清华大学吉岩课题组《Adv. Mater.》：通过杂化交换反应实现多种类聚合物焊接

点击上方“蓝字” 一键订阅

通过杂化交换反应实现多种类聚合物焊接在一个聚合物器件中集成复杂的变形结构和先进的功能，通常需要用到不同种类的聚合物（例如环氧树脂和聚氨酯）。这在柔性机器人、仿生等应用领域具有重要意义，例如, 需要柔性的子结构提供环境适应性、较硬的子结构提供机械支持。热固性聚合物由于其优异的力学性能和尺寸稳定性，被广泛用于智能柔性形变结构的构筑。然而，热固性聚合物的永久交联结构， 造成不同材料集成时产生诸多界面问题。通过螺栓紧固等方案连接不同材料，又会导致工艺复杂。近年来基于动态共价键的交联聚合物而发展的焊接方法， 为集成复杂的功能性柔性驱动器提供了新的思路，但这样的设计大多局限在同种动态共价键之间的反应，无法应用于不同种类的聚合物之间。

近日，清华大学吉岩副教授课题组报道了一种通过杂化交换反应焊接多种类形变聚合物的方法，将具备不同化学组分和物理性质的聚合物，包括环氧树脂、聚氨酯、聚硼酸酯、聚硫氨酯、聚肟酯等（图1）， 通过无缝焊接集成为复杂的多功能柔性形变结构。该工作以“Merging the Interfaces of Different Shape-shifting Polymers Using Hybrid Exchange Reactions”为题发表在《Advanced Materials》上。该研究得到国家自然科学基金委的支持。 第一作者是清华大学博士生梁欢。

图1 融合不同聚合物界面的策略。a)通过杂化交换反应连接不同聚合物的示意图。b)具有动态共价键的不同种类聚合物。

图2 三维仿生形变结构。藤蔓植物的a) 制备和b)形变模式。仿飞鱼结构的c) 制备和d)形变模式。

将此策略应用于液晶弹性体驱动器，可能基于不同化学合成的材料，通过多种动态共价键之间的杂化反应，被稳定地连接成一体，实现新颖的仿生结构和罕见的变形模式。图2a-2b展现了模仿藤蔓花朵的三维驱动结构，模拟花、叶形态的变化。图2c-2d展现了模拟飞鱼的形变结构，实现了不同力学性质的材料的结合。经过扫描电镜、拉伸断裂、溶胀、应力应变测试、循环形变等表征方法，证明通过杂化交换反应可以实现不同材料间的稳定链接。

杂化交换反应还可实现不同材料间的融合。将不同材料研磨后混合热压，再经过示差扫描量热仪（DSC）分析，观察到新的玻璃化转变温度（T_g）的形成证明材料的融合（图3）。

图3 杂化融合实验部分DSC结果。熔合样品出现了新的T_g峰。

此外，通过不同材料的组合，可以实现多步形变的网络状驱动器、双向弯曲双层膜驱动器、可以在加热和冷却过程中都能绽开的仿菊花形变结构的自由设计与便捷合成（图4）。

图4 通过焊接不同的LCE实现独特的变形模式。网状结构的a)制作过程和b)可逆形变图像。双层膜的c)制备过程、变形模式和d)实物图像。e)菊花状结构的图像。花瓣向下弯曲到聚硼酸酯LCE侧(i, v)，卷曲到聚硫氨酯LCE侧(iii)。

此策略可以适用于基于类似机理的其他聚合物。除了变形相关领域(如柔性机器人、柔性电子和生物医学设备)，还可能促进涉及通用聚合物的其他领域的创新，并促进对动态共价化学的更深理解。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202202462

相关进展

清华大学危岩教授和吉岩副教授课题组在《Prog. Mater. Sci.》发表关于环氧树脂类玻璃体材料的综述

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多