度、 合作效应以及平均断面间距对其自修复行为的影响. 在此基础上, 进一步研究了氢键型凝胶的动态修复过程, 讨论了相关因素对自修复时间等动态性质的影响. 结果表明, 氢键型凝胶的自修复在本质上归属于一级热力学相变, 且氢键强度是自修复过程中的最关键因素. 同时, 初始断面间距和格子间的合作效应也可显著影响凝胶的自修复行为.     

基于动态建构化学的自愈合水凝胶及其在生物医学领域的应用展望

自愈合水凝胶与传统水凝胶相比,经受力破坏后仍可恢复其结构和功能,具有自我修复损伤的特点,是近年来备受关注的一种智能软材料.动态建构化学概念的引入,极大地促进了多响应性动态自愈合水凝胶的发展.本文综述了近年来基于动态建构化学合成自愈合水凝胶的方法,包括多重氢键作用、疏水相互作用、亚胺键、酰腙键等,并分析探讨了影响凝胶自愈合性能的因素及其在生物医学领域的潜在应用,还对其未来的发展进行了展望.     

自愈合凝胶:结构、性能及展望

作为一种高分子智能材料,自愈合凝胶在解决软材料损伤修复以及凝胶-生物体组织之间的界面接口问题,实现软材料智能化、高效化和环境友好化具有重要意义.近年来利用动态建构化学的基本原理,通过动态非共价键、可逆动态共价键相互作用,设计了一系列具有良好自愈合性能的新型凝胶材料.本文以物理型和化学型动态自愈合凝胶为例,综述了自愈合凝胶的分子设计思路、性能,并分析了影响自愈合性能因素,并对其未来的发展进行了展望.     

自修复聚合物材料的研究进展

针对聚合物材料在使用过程中难以检测的损伤,人们引入了自修复概念。本文就近年来自修复聚合物材料的研究进展作了系统综述。根据自修复过程是否使用修复剂,聚合物材料(包括聚合物基复合材料)的自修复可分为外援型和本征型两大类。外援型自修复借助于外加修复剂实现自修复,主要包括埋植微胶囊化修复剂和埋植中空纤维化修复剂两种方法。微裂纹的破坏使微胶囊或中空纤维释放修复剂,修复剂发生化学反应,键合裂纹面,达到自修复的效果。这种方法相对比较简单,修复效果较好,但不能重复进行,而且可选用的修复剂种类有限。本征型自修复则借助于体系内存在的Diels-Alder反应、动态共价化学、双硫键反应、含有氢键的超分子结构、π-π堆叠及离子聚合物等来完成,这些特殊的分子结构所涉及的化学反应是可逆的。本征型自修复聚合物材料的制备过程较为复杂,但这种自修复可以反复多次有效,从而延长了聚合物材料的使用寿命。本文针对以上两大类自修复聚合物材料体系的特点和应用进行综述,并展望其发展方向。     

离聚物型自修复高分子材料的研究进展

自修复是指材料在受到损伤后可自行修复,并在一定程度上恢复其力学性能的特性,对提高材料的使用寿命及安全性具有重要意义。离聚物中的离子基团在一定条件下由于静电相互作用及与主链的不相容性而相互聚集,形成动态可逆的物理交联点,从而赋予了离聚物材料在无外加修复剂的条件下即可实现自修复的特性。本文系统评述了离聚物型高分子材料的自修复过程与机理、常用的离聚物体系、激发离聚物自修复行为的方式及影响离聚物自修复特性的因素。     

基于动态化学的自愈性水凝胶及其在生物医用材料中的应用研究展望

自愈性材料具有自我修复损伤的特点, 能够增加使用材料的安全性, 延长材料寿命, 是一种具有损伤管理性能的智能新材料. 基于动态化学的自愈性水凝胶是近来备受关注的一种自愈性材料, 由具有动态特性的交联网络构建形成. 交联作用为动态化学键, 即非共价键, 如弱相互作用的氢键、分子间作用力(范德华力)、配位作用、亲疏水作用等, 或可逆共价键, 如温和条件下可逆的亚胺键、双硫键、酰腙键等. 这种材料具有本征性的自愈性, 一方面可应对外界破坏造成的损伤, 进行自我修复. 另一方面动态化学键对多种环境刺激具有响应性, 能自我调节以适应环境变化, 为将自愈性水凝胶开发为自适性多功能智能新材料奠定了基础. 水凝胶具有优越的生物相容性以及和生物组织的相似性, 在生物医用材料中如药物控制释放、组织工程修复、生物仿生等领域发挥着越来越大的作用, 而开发具有自愈性的多功能智能水凝胶, 将进一步拓展其应用. 综述了近来基于动态化学的自愈性水凝胶的制备及其在生物医用材料领域中的应用研究.     

