基于非共价键的本征型自修复聚合物材料及其应用

自修复材料作为一种拥有结构上自愈合能力的智能材料近年来得到了快速发展。具备自修复性能的聚合物材料主要包括外援型和本征型。由于本征型自修复聚合物材料具有潜在的自修复能力,且能实现多次修复,所以该领域对于本征型自修复聚合物材料的关注越来越多。由氢键、π-π堆积、疏水作用、离子作用和主客体作用等非共价键力形成的本征型自修复聚合物体系不需要或需要极少外界能量就能实现快速、高效修复。这将是实现节约能源,社会可持续发展的重要途径。本文以不同类型的非共价键为线索,综述了近年来基于非共价键的本征型自修复聚合物材料的发展及其应用,并展望了其未来的发展方向。     

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.     

微胶囊填充型自修复聚合物及其复合材料

微胶囊填充型自修复聚合物及其复合材料是近年来高分子科学界的研究热点之一。本文介绍了含有微胶囊聚合物复合材料自修复的概念和机理,综述了近5年来针对不同基体材料的微胶囊自修复研究情况,包括环氧树脂、乙烯基酯树脂、纤维增强环氧树脂复合材料、弹性体以及聚甲基丙烯酸甲酯等基体材料。本文同时介绍了微胶囊的芯材和壁材、微胶囊的粒径、修复时间和压强等因素对复合材料自修复性能的影响,以及自修复效果的评价方法。最后对微胶囊填充型自修复聚合物及其复合材料的研究前景进行了展望。     

锂离子电池自修复聚合物电解质的研究进展

自修复材料可以修复其在外界环境因素作用下产生的局部创伤或微裂纹,大大延长材料的使用寿命.将自修复聚合物作为固态聚合物电解质应用于锂离子电池,可以显著提高锂离子电池的循环稳定性和安全性,延长使用寿命.本文首先概述了自修复聚合物材料的发展历程和修复机理,然后按超分子相互作用和动态共价键分类总结了本征型自修复聚合物电解质应用于锂离子电池的研究进展,最后对自修复聚合物电解质存在的问题和未来的发展方向做出了展望,为下一代高安全性、高性能和长使用寿命的锂离子电池的研究提供借鉴.     

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.     

超分子拓扑高分子：合成、组装及功能

超分子拓扑高分子结合了非共价键的动态可逆特性和共价型拓扑高分子的结构特点,是一种具有广泛应用前景的高分子物种.本文从超分子拓扑高分子的合成、组装及功能等三个方面综述了该领域的最新研究进展.首先重点强调了利用直接或间接方法来构筑超支化、树枝状、星形、刷形、交联型和环形等超分子拓扑高分子的策略,其次从内部结构参数和外部环境响应两方面介绍了调控超分子自组装行为的主要方法,然后对其在生物医用材料、光电活性材料以及自修复材料等领域的潜在应用进行了较为全面的总结,最后指出了超分子拓扑高分子研究领域目前存在的关键问题和重要挑战.     

具有自修复能力的聚合物材料

各项性能已经达到工程材料指标要求的聚合物材料，在使用过程中不可避免地会产生裂纹，进而在使用过程中包藏着隐患，直至丧失使用价值。裂纹的早期修复，特别是自修复是一个现实而重要的问题。本文介绍了两类修复机制，即共价键与非共价键愈合，重点分析了近年来按共价键机理愈合、具有自修复能力的聚合物材料的研究成果、优缺点及发展前景。     

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%.     

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%.     

基于可逆动态共价化学的新型可修复、可回收、可加工环氧树脂

利用生物来源的二聚脂肪酸为原料,合成了二聚酸酰肼和二聚酸酰腙两种衍生物,并进一步以其作为环氧E-44树脂固化剂,得到了新型的含动态共价连接的热固性环氧树脂。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、差式扫描量热(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、热重(TG)和动态力学分析(DMA)等多种测试手段对环氧树脂固化过程以及固化后材料的结构与性能关系进行了详细表征,特别研究了动态亚胺键对热固性环氧树脂性能的独特影响。结果表明:与传统环氧树脂相比,改性后的环氧树脂有更好的韧性,且其玻璃化转变温度及热稳定性没有明显下降。在升温和加压的条件下,酸可催化亚胺键的动态交换反应,赋予传统环氧树脂以全新的可修复、可回收与可多次加工性能。     

