吉林大学孙俊奇教授团队：基于聚乙烯醇的高强度可修复超分子形状记忆塑料

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聚乙烯醇(PVA)作为一种半结晶性聚合物，具有热致形状记忆效应，在医药工程、包装等领域具有极大的应用前景。但是，基于PVA的形状记忆聚合物(SMPs)具有较差的形状记忆效应和抗疲劳性能，这限制了它们的实际应用。一方面，PVA的半结晶交联网络稳定性较差，它们在执行形状记忆任务的过程中，无定形PVA链段的滑移会导致PVA网络结构的改变，造成PVA难以完全回复到初始的形状，使PVA表现出较差的形状记忆效应。而这种不可逆的形变，会随PVA经历形状记忆循环次数的增加而不断累积，导致材料发生形状记忆效应的疲劳；另一方面，PVA材料在使用时容易因冲击或刮擦而发生机械损伤，进而导致材料失效。

图1. (a) PVA/Py-POSS_2.7超分子塑料的照片和结构示意图; (b) 修复前后PVA/Py-POSS_2.7超分子塑料薄膜的照片; (c) PVA/Py-POSS_2.7的总体形状记忆回复率随执行形状记忆循环次数的变化趋势(每执行10次弯折/恢复形状记忆循环后修复一次)

为解决上述问题，吉林大学孙俊奇团队将带有吡啶基团的聚倍半硅氧烷(Py-POSS)掺杂到PVA中，制得了可完全修复形状记忆疲劳和机械损伤的高性能PVA基形状记忆超分子塑料(图1(a))。得益于Py-POSS与PVA之间的氢键，PVA半结晶网络的稳定性得到提高，PVA基超分子塑料的力学强度和形状记忆效应被显著提升。Py-POSS掺杂质量分数为2.7 wt%的PVA基超分子塑料(PVA/Py-POSS_2.7)的屈服强度可达~85.7 MPa，储能模量可达~6.0 GPa；其形状记忆固定率(R_f)和形状记忆回复率（R_r）都可达~99%。当PVA/Py-POSS_2.7吸水后，水可打开Py-POSS与PVA之间的氢键并部分打开PVA的结晶，使聚合物链段的运动能力提高。基于聚合物网络在水刺激下的动态特性，PVA/Py-POSS_2.7可在水的辅助下完全修复形状记忆疲劳和机械损伤(图1(a)和1(b))。修复后的材料具有和原始材料相同的形状记忆效应，使PVA/Py-POSS_2.7的形状记忆性能具有优异的安全性和稳定性。作者认为该工作为高性能PVA基形状记忆聚合物的设计与制备提供了一种有效的方法，也可为其它类型的高强度、高稳定性的形状记忆聚合物材料的设计与制备提供有益的参考。上述工作以论文形式在《高分子学报》2021年第8期“庆祝沈家骢院士90华诞专辑”印刷出版，通讯作者是吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的孙俊奇教授，第一作者是该实验室的王晓晗博士。相关研究工作得到了国家自然科学基金重点项目的资助(基金号21935004)。

原文链接：

https://dx.doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2021.21133

来源：高分子学报

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