含双硫键的自修复交联聚氨酯弹性体的合成与性能

采用预聚法,以多官能度聚醚多元醇和异佛尔酮二异氰酸酯为原料,β-巯基乙醇为封端剂制备多官能度巯基封端聚氨酯低聚物,利用Na I/H2O2将巯基氧化为双硫键,获得含双硫键的交联型聚氨酯。通过FTIR研究了产物的化学结构及组成,采用拉伸测试和对比试验等测试方法对自修复条件、自修复效率以及双硫键和氢键在自修复过程中的作用进行了分析。结果表明,制得的含脂肪族双硫键的交联聚氨酯可以在室温下实现高效自修复,而且不需要额外的催化剂和外界刺激条件。用刀片将试样切成两半后对接紧密在自然光线下放置48h后拉伸强度可恢复到原来的95%,断裂伸长率恢复到原来的100%。其中,聚氨酯的氨基甲酸酯键之间形成的氢键提供30%左右的自修复效率。     

阳离子诱导海藻酸水溶液凝胶化的临界行为与自相似性

以作者对阳离子诱导海藻酸水溶液凝胶化的研究结果为中心,介绍了海藻酸钠水溶液随浓度增大和二价金属阳离子(Ca2 、Cu2 )的加入而发生的溶液-凝胶转变的临界点和相关临界指数,探讨了临界凝胶的自相似性和分形结构,以及动态标度理论对物理交联体系的适用性.基于对阳离子诱导海藻酸水溶液凝胶化及其临界行为的研究结果,提出了从凝胶化的出发点--溶液来对凝胶化进行分类的设想,根据起始组分分子链的长短将凝胶化过程分为生长型和交联型两类.     

基于多重可逆作用的自修复聚氨酯弹性体的制备及性能

在聚氨酯主链上引入可逆二硫键, 同时使用硼酸构建的硼酸酯键作为可逆交联点, 使聚氨酯内部形成交联网络结构, 制备了一种兼具高强度、 高韧性及高修复效率的自修复聚氨酯弹性体. 红外光谱、 动态力学分析、 力学测试、 电子显微镜及修复测试结果表明, 制备的自修复聚氨酯具有硬而韧的特性, 原样强度高达23.3 MPa, 断裂伸长率可达1177%, 并且修复条件温和, 剪断拼接的试样经60 ℃, 24 h修复后可恢复99%的原样强度, 且该修复过程可重复多次进行. 此外, 该材料还具有多通道修复特性, 通过热修复或水辅助热修复的方式均可实现材料的修复, 并且水辅助热修复速率更快.     

基于超分子聚合物的自修复材料

材料的自修复功能对于材料应用具有重要的意义,如键组装/解组装常数、键的方向和链的弛豫时间等因素会影响自修复效率。根据提供修复功能的物质构成形式,可以分为外援型自修复材料和本征型自修复材料,其中本征型自修复材料是当前的热点方向,在本征型自修复材料中,超分子自修复材料以其独特的可逆性组装,以及在快速、可逆、多重响应方面的优势而成为研究重点。本文重点阐述了基于不同结合效应的超分子自修复聚合物的研究进展,并对今后的研究方向作了展望,认为材料的耐环境性能能否达标是未来能否获得应用的关键因素之一。     

热可逆自修复环氧树脂的合成与修复行为

采用环氧氯丙烷与糠醇反应合成了含二烯体结构的环氧单体,并与含亲二烯体结构的双马来酰亚胺反应,制备得到基于热可逆Diels-Alder反应的自修复环氧树脂(EP-DA).分别利用FTIR、DSC以及gel-sol转变对EP-DA的化学结构、热性能以及热可逆性进行了分析表征.结果表明,向EP-DA中引入了热可逆DA键,从而赋予环氧树脂良好的热可逆性和再加工性能,使环氧树脂实现自修复,并可使废弃环氧树脂能够得以回收再利用.模拟环氧树脂实际使用中受冲击破坏情况,采用宏观定性观察和弯曲载荷恢复定量测定相结合,对环氧树脂的修复行为和多次修复能力进行了考察,证实这种材料具有良好的自修复性能和多次重复修复能力,其一次修复效率达到了77.1%,同一试样经由3次冲击破坏—热处理后,其修复效率仍然高达53.9%.     