氢键交联超分子聚合物材料：从结构性能到功能应用

高分子材料的大量消耗与持续积累已经在全球范围内造成了严重的环境污染与资源浪费.发展可修复、可循环、可降解和可回收的新一代高分子材料是解决上述挑战的根本途径.基于动态可逆的非共价键将聚合物链段进行交联可以有效地构建这些材料.本专论系统总结了我们课题组在氢键交联超分子聚合物材料方面的系列研究进展.基于多重氢键的协同性与动态性、氢键与动态共价键的协同,以及材料微相结构的调控,发展了系列兼具高强度与高韧性的超分子聚合物材料,实现了材料的修复、循环、降解与回收;不仅突破了非共价交联高分子材料力学性能弱的瓶颈,而且化解了高分子材料强度与韧性的矛盾.相关研究为发展传统高分子材料的可持续替代品提供了新的思路.同时,发展了系列基于氢键交联的功能超分子聚合物材料,展示了其在柔性电子、固态锂电池及水下黏合剂等方面的应用.     

结构用自修复型高分子材料的制备

自修复型高分子材料属于智能材料的一类,仿照生物体损伤自愈合的功能,通过材料内部的自诊断和自响应机制,及时修复材料在成型加工或使用过程产生的微小裂纹,避免其进一步扩展.近年来本课题组针对结构用自修复型高分子材料的强度恢复问题,综合利用高分子化学、高分子物理、材料力学等学科的理论和方法,设计、合成了一系列外植型和本征型自修复高分子材料,提出的自修复策略适用于典型热固性和热塑性高分子材料.此外,深入研究了相关的合成路线、配方优化、制备工艺、材料结构与性能、自修复的微观机制、使用稳定性等,为此类材料的实际应用提供依据.     

导电自修复材料的研究进展

导电高分子材料因具备良好的导电性、质轻和易加工特性而被广泛应用于航空、生物医学设备、化学生物传感器和能源等领域。然而,导电高分子材料在使用过程中不可避免地会产生微裂纹,从而破坏导电通路并使整个电子设备瘫痪。受生物体启发,设计和构筑具备自修复功能的导电高分子材料是研究的热点。本文介绍了导电自修复材料的最新研究动态,综述了自修复机理和材料的制备方法及应用前景,最后简要分析导电自修复材料目前存在的主要问题并展望其发展方向。     

热适性形状记忆聚合物

动态共价交联聚合物的研究具有悠久的历史,其早期的工作着眼于如何解决应力松弛带来的聚合物材料力学性能降低的问题.20世纪90年代以来,利用动态共价键来主动设计聚合物网络的特殊可适性逐渐成为研究主流,其中包括自修复和重加工性.然而,受到动态共价键的种类、通用性及所实现功能的特异性等限制,对于动态共价交联聚合物网络的研究尚停留在基础阶段.本文以本课题组近期在动态共价交联形状记忆聚合物的研究为基础,结合其他相关工作,展示了通用共价键(酯键及氨酯键)的动态可逆性,并利用其设计了具有特殊性能和潜在商业化价值的形状记忆聚合物.在此基础上,我们提出分子结构设计及宏观性能均不同于传统热塑性和热固性形状记忆聚合物的第3类形状记忆聚合物,即热适性形状记忆聚合物.     

聚合物可逆互锁网络的设计、制备和应用初探

聚合物复合体系是聚合物材料重要的应用形式,发展能够充分抑制相分离的多组分聚合物复合体系制备新技术有着重要意义.利用动态交联聚合物网络拓扑结构的可逆变换,可以使不同交联聚合物网络间的分子链扩散与混合成为可能,待混合完全后再通过动态可逆共价键闭合来重筑交联网络,最终得到由不同子网络穿插互锁形成的均匀复合交联网络,即聚合物可逆互锁网络,其中的子网络之间没有共价键连接,具有相对的独立性.本文由聚合物可逆互锁网络的设计制备出发,阐述了相关方法的概念、原理和所得材料的结构特点,介绍了基于聚合物可逆互锁网络策略的聚合物材料高性能化与功能化应用实例,内容包括提升和调控力学性能、宽pH水环境中的自修复、增进本征导热率、固态聚合物电解质的优化、多组分聚合物复合体系的可控分离与可控降解以及闭环循环利用等,同时分析了与聚合物互穿网络(IPNs)的区别,最后对这类材料未来可能的发展进行了分析和展望.     

