广西大学徐传辉副研究员课题组利用再生羧甲基壳聚糖获得纳米毛细管网络增强橡胶膜材料

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一般来说，商用橡胶要获得具有高力学性能主要取决于两个方面：完善的交联网络与高效的填料增强体系。但是目前的橡胶再生利用技术很难避开这两个问题。例如，解交联难以避免橡胶分子链的断链从而造成再生胶的性能下降；而高效填料由于包埋在橡胶基体中而难以被清除，使得含有填料的再生胶应用受到限制。如何在制备高性能橡胶复合材料的同时使其橡胶基体易于回收再利用是一大难题。

为了提高橡胶的机械性能，徐传辉副研究员团队采用羧甲基壳聚糖（CMCS）溶液与羧基丁苯橡胶（XSBR）胶乳共混制膜，获得了高强度的橡胶膜材料。CMCS分子链上具有大量羧基、羟基和氨基等极性亲水基团，能够和XSBR分子链上的羧基形成强烈的氢键作用。在材料制备过程中，水分的蒸发混合液粘度不断增大，持续的搅拌阻碍了CMCS在体系中的聚集和沉淀，并最终在橡胶基体中再生并演变得到纳米毛细管网络。由于CMCS分子链节相对于XSBR分子链刚性较大，因此再生纳米毛细管网络在橡胶集体中形成类似“钢筋混凝土增强”的结构，复合材料的最大应力达到9.6Mpa(纯XSBR为2.75MPa)。

图1. (a)XSBR/CMCS复合膜制备示意图，(b) XSBR/CMCS膜实物图，(c) TEM图：再生CMCS在SXBR基体中的结构演变

由于CMCS是水溶性的，且XSBR/CMCS膜是由CMCS纳米毛细管网络与XSBR分子链通过氢键作用交联获得，不存在不可逆的化学键交联，因此，XSBR/CMCS膜置于去离子水中浸泡可以完全除去橡胶基体中的CMCS，回收后的XSBR经重新压片后的力学性能与纯XSBR基本相当，这为发展环境友好型橡胶复合材料提供了新思路。

图2. (a) 试样在40℃下浸泡在水中的质量损失，(b) 5wt％CMCS试样浸泡在水中7天的照片，(c)20wt％CMCS试样浸泡在水中7天的照片，(d)纯XSBR和再生XSBR试样的FTIR光谱，(e)纯XSBR和再生XSBR的应力-应变曲线，(f)再生XSBR薄膜的照片

在对XSBR/CMCS膜的性能探究的过程中，研究团队还发现该材料具有优异的形状记忆功能，经试验数据得知膜材料的形状记忆触发温度范围在10~15℃之间，此温度范围内的形状记忆行为非常适合于设计用于人体的智能医疗装置，例如用于急诊骨折的创可贴：当室温低于10℃时，橡胶膜空气一侧为坚硬塑料固定形状，而橡胶膜接触皮肤的一侧（人体温度为37℃左右）形状回复为柔软橡胶弹性体缓冲骨折部位。这种橡胶复合膜在智能医疗设备和智能响应开关等相关方面具有较大应用潜力。

图3. a)XSBR/CMCS膜储能模量(E')与温度的关系，(b)XSBR/CMCS膜的形状固定率和形状恢复率，(c)试样100％固定的最高温度，(d) 20wt％CMCS膜的“V”形试样的形状恢复照片，(e)应急骨折的创可贴的示意图，(f)应急骨折的“创可贴”的应用示意照片

以上相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA01266D上。论文的第一作者为广西大学化学化工学院硕士生吴文超，通讯作者为徐传辉副研究员。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta01266d#!divAbstract

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