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AM:通過前端開環復分解聚合實現工程熱固性塑料的可再加工性

來源:化學加原創      2024-05-14
導讀:近日,伊利諾伊大學香檳分校Julian C. Cooper、Jeffrey S. Moore、Nancy R. Sottos、Randy H. Ewoldt團隊揭示了工業上相關的聚烯烴熱固性塑料的固有可再加工性。與以往方法不同,該方法是依靠保持交聯反應中使用的烯烴交換催化劑的活性,而不是引入可交換的官能團來再生材料。前端開環復分解聚合(FROMP)在保持這種活性方面至關重要。作者探索了控制催化活性的條件,成功地在材料的多代中恢復了性能,從而證明了長期的可再加工性。這種簡單且可擴展的重塑策略有望得到廣泛采用。鑒于聚烯烴熱固性塑料預期的增長,該發現代表了在追求熱固性聚合物完全循環生命周期方面的一個重要概念性進步。文章鏈接DOI: 10.1002/adma.202402627。

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(圖片來源:Adv. Mater.)


正文

作者首先展示了通過前端開環復分解聚合(FROMP)技術制備的聚二環戊二烯(pDCPD)熱固性塑料的重塑過程和催化劑活性的保持。首先,作者通過FROMP技術,在Grubbs第二代催化劑(GC2)下,1,5-環辛二烯(COD)作為共單體,制備了含有活性催化劑的pDCPD材料?(圖1A-B)。當材料?在80 °C下進行應力松弛實驗時,由于殘留催化劑的存在,材料表現出近乎完全的應力松弛,這表明催化劑能夠驅動網絡交換。此外,當材料暴露于空氣中一天后,由于抑制劑三丁基膦(TBP)的氧化作用,材料的應力松弛速率增加,進一步證明了催化劑在熱固性塑料中的活性。然而,當使用乙基乙烯醚(EVE)來使催化劑失活時,材料?失去了完全松弛的能力,表現出永久性網絡的特征(圖1C-D)。接著,作者將材料?制成顆粒并進行壓縮成型,形成了新的單塊材料,并通過動態機械分析(DMA)發現,這個新形成的單塊材料與原始材料?具有幾乎相同的熱機械性能(圖1E-F)。此外,作者還探討了材料在老化后保持可重塑性的能力,發現添加1 mol%的丁基羥基甲苯(BHT)可以顯著延長材料?的重塑時間(圖1G)。化學加——科學家創業合伙人,歡迎下載化學加APP關注。

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圖1. 使用嵌入催化劑的重塑

圖片來源:Adv. Mater.

為了探究聚二環戊二烯(pDCPD)熱固性塑料的應力松弛行為及其與溫度和催化劑活性的關系。作者對含有1 mol%丁基羥基甲苯(BHT)的pDCPD材料?進行了不同溫度下的應力松弛實驗,以了解材料的重塑行為和粘彈性特性(圖2A)。作者通過測定材料在80 °C至110 °C溫度范圍內的松弛時間τ,發現隨著溫度的升高,τ呈指數級減少,符合阿倫尼烏斯(Arrhenius)行為,表明催化活性隨溫度升高而增加,并且幾乎完全消散了施加的應力(圖2B)。然而,在更高的溫度(140 °C)下,觀察到松弛速率的減緩,表明材料中的活性催化劑正在經歷溫度依賴的失活過程。此外,作者還比較了FROMP技術制備的熱固性塑料與傳統等溫固化方法制備的熱固性塑料的動態重塑能力。結果顯示,FROMP制備的熱固性塑料在90 °C的重塑溫度下具有更短的松弛時間τ,表明其具有更高的催化活性(圖2C-D)。作者通過對不同配方的pDCPD材料進行比較,結果發現,FROMP制備的材料?在重塑后能夠成功恢復原始熱機械性能,而傳統方法制備的材料?則表現不佳(圖2E)。這些發現強調了FROMP技術在制造可多次重塑的pDCPD熱固性塑料方面的潛力。

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圖2. FROMP維持催化劑活性

圖片來源:Adv. Mater.

為了探究催化劑在pDCPD熱固性塑料中失活的機制,并研究不同因素對催化劑活性的影響。作者首先對pDCPD材料?進行了一系列的等溫應力松弛實驗,表明催化劑活性隨溫度升高而降低(圖3A-B)。為了理解催化劑失活的機理,作者考慮了釕基催化劑可能通過多種途徑失活,并探究了其中的主要途徑。通過對比不同磷化物含量的pDCPD材料在120 °C下的松弛行為,發現隨著三丁基膦(TBP)含量的增加,τ的變化速率降低,表明TBP的增加有助于保護催化劑活性。此外,將TBP氧化為P=O后,τ的變化速率加快,而丁基羥基甲苯(BHT)對τ的演變影響不大,這些結果表明催化劑的失活與催化活性物種密切相關(圖3C)。作者進一步合成了氘代的pDCPD材料?-d,并與非氘代的?進行了比較。結果發現,在120 °C下,?-d的τ演變速度比?慢了近兩倍,顯示出與催化劑失活相關的強同位素效應,這與β-氫消除一致(圖3D)。這些觀察結果表明,催化劑的穩定性依賴于材料的組成,例如在更高的溫度下,含有更多環辛烯(COE)片段的材料?比?更容易發生催化劑失活。

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圖3. 探究催化劑失活

圖片來源:Adv. Mater.

