由于配位鍵的動態(tài)性及可調節(jié)性強,且在多種外界刺激下可表現(xiàn)出解絡合與重新絡合,因此越來越多的學者利用配位鍵構筑功能與智能自修復高分子材料。配位鍵的動態(tài)性能可在很寬的松弛時間范圍內進行調節(jié),其中,慢松弛型配位鍵可作為強交聯(lián)點;而快松弛型配位鍵可作為弱交聯(lián)點。配位交聯(lián)點越強,力學強度通常會越高,但伸長率、自修復速率與效率會削弱。而配位交聯(lián)點弱,伸長率和自修復性能通常會較好,但力學強度較弱。為解決這一難題,一種方法是設計兼具強、弱配位點的配體用于單金屬配位交聯(lián)。在這種配體中,強配位點提供力學強度,而弱配位點主要耗散能量,因此可實現(xiàn)配位交聯(lián)高分子的增強增韌與良好的自修復性能。另一種方法則是采用雙金屬配位交聯(lián)設計。其中,一種金屬離子與配體形成強配位交聯(lián),而另一種金屬離子與配體形成弱配位交聯(lián)。基于此設計,同樣可實現(xiàn)增強增韌。但這方面的研究主要還是集中在刺激響應性方面,很少涉及增強增韌與自修復方面的探討。
圖1. (a)XNBR的分子結構及其示意圖;(b)雙金屬交聯(lián)XNBR中交聯(lián)結構的示意圖。
本文采用Dy3+、Cu2+雙金屬配位,并利用三乙胺(TEA)作為輔助性配體,構筑雙金屬配位交聯(lián)羧基丁腈(XNBR)彈性體。如圖1所示,在TEA的存在下,Cu2+與Dy3+分別最多與兩個TEA形成Cu(COOH)4(NEt3)2和Dy(COOH)3(NEt3)2配位交聯(lián)結構。通過流變、核磁共振等分析表明,TEA與金屬離子進行配位,并能加強交聯(lián)結構絡合強度。相比而言,Dy3+交聯(lián)結構更傾向于彈性體共價交聯(lián),而Cu2+交聯(lián)結構則更具動態(tài)性,同時,TEA的加入強化了兩種交聯(lián)結構各自的性能。通過UV-Vis測試,作者考察了兩種金屬離子配位的競爭性。結果表明,Dy3+可部分解離Cu2+-COOH-TEA配位,并奪取部分TEA從而形成Dy(COOH)3(NEt3)n配位結構。
圖3. (a)粗粒化分子動力學(CG-MD)模擬XNBR/TEA/Cu/Dy彈性體在不同伸長率時的快照;(b)強、弱配位鍵在不同伸長率時的密度分布快照;(c)不同伸長率時初始配位鍵的百分比變化;(d-f)不同配位鍵數(shù)量及歸一化含量隨伸長率的變化。
作者也進一步研究了彈性體的自修復性能,結果表明雙金屬交聯(lián)XNBR/TEA/Cu/Dy彈性體比單金屬交聯(lián)XNBR/TEA/Cu、XNBR/TEA/Dy彈性體自修復效率更高。這可能也與交聯(lián)結構多重斷裂與重構有關。這種可自修復的堅韌性彈性體還可用于制備柔性自修復導體,并表現(xiàn)出良好的斷裂后電導率恢復性及力學性能可修復性。這種基于輔助性配體動態(tài)分配性的自修復彈性體設計為彈性體增強增韌研究提供了新的思路。
文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c02347
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