有机硅自修复材料

有机硅自修复材料在可穿戴装备、智能涂层等领域有广泛应用。本文分别从外援型和本征型两大类介绍了有机硅自修复材料的特点、修复机理和最新研究进展。在外援型有机硅自修复材料中,主要介绍了利用光引发自由基反应、缩合固化、硅氢加成等有机硅特异性反应实现自修复。在本征型有机硅自修复材料中介绍了利用Diels-Alder反应、酰腙键、酯键、Schiff base结构等可逆化学反应,金属-配体配位作用以及氢键、π-π堆叠作用等超分子作用,实现自修复功能的途径及特点;除此之外还介绍了最小化表面自由能、巯基与纳米银之间的键合作用和重构反应等有机硅自修复实例。最后,本文指出了有机硅自修复材料面临的问题并对今后的发展方向进行了展望。     

热可逆自修复环氧树脂的合成与修复行为

采用环氧氯丙烷与糠醇反应合成了含二烯体结构的环氧单体,并与含亲二烯体结构的双马来酰亚胺反应,制备得到基于热可逆Diels-Alder反应的自修复环氧树脂(EP-DA).分别利用FTIR、DSC以及gel-sol转变对EP-DA的化学结构、热性能以及热可逆性进行了分析表征.结果表明,向EP-DA中引入了热可逆DA键,从而赋予环氧树脂良好的热可逆性和再加工性能,使环氧树脂实现自修复,并可使废弃环氧树脂能够得以回收再利用.模拟环氧树脂实际使用中受冲击破坏情况,采用宏观定性观察和弯曲载荷恢复定量测定相结合,对环氧树脂的修复行为和多次修复能力进行了考察,证实这种材料具有良好的自修复性能和多次重复修复能力,其一次修复效率达到了77.1%,同一试样经由3次冲击破坏—热处理后,其修复效率仍然高达53.9%.     

基于光化学反应制备的本征型自修复涂层研究进展

本文简要介绍了基于光化学反应制备的本征型自修复涂层研究进展,重点介绍了基于双硫键交换、基于Diels-Alder可逆反应、基于氢键作用、基于光二聚反应,以及基于自填充作用的自修复涂层,对涂层的制备方法、自修复机理及修复效率进行了简要阐述,并对基于光化学反应制备的本征型自修复涂层在未来的发展及应用进行了展望。     

纤维素基气凝胶型吸油材料的研究进展

近年来,开发"绿色"、可回收的高效吸油材料吸引了国内外学者的广泛关注.纤维素基气凝胶兼具多孔气凝胶型材料比表面积大、孔隙率高的特点以及纤维素材料天然、可再生的优势,对其进行表面疏水化处理后,是一种极具发展潜力的环保型吸油材料.本文分别系统综述了再生纤维素基气凝胶型、天然纤维素基气凝胶型及细菌纤维素基气凝胶型吸油材料的研究进展,并对它们的制备方法和吸油性能进行了归纳总结,最后讨论了当前纤维素基气凝胶型吸油材料研究中存在的问题和今后的研究方向.     

基于Diels-Alder反应的自修复聚氨酯的结构与修复行为

采用呋喃封端的聚氨酯预聚体与双马来酰亚胺反应,合成了基于Diels-Alder(DA)反应的热可逆自修复聚氨酯(PU-DA).利用FTIR、DSC和gel-solution-gel方法对其分子结构、热性能及其可逆性进行了表征,结果表明,具有热可逆性的DA键被成功引入到聚氨酯中,从而赋予聚氨酯具有良好的再加工性能和自修复性能.通过偏光显微镜观测对材料的自修复行为进行了考察,结果表明,由于DA反应的热可逆性,0.5 mm深度划痕的聚氨酯试样在120℃热处理300 s或130℃热处理150 s后划痕便可消失,从而实现了划痕的自修复.并且模拟实际生活中聚合物材料受到轻微损伤时的情况,通过拉伸试验对0.5 mm深度划痕有效自修复的热处理温度和时间进行了确定,并对同一受损部位多次刻划-修复的修复效率进行了详细研究,结果表明:在120℃处理15 min可达到最佳修复效果,其一次修复效率可达71%,同一受损部位经过3次刻划—修复后,其修复效率仍能达到35%.     

