Science：颠覆认知之高性能vitrimers，可再加工的交联聚合物

通常我们将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料能够重复加工循环使用，但是往往机械强度较低；热固性塑料存在交联网络结构，机械强度较高，但是往往无法多次重复使用。如何找到完美融合两者优点的高分子，一直是材料领域科学家们苦苦思索的难题。来自法国巴黎市立高等工业物理化学学院（ESCPI）Ludwik Leibler等科学家在采用不同材料结合制备“超分子”的过程中，发现该“超分子”材料vitrimers分子链间的化学键并非固定不变，而是处于动态平衡。这使得该类新型塑料既具有优异的机械强度，又能够在温度变化时实现可塑加工。该项工作使他获得了欧洲专利局（EPO）研究领域的“2015年度发明人奖”。

Vitrimers注射、模塑制品。图片来源：Science

近日Ludwik Leibler又与合作者Renaud Nicolaÿ在Science 上报道了其研究团队关于新型塑料vitrimers的最新研究进展。研究团队利用具有碳-碳单键骨架的聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和高密度聚乙烯（HDPE），制备vitrimers，通过氧杂硼烷的复分解反应实现交联点的快速动态转换，保持交联点数量的同时改变了聚合物网络拓扑结构，使得该交联性聚合物体系能够通过挤出或注射成型反复加工。

二氧杂硼烷的复分解反应示意图。图片来源：Science

研究团队通过采用含有二氧杂硼烷基团的功能单体与甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等单体共聚以及二氧杂硼杂环戊烯对热塑性高分子链进行接枝改性两种途径，在聚合物骨架上引入二氧杂硼烷的活性反应点，再通过该反应活性点与双二氧杂硼杂环戊烷进行复分解反应，制备含有二氧杂硼烷交联点的功能聚合物。

Vitrimers合成示意图。图片来源：Science

制备的vitrimers在高温下展现出较好流动性，同时其流变行为可以通过调节共聚物分子量、链结构中二氧杂硼烷交联点含量以及二氧杂硼烷功能侧基的含量进行调控。所得vitrimers聚合物同传统商业化塑料一样，能够通过高温挤出（200 ℃）或注塑（180 ℃，15s）成型。制品无色透明，具有良好的机械性能。而且，在保持良好的机械性能的前提下，vitrimer制品能够进行反复成型加工。

Vitrimers流变性、机械性能及其注塑加工成型。图片来源：Science

普通的塑料，如PS放到乙醇溶液中浸泡，会导致制品变白、变脆（开裂），机械性能严重下降，而vitrimers（PS）制品则展现出优异的耐溶剂性能。同时，可置换交联点的存在使得vitrimers（HDPE）在高温下仍展现出较好的抗蠕变性能。不同种类的vitrimers也展现出良好的相容性，便于包装、电子、微流体等不同领域内不同塑料的焊接使用。

Vitrimers展现出优异的耐溶剂性、抗蠕变性和可焊接性。图片来源：Science

——总结——

法国科学家的研究通过在聚合物链结构中引入二氧杂硼烷功能基团制备vitrimers，利用二氧杂硼烷的复分解反应实现vitrimers高温下的流动性，同时保证其交联特性；巧妙的将传统热塑性和热固性聚合物的优点结合在一起，实现了高性能可重复注塑/挤出成型交联聚合物的制备。该新型塑料vitrimers的出现将对塑料行业产生革命性的影响，有望首先应用于包装、交通运输、航天等急需高性能韧性材料的相关领域。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

High-performance vitrimers from commodity thermoplastics through dioxaborolane metathesis

Science, 2017, 356, 62-65, DOI: 10.1126/science.aah5281

（本文由甲子湖供稿）

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