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        得益于動態酚醛氨基甲酸酯網絡技術,開發出了高性能、自修復且可回收的生物基聚氨酯材料

        《Polymer》:High-performance, self-healable, and recyclable bio-based polyurethanes enabled by dynamic phenolic carbamate networks

        【字體: 時間:2026年03月03日 來源:Polymer 4.5

        編輯推薦:

          生物基聚氨酯彈性體通過苯酚酯鍵動態交聯實現自修復和可回收,優化軟段與R值使機械性能優異,為可持續循環材料提供新策略。

          
        黃環環|劉夢婷|康海蘭|李龍
        沈陽化工職業技術學院材料科學與工程學院,中國沈陽,110142

        摘要

        盡管熱固性聚氨酯彈性體具有優異的機械性能,但由于其永久性的交聯網絡,它們在可回收性方面面臨挑戰。為了解決這一問題,研究人員使用聚醚多元醇(PTMG、PEG、PPG)、二苯甲烷二異氰酸酯和沒食子酸成功合成了一系列新型生物基聚氨酯彈性體(BPUs),通過酚醛氨基甲酸酯鍵的固有可逆性形成了動態交聯網絡,而無需外加的動態共價連接。這種設計賦予了材料顯著的自我修復和再加工能力,同時保持了化學穩定性。在最佳修復條件下(80°C,3小時),BPUs的拉伸強度恢復了79.9%,應變恢復了90.8%。經過三次再加工循環后,BPUs仍保留了超過70%的原始機械性能。此外,R值為2.0的基于PTMG的BPUs表現出更優異的機械性能,拉伸強度達到35.9 MPa,斷裂伸長率為1997%,硬度為79。這歸因于PTMG的規則結構,該結構促進了結晶性和明顯的微相分離。這項工作提供了一種可持續的策略,利用生物質衍生的單體和內在的動態化學性質,開發出高性能、可回收的聚氨酯彈性體,實現閉環生命周期。

        引言

        隨著全球對環境保護和可持續發展的關注日益增加,生物基聚合物材料受到了廣泛關注[1]。這些材料來源于可再生的生物質,包括植物、動物和微生物,與傳統石油基聚合物相比具有顯著優勢[[2], [3], [4], [5]]。在整個生命周期中,生物基聚合物有助于減少碳排放、節約化石燃料資源并減輕環境污染[6]。大量的研究致力于開發高性能的生物基聚合物,以滿足各種工業需求,同時確保環境可持續性[7]。
        聚氨酯彈性體(PU)是一種用途廣泛且應用廣泛的聚合物,其獨特的分子結構中含有脲酸酯鍵(–NHCOO–)。它具有高機械強度、良好的耐磨性和出色的彈性,適用于建筑、交通、體育器材和醫療設備等多個領域[8]。特別是熱固性PU,由于其永久性的交聯網絡結構,表現出優異的機械性能和化學穩定性,而這些特性在熱塑性PU中并不常見。然而,這種交聯的不可逆性嚴重阻礙了其可回收性,從而導致資源消耗和環境污染[9]。因此,開發可持續的熱固性PU的關鍵挑戰在于克服這種固有的不可回收性,同時不犧牲其優異的機械和化學性能。為此,可逆的動態共價鍵作為一種有前景的策略,最近受到了廣泛關注,用于構建可再加工且高性能的熱固性PU材料[[10], [11], [12]]。
        可逆的動態共價鍵在熱刺激下會發生可逆的斷裂和重組,從而促進聚合物共價網絡結構的重組[13]。將動態β-羰基羧酸酯鍵引入PU網絡中,可以使其具有再加工性和自我修復行為[[14], [15], [16]]。Suman等人將來自生物基前體丁二酸二乙酯的動態鍵引入α,ω-雙羥基封端的聚四亞甲基氧化物(PTMO)的主鏈中。由此形成的分段聚(脲酸酯-尿素)網絡(PUNs)由PTMO作為軟段,以及基于戊二糖醇和二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)的硬段組成。這些共價交聯網絡即使在高溫下也表現出出色的抗蠕變性能,這歸因于其穩定的結構設計。樣品在140°C至180°C的溫度范圍內表現出典型的玻璃化行為和應力松弛現象。在150°C下熱處理的PUNs恢復了高達70-85%的原始拉伸強度[17]。Cui等人在氫鍵合聚氨酯橡膠和環氧天然橡膠的混合物中,利用羧基化二氧化硅在界面處構建了可逆的β-羥基酯鍵。這些鍵在熱回收過程中經歷了酯交換反應,從而促進了拓撲網絡的重排,賦予了材料良好的可回收性[18]。通過將環氧卡多醇甘油醚與檸檬酸(CA)固化,成功合成了一種可回收且具有自我修復功能的生物基粘合劑(ECGE-CA)。所得ECGE-CA材料表現出高機械強度和自我修復能力,這歸因于動態酯鍵和CA中的豐富羥基。這些羥基形成了大量的氫鍵,作為動態交聯劑,使得材料具有玻璃化特性[19]。利用衣康酸衍生的多元醇合成了具有動態二硫鍵的可回收聚氨酯。衣康酸衍生的多元醇是通過衣康酸、1,6-己二醇和6-巰基-1-己醇之間的硫醇-烯點擊反應獲得的,該反應有效地利用了側鏈雙鍵[20]。所得材料的拉伸強度高達31.5 MPa,模量為717 MPa,具有優異的重塑可回收性,經過三次循環后仍保持85.1%的強度。然而,構建熱可逆PU依賴于專門的單體,其合成往往受到復雜性、低產率、純化困難和高生產成本的制約[21,22]。
        將生物基原料引入PU合成中,結合了傳統PU的高性能和可再生資源的可持續性[23]。通過進一步利用生物質衍生的單體構建動態共價網絡,可以制造出不僅可再生而且可再加工和可回收的PU,為可持續彈性體提供了閉環生命周期[24]。值得注意的是,最近的研究強調了生物基多元醇和多功能交聯劑在優化聚氨酯材料機械性能和可持續性方面的關鍵作用,為設計生物質衍生聚合物網絡提供了寶貴的指導[25]。沒食子酸(3,4,5-三羥基苯甲酸)是一種從天然植物多酚中提取的多酚有機酸,由于其商業可用性、低成本、天然豐富性和環境可持續性而脫穎而出,其合成和純化步驟簡單[26]。在這里,我們報道了一種基于酚醛氨基甲酸酯鍵固有熱可逆性的三維動態交聯網絡,這種鍵在沒食子酸的酚羥基和異氰酸酯基團之間原位形成,從而實現了動態重構,而無需外加的動態共價連接。為了全面了解結構參數如何調節材料性能,我們系統地探討了兩個關鍵變量的影響:化學計量比(R值,NCO與OH基團的摩爾比)和軟段化學性質(聚四氫呋喃,PTMG;聚乙二醇,PEG;聚丙二醇,PPG)。對一系列生物基PU(BPUs)的化學結構、熱穩定性、機械性能、自我修復效率和再加工能力進行了全面評估,建立了明確的結構-性能關系,為高性能動態生物基聚氨酯的合理設計提供了依據。

