清华大学吉岩课题组《Mater. Horiz.》：在通常认为不能实现的温度进行类玻璃高分子的加工

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传统高分子有热固性和热塑性之分，类玻璃高分子既具有热固性高分子的共价交联网络结构，又具有热塑性高分子的可再加工性能，因而是解决目前热固性高分子不可再回收利用的一个重要方法。类玻璃高分子的可再加工性，来源于交换反应所导致的网络结构调整。此交换反应一般在拓扑冻结转变温度(T_v)以上速度较快。此温度类似高分子的玻璃化转变温度(T_g)。一般T_g以下，链段运动被冻结，类玻璃高分子的T_v有似T_g,  T_v以下网络结构由于交换反应速度极慢而处在类似冻结的状态，不能在T_v以下进行结构调整。

最近，清华大学危岩教授团队吉岩副教授课题组发现，液晶类玻璃高分子的再加工行为于非液晶体系大不相同，液晶类玻璃高分子材料可以在远低于T_v以下进行加工。正因如此，可将一些液晶类玻璃高分子的加工温度从常用的180℃降低到60℃。这种低温加工工艺，不仅避免高温加工时常见的氧化现象和容易断裂的缺点，而且可以减小液晶材料内部由于高温拉伸产生的回缩力，可以用于小驱动器的批量制备。该工作以“Fabricating Liquid Crystal Vitrimer Actuators far Below the Normal Processing Temperature”为题发表在《Mater. Horiz.》上。文章的第一作者是清华大学博士生姚艳锦。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

该工作以两种液晶类玻璃高分子（xLCE-BP) 和xLCE-DHMS做为展示，并将它们与非液晶的普通类玻璃高分子Vitrimer-BA进行对比。通过应力松弛实验（图1），可以计算出三者的T_v分别为115°C，127°C和113°C。

图1. (a)三种类玻璃高分子在不同温度下的应力松弛曲线。(b)不同温度下松弛时间的阿伦尼乌斯线性拟合。

相同加工条件下，如图2所示，xLCE-BP和xLCE-DHMS在90℃(T_v以下）时即具有明显的塑性变形，而Vitrimer-BA必须在120°C（T_v以上）才能有轻微的形变。

图2. xLCE-BP、xLCE-DHMS、Vitrimer-BA在不同温度下的压折塑形。

作者认为，之所以有如此的现象，原因在于，T_v以下，液晶类玻璃高分子处在近晶相的状态（图3），液晶基元与柔性间隔基自组装成层状的近晶相结构。这种结构导致可发生交换反应的基团被集中在液晶柔性间隔基所形成的区域，也就是说反应基团的局部浓度增加，因为导致非液晶体系更快的反应速度。

图3. 液晶类玻璃高分子与非液晶类玻璃高分子在低温加工时结构差异及不同加工效果

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D3MH00184A

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