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西安交大張彥峰教授團(tuán)隊(duì) AFM：基于雙重動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的自修復(fù)紅外透過(guò)材料
2024-02-15  來(lái)源：高分子科技

  紅外透過(guò)材料由于長(zhǎng)期暴露于惡劣的外部環(huán)境，很容易受到機(jī)械和腐蝕損壞。然而，傳統(tǒng)紅外透過(guò)材料不具備自修復(fù)能力，因此限制了其使用壽命。共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)可逆去交聯(lián)和交換反應(yīng)表現(xiàn)出自修復(fù)、再加工和回收利用的能力。然而，傳統(tǒng)共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)中，由具有高鍵能的強(qiáng)動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，如酯鍵、脲鍵和氨酯鍵等組成的材料，難以在溫和條件下進(jìn)行自修復(fù)。而具有低鍵能的弱動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵如二硫鍵組成的材料通常在熱驅(qū)動(dòng)自修復(fù)時(shí)會(huì)發(fā)生快速蠕變，這將改變紅外透過(guò)材料器件的精確尺寸，并因此不可避免地影響紅外成像的質(zhì)量。因此，平衡共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能和抗蠕變性能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。


  近期，西安交通大學(xué)張彥峰教授團(tuán)隊(duì)在期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了題為“Covalent Adaptable Networks with Dual Dynamic Covalent Bonds for Self-Repairing Infrared Transmitting Materials”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202315469）。該課題組開發(fā)了一種硫辛酸基環(huán)氧樹脂（TAE）。TAE包含具有不同鍵能的二硫鍵和酯鍵兩種動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵。與加熱后發(fā)生快速蠕變的傳統(tǒng)共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)相比，得益于穩(wěn)定的酯鍵交聯(lián)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)完整性，TAE能夠在溫和條件下快速實(shí)現(xiàn)自修復(fù)并保持其幾何穩(wěn)定性。此外，TAE還展現(xiàn)出高近紅外透射率，因此具有在聚合物紅外透過(guò)材料方面的巨大應(yīng)用潛力。 


圖1. 具有雙動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)在不同溫度下的動(dòng)態(tài)行為


  對(duì)比純環(huán)氧樹脂和低交聯(lián)的對(duì)照組，TAE在較低溫度(80 oC)下展現(xiàn)出快速的劃痕自修復(fù)，且修復(fù)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的曲率不發(fā)生改變。通過(guò)應(yīng)力松弛和蠕變-恢復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TAE具有介于兩者之間的動(dòng)態(tài)特性，由此協(xié)調(diào)了共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)性能和抗蠕變性能之間矛盾。 


圖2. TAE和對(duì)照組的自修復(fù)、幾何穩(wěn)定性和流變性能


  得益于其高紅外透過(guò)性、自修復(fù)性能以及化學(xué)穩(wěn)定性，用TAE制備的紅外窗口在表面受到磨損后，通過(guò)簡(jiǎn)單的熱處理，即可實(shí)現(xiàn)表面修復(fù)并恢復(fù)其成像效果。 


圖3. TAE的近紅外透過(guò)性及其作為自修復(fù)紅外防護(hù)窗的應(yīng)用


  由于TAE網(wǎng)絡(luò)中雙重動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的存在，可通過(guò)熱壓的簡(jiǎn)單工藝實(shí)現(xiàn)TAE的大尺度自愈合以及粉末到塊體材料的多次重塑，自愈合以及重塑后的TAE材料具有可與初代媲美的機(jī)械性能，有利于材料的可持續(xù)利用。 


圖4. TAE的自愈合以及重塑性能


  西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院助理教授崔晨暉與西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院王方博士為該論文的共同第一作者，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張彥峰教授為通訊作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFA0706801)、國(guó)家自然科學(xué)基金(NSFC 52173079)、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(xtr052023001, xzy012023037)、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃陜煤聯(lián)合基金項(xiàng)目(2021JLM-40)等項(xiàng)目的資助。同時(shí)感謝西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心在結(jié)構(gòu)表征方面的幫助，感謝西安交通大學(xué)電信學(xué)部廖慧敏在測(cè)試方面的支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202315469

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