热塑性聚合物（Thermoplastic），内部分子链之间无化学键产生，加热时会软化流动，因此易于修复、重塑形和回收利用，其工业生产制造技术也灵活方便，能够进行热压塑形和多种塑料的共混。不同于热塑性聚合物，传统的热固性聚合物（Thermoset）是由共价键化学交联而成，拥有优异的力学性能、热稳定性和耐腐蚀性，被广泛应用于各种领域。但是，传统的热固性树脂一旦固化成型就无法再次加工，相关的连接、修复、回收等领域困难重重，并存在严重的资源浪费和环境污染问题。
近年来，学者们研发了一类名为类玻璃树脂（Vitrimer）的高分子材料，其特点是在热固性网络中引入动态共价化学键，通过热、光等刺激引发交换反应的同时能够维持恒定的交联密度。Vitrimer在平常状态下与传统热固性树脂无异，却能够在反应激活时进行再次加工（如重塑形、回收利用），这为热固性树脂的加工制造提供了新机会。目前，学者们已经尝试将动态共价化学应用到结构焊接、形状重塑及材料回收等方面，将其切实地应用于工业领域仍然是个热点话题。近日，西安交大王铁军教授团队和佐治亚理工H. Jerry Qi教授、多伦多大学Hani E. Naguib教授开展国际合作，基于动态共价化学提出了新型的复合材料连接和高分子共混技术，拓宽了动态共价化学在工业中的应用范围，并为解决相关领域的关键问题提供了新思路。高效的连接一直是工业复合材料制造和修复中非常重要的一环。传统的机械连接和胶接存在固有缺陷（如应力集中、作用力较弱等问题），在热固性树脂基体之间建立强力的共价键连接一直是个挑战。近年来，基于动态共价化学的热压焊接方法具有很大的发展潜力，但往往需要高温高压条件，并依赖于独特的动态共价网络。近日，该研究团队提出了一种新型的自然连接方法，使用预固化的Vitrimer胶渗透进入连接对象表层，并在连接界面处激活键交换反应，建立起共价键、氢键和物理缠绕协同作用的高强连接（图1），可广泛适用于含有酯键的工业热固性树脂及复合材料。该团队研究了温度、时间和催化剂浓度等因素对连接性能的影响，并对连接界面附近区域的破坏模式进行了分析讨论，验证了交换反应对连接的增强效应。与一些常用的连接方法相比，新型自然连接方法处理条件温和，并在效率和强度上显示出很大的优势（图2），在复合材料生产、制造和修复等工业应用方面有很大潜力。以上工作发表在著名复合材料期刊《Composites Part B: Engineering》，题目为Ultrastrong intrinsic bonding for thermoset composites via bond exchange reactions。西安交大王铁军教授和佐治亚理工H. Jerry Qi教授是共同通讯作者，博士生陈志强和施前博士是共同第一作者。在高分子工业制造中，高分子共混物（Polymer Blends）能够结合不同组分材料的优点，大大地提升物理力学性能和加工性能。其中，机械共混（Mechanical Blending）在经济性、操作性和效率方面都显现出优势，因而是生产多性能新材料的重要途径之一。然而，传统的机械共混技术往往局限于热塑性聚合物的混合，其原理是组分材料在高温熔融状态下的互相扩散，对热固性聚合物则无法进行有效的混合，因为永久交联的热固性网络具有优异的热稳定性，仅能作为夹杂颗粒散布在共混物中。针对上述问题，该研究团队提出了一种新型高分子共混技术，利用机械共混首次将Vitrimer这类新材料和商用热塑性聚氨酯（TPU）结合起来，获得了一种新的TPU/Vitrimer高分子共混物。在后处理过程中，通过激活键交换反应能够调整共混物的网络拓扑结构，并在两种材料的界面处构建共价键从而实现了局部的共聚反应（图3），改善了共混物的力学性能和材料相容性。该共混技术为热固性树脂的改性、再加工和回收利用提供了全新的思路，在高分子加工制造领域有着巨大的应用空间。该团队通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和凝胶渗透色谱（GPC）等测试验证了该共混物的组分：共聚物、Vitrimer以及少量游离的TPU。能量色散X射线谱（EDS）和原子力显微镜（AFM）的结果表明了较好的共混效果以及材料组分间良好的相容性。共混物的力学性能可以通过改变组分比例得到较好的调控，和原材料相比其柔软性得到了很大的提高（图4）。TPU/Vitrimer共混物富含丰富的酯基、羟基和仲胺基团，在接触面易于形成氢键，因此在常温下具有一定程度的自愈合性能（图5a）。该共混物可作为胶膜用于材料的粘接，并有潜力应用于柔性电子皮肤（图5b，c）。以上工作发表在国际性材料期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》，题目为Flexible, Reconfigurable, and Self-Healing TPU/Vitrimer Polymer Blend with Copolymerization Triggered by Bond Exchange Reaction。西安交大王铁军教授、佐治亚理工H. Jerry Qi教授和多伦多大学Hani E. Naguib教授是共同通讯作者，联合培养博士生陈志强是第一作者。https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108054https://doi.org/10.1021/acsami.9b21411
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