        材料

        PTMG(Mn 2000g·mol?1)、PEG(Mn 2000g·mol?1)、PPG(Mn 2000g·mol?1)、GA(99%)和二丁基錫二月桂酸酯(DBTDL,95%)均來自中國上海阿拉丁生化科技有限公司。MDI(99%)購自中國上海麥克萊恩生化科技有限公司。N,N-二甲基甲酰胺(DMF,99.5%)和丙酮(99.5%)來自中國國藥化學試劑有限公司。所有化學品均按接收狀態使用。
        BPUs的合成
        BPUs是通過兩步聚合程序合成的。

        BPUs的設計與表征

        熱可逆交聯的BPUs是使用聚醚軟段和由MDI及GA組成的硬段合成的。預聚物序列結構是通過聚醚多元醇與MDI之間的預聚反應控制的[29]。隨后與GA的反應實現了基于可逆酚醛氨基甲酸酯鍵的原位動態交聯網絡的形成[30,31]。合成了一系列具有不同R值和軟段結構的BPUs,包括PTMG、PEG等

        結論

        在這項研究中,通過系統調整兩個核心結構參數:化學計量比(R值,NCO與OH基團的摩爾比)和軟段化學性質(PTMG、PEG、PPG),成功開發了一系列具有動態酚醛氨基甲酸酯網絡的BPUs。我們全面研究了這些參數對BPUs的熱性能、機械性能、自我修復性能和再加工性能的影響,旨在提供對材料行為的整體理解,并建立穩健的結構-性能相關性。

        CRediT作者貢獻聲明

        黃環環:撰寫 – 審稿與編輯,撰寫 – 原稿,方法學,研究,數據分析,概念化。劉夢婷:方法學,研究。康海蘭:撰寫 – 審稿與編輯,監督,資源提供。李龍:撰寫 – 審稿與編輯,監督,資源提供。

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文報告工作的競爭性財務利益或個人關系。

        致謝

        本研究得到了國家自然科學基金(項目編號52341301)、先進材料-國家重點科技專項(項目編號2025ZD0614800)以及遼寧興遼人才計劃(項目編號XLYC2403196)的支持。
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