為了探究pDCPD熱固性塑料在多次重塑過程中的性能保持情況和不同重塑條件下材料性能的恢復。作者首先通過壓縮成型的方法將顆粒化的pDCPD材料?重塑成第二代材料?·R1,并對其進行了額外兩次重塑,結果表明即使在三次重塑周期后,材料的特征松弛時間τ的原始值和變化值之間的比值幾乎沒有變化,這暗示了可以進一步獲得更多代的材料(圖4A)。動態機械分析(DMA)顯示,所有測試的?材料均能夠有效地恢復熱機械性能(圖4B)。此外,在催化劑快速分解的溫度處,tan δ出現了第二個轉變,這與材料中活性催化劑的含量密切相關,進一步強調了催化劑在控制可再加工性和網絡拓撲中的關鍵作用。值得注意的是,即使在室溫下放置50天后,作者仍然能夠通過重塑過程恢復原始材料?的熱機械性能。此外,通過增加BHT的含量,pDCPD材料?在相同時間老化后表現出比?更慢的τ變化速率,表明BHT有助于保持材料中活性催化劑的穩定性。因此,經過50天老化的?在重塑后能夠更有效地恢復其原始機械性能,得到的新材料缺陷也更少(圖4C)。此外,這種重塑方法也適用于通過FROMP制備的其他聚烯烴熱固性塑料。作者成功恢復了具有不同玻璃化轉變溫度(Tg)的熱固性塑料的材料性能(圖4D)。例如,具有較高Tg(110 °C)的pDCPD材料?的熱機械性能也得到了成功的恢復。然而,重塑這一材料所需的溫度(130 °C)與催化劑快速失活的溫度相一致,導致無法進一步獲得?的更多代。最后,作者通過單軸拉伸測量評估了pDCPD性能的有效恢復(圖4E)。原始的?材料表現出了典型的pDCPD材料的彈性模量和屈服強度,以及斷裂前的冷拉行為。由小顆粒重塑的材料雖然恢復了良好的彈性模量,但屈服強度降低,出現了脆性斷裂。這種機械性能的損失可能是由于在將材料機械破碎成高比表面積顆粒的過程中網絡鏈的斷裂所引入的網絡缺陷。相比之下,由大顆粒重塑的材料在相同條件下重塑后能夠完全恢復材料性能,并且線性和非線性材料行為都得到了恢復,這與母體網絡在重塑過程中經歷了較少的不可逆斷裂事件相一致。

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圖4. 在多個材料中探測pDCPD性能

圖片來源:Adv. Mater.


總結

伊利諾伊大學香檳分校Julian C. Cooper、Jeffrey S. Moore、Nancy R. Sottos、Randy H. Ewoldt團隊通過前端開環復分解聚合(FROMP)技術成功地創造出了具有再生能力的高性能聚二環戊二烯(pDCPD)熱固性塑料。FROMP的快速固化過程保留了用于制造材料的易位催化劑,使得pDCPD的性能可以在多代中有效恢復。這種策略簡單且具有實際應用的潛力,有望解決工業材料生命周期終結管理的挑戰。該研究結果不僅挑戰了熱固性塑料在固化后催化劑活性必然喪失的傳統觀念,而且展示了催化劑不僅能夠創造材料,還能夠再生材料的卓越能力。通過保持催化劑在熱固性塑料中的活性,可以確保材料的持續可加工性。此外,這項工作不僅激發了未來催化劑開發的動力,包括探索更熱穩定的催化劑,而且還引入了通過環境刺激實現催化劑活性開關的新可能性,這可能解決可適應共價網絡(CAN)材料典型的不希望出現的蠕變問題,或為通過復分解烯醇解熱固性塑料的解構開辟新途徑。

文獻詳情:

Reprocessability in Engineering Thermosets Achieved through Frontal Ring Opening Metathesis Polymerization. 
Julian C. Cooper*, Justine E. Paul, Nabil Ramlawi, Chaimongkol Saengow, Anisha Sharma, Benjamin A. Suslick, Randy H. Ewoldt*, Nancy R. Sottos*, Jeffrey S. Moore*.
Adv. Mater. 2024. 
https://doi.org/10.1002/adma.202402627

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