超分子聚集诱导发光材料的研究进展及展望

通过超分子自组装构建发光材料是超分子化学研究的重要领域之一.超分子自组装作为一种简单且高效的手段,可以将不同结构的分子通过非共价键作用力构建成具有精确结构和多功能的组装体,进一步赋予了超分子材料独特的物理特性.由于超分子发光材料中非共价键相互作用力具有动态且可逆的性质,因此使其具有对刺激物特异性识别和对微环境变化敏感的特点,从而被广泛应用于生物传感和成像、药物传递、化学传感、人工光收集系统、信息加密和光催化等领域.基于此,为了了解超分子发光材料的最新研究进展,主要按照氢键相互作用、π-π堆积和多种非共价键相互作用,较系统地阐述了最近四年超分子发光材料,从设计到制备再到应用的最新研究进展,并且进一步展望了其未来所面临的挑战.     

环氧树脂浂浆材料概况

二十世纪三十年代,环氧树脂问世。由于环氧树脂具有强度高、粘结力强、收缩性小、稳定性好,可室温固化等一系列优点,因而在涂料、电绝缘材料、增强塑料、粘合剂等方面获得了广泛的应用,成为热固性树脂的重要品种之一。环氧树脂作为浂浆材料使用,开始于五十年代末期。美国首先应用环氧树脂作为化学浂浆材料,1962年成功地修复了使用近40年的洛杉矶码头桩基上卩的混凝土梁的     

基于动态受阻脲键的可修复环氧树脂的制备及性能

以大位阻仲胺和异氰酸酯为原料,合成了基于大位阻脲键的环氧固化剂,并以4, 4’-二氨基二苯甲烷为交联剂,制得了基于大位阻脲键的热可逆结构稳定性自修复环氧热固性树脂。对合成的含大位阻脲键的环氧树脂进行了进行拉伸性能测试、热机械性能测试（DMA）、热重测试（TG）、可修复性能和可再加工性能测试。结果表明,拉伸强度达到68.62 MPa,断裂伸长率达到了6.93%,有效解决了环氧树脂的脆性难题,并且能够保持相对优异的力学性能,从而具有实际应用价值。同时,这种新型材料可以在120℃下10 min内实现快速愈合,大位阻脲键赋予了环氧热固性材料优异的再加工性、自愈合性、焊接性、可重塑性、可循环性和形状记忆性。因此,将大位阻脲键引入热固性环氧树脂,为以经济高效的方式制备具有高机械强度和自愈合效率的环氧热固性树脂提供了一种可行的策略。     

微胶囊自修复材料的修复反应

受自然界生物可以自动愈合伤口的启发,科学家设计出能够自动修复损伤的自修复材料。由于微胶囊体系的制备工艺简单、应用范围广、对多种损伤形式均可修复,受到了科学家的广泛关注。其主要修复过程为:裂纹扩展使微胶囊破裂,微胶囊内的修复剂流到微裂纹处,在催化剂作用下修复剂发生聚合反应从而修复微裂纹。这一过程中修复反应是实现材料自修复的关键,它必须能够在室温下将低粘度液体转变为坚韧的热固性高聚物。本文综述了针对微胶囊自修复材料的修复反应,重点介绍了环烯烃的开环易位聚合、环氧树脂的开环聚合、溶剂的再固化、点击化学四类反应。其中,点击化学由于简单高效的特点成为设计自修复材料的新方法,包括叠氮化物-炔烃反应、共轭二烯和亲二烯体反应、疏基-烯反应、疏基-氰酸酯反应等。通过对比分析修复反应的机理和自修复效率的影响因素,指出各种修复反应的优点和局限性,并对微胶囊自修复材料的发展趋势进行展望。     

肽基纳米材料及其应用

近年来,肽类超分子自组装合成纳米材料受到了广泛研究和关注,已成为纳米材料科学研究的前沿领域之一。肽基纳米材料因其良好的生物相容性以及结构和功能的多样性,在材料学、组织工程、生物工程及药物传递等方面展示出巨大的应用潜力。本文综述了肽类自组装纳米材料制备的最新研究进展,重点介绍了疏水性二肽、类表面活性剂多肽、Aβ多肽片段、烷基链修饰多肽等通过非共价键作用自组装形成的不同结构的纳米材料,包括纳米管、纳米纤维、纳米囊/球、纳米水凝胶等;同时,介绍了多肽自组装机理模型及其分子动力学模拟方面取得的研究成果;最后总结了肽基纳米材料在金属/半导体材料、生物传感器、组织修复材料及药物传递等领域的应用现状及今后重点研究的方向。