含双重动态共价键的松香基环氧类玻璃高分子的制备与性能

以天然松香衍生物为刚性环氧单体, 3,3’-二硫代二丙酸(DTDPA)为交联剂,通过环氧-羧基酯化反应固化,制备了含双重动态二硫键和酯键的生物松香基环氧类玻璃高分子网络.利用红外光谱和拉曼光谱对所得聚合物网络材料的结构进行了表征.结果表明,合成了含双重动态二硫键和酯键的松香基环氧高分子网络.对所有松香基环氧高分子网络进行了热机械性能、力学性能、热稳定性和应力松弛测试.结果表明,松香基环氧高分子网络具有高的热稳定性和力学性能,以及相对较快的应力松弛能力.此外,研究了交联剂添加量对所得松香基环氧高分子网络的自修复和再加工能力的影响.结果表明, DTDPA的羧基与松香环氧单体的环氧基摩尔比为100∶100的类玻璃(RE-100)网络具有最优的自修复和再加工性能.因为RE-100网络内部拥有最多的动态二硫键和酯键,在受到热刺激后,充足的动态二硫键和酯键发生可逆交换,促使网络快速重排,从而获得优异的自修复和再加工性能.     

强韧型自愈合水凝胶的研究进展

水凝胶作为一种由大量水和与众不同的三维网状结构构成的智能软材料,已经广泛应用于许多领域,如药物输送、软骨修复、废物处理及电子设备等。然而,水凝胶不良的机械性能及自愈合性极大地限制了它们的潜在应用。目前已报道的韧性水凝胶通常不具有或只有很弱的自修复性,而自修复水凝胶通常机械性能非常弱。因此,研发具有高效自修复性能和优异机械性能的水凝胶材料,无论是从学术角度还是工业角度都是非常重要的。本文总结了近些年来强韧型自愈合水凝胶的最新研究进展,从其制备方法、性能等方面进行了简要介绍,并对未来的发展前景进行了展望。     

反应型凝胶剂2,4-二烷脲基甲苯衍生物及有机溶剂的室温凝胶化研究

通常制备有机分子凝胶是在高温下溶解凝胶剂,凝胶剂分子在冷却过程中进行自组装并使有机溶剂凝胶化.该方法限制了某些低沸点溶剂的凝胶化.利用甲苯二异氰酸酯与烷基胺的高反应活性,制备了3种反应型凝胶剂.这种反应型凝胶剂能以较低的浓度在室温下使某些芳香族和卤代烃溶剂形成热可逆的有机分子凝胶.场发射扫描电镜表明这种反应型凝胶剂在有机溶剂中自组装形成纤维状三维网络结构.随着烷基胺中的烷基链长度不同,形成的纤维状聚集体的形态也不同.FT-IR和1H NMR研究表明分子间氢键作用是反应型凝胶剂自组装的驱动力.通过XRD和分子模拟推测了其聚集体的结构形态.     

自修复有机硅材料的制备策略

近年来，通过仿生生命体自我修复损伤这一现象而研制的自修复材料，可有效延长材料的使用寿命、提高材料的使用安全性、降低资源浪费，具有巨大的发展潜力。其中，自修复有机硅材料因兼具自我修复的功能和有机硅材料的优异性能，已成为当下的研究热点。由于外界刺激条件如紫外光、温度等是材料实现损伤自我修复的外在驱动力，在很大程度上影响着材料的修复效能，且不同的刺激条件具有不同的优缺点和应用领域。因此，本文将基于自修复过程中外界刺激因素的不同，对自修复有机硅材料尤其是近五年来的最新研究成果进行综述，从外援型和本征型自修复有机硅材料两方面入手，以本征型自修复有机硅材料为重点，并对自修复有机硅材料今后的发展进行了分析展望。