《宁波材料所发展了基于动态腙的新型易回收热固性树脂》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-06-03
  • 热固性树脂是轻量化汽车、航天航空器、风电、太阳能电池、电子电器等关键结构材料之一。由于永久交联,传统热固性材料回收难,造成环境污染与资源浪费,各国相继出台了“谁生产谁回收”等严厉政策。基于动态可逆共价键发展易回收(降解回收与重塑回收)热固性树脂,具有保护环境和节约资源双重功效,是高分子领域重要的发展方向之一。然而由于动态可逆共价键的存在,易回收热固性树脂普遍在较低温度下即会发生蠕变,导致尺寸稳定性差,从而限制了其在结构材料中的应用。   中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子材料团队马松琪研究员等人针对这个问题,发展了席夫碱反应原位形成金属配位键的方法,大幅提升了席夫碱型易回收热固性树脂的高温抗蠕变性能( Macromolecules ,2020,53,2919-2931),并提出了初始蠕变温度的概念;同时从动态共价键角度出发,基于动态缩醛发展了活化能高的可重塑热固性树脂,实现了高温(≥100℃)不蠕变( J. Mater. Chem. A 2019,7,18039-18049; Macromolecules 2020,53,1474-1485)。   最近,研究人员设计合成了兼具稳定性与可逆性质的动态腙(C=N-N=C)结构,发展了基于腙结构的新型可重塑热固性树脂,初始蠕变温度可达~105℃。首先,以木质素衍生物香草醛为原料,利用其结构中醛基与肼的反应制备含有腙基的二酚,进而环氧化得到含腙键的环氧单体HBE(图1)。其次,分别使用柔性固化剂聚醚胺D400和刚性固化剂异佛尔酮二胺(IPDA)固化制备出玻璃化转变温度分别为76℃和146℃的可重塑热固性树脂(HBE-D400和HBE-IPDA),初始蠕变温度可达~105℃(图2),说明蠕变不受玻璃化转变温度控制;继续升高温度,树脂又可发生松驰,从而拥有重塑回收性能。小分子模型研究发现,动态腙本身在100℃下不发生动态交换反应,说明了高温抗蠕变性能主要由动态腙本身决定(图3)。此外,腙键的引入还赋予了该种可重塑热固性树脂优异的可控降解回收性、抗菌性及热机械性能。相关工作发表在 J. Mater. Chem. A ,2020,DOI:10.1039/D0TA01419B(论文链接: https://doi.org/10.1039/D0TA01419B )上。  

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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-10-17
    • 热固性树脂具有优异的机械性能、热学性能、尺寸稳定性、加工性能以及化学稳定性等,在电子封装材料、复合材料、胶粘剂及涂料等领域都具有广泛应用。然而由于高度化学交联的三维网络,热固性树脂很难回收,同时也影响了其下游产品包括碳纤维复合材料、电子产品等的回收。针对这个问题,马松琪研究员等人近年来做了大量工作,他们通过分子设计,在热固性树脂的分子结构中引入可控降解结构和可逆共价键结构,以实现树脂的易回收性,取得了系列进展(Prog. Polym. Sci., 76, 65-110, 2018;ACS Sustain. Chem. Eng.,5(6): 4683-4689, 2017;Macromolecules, 49(10), 3780–3788, 2016;Macromolecules, 48(19), 7127–7137, 2015)。   近日,马松琪研究员等人以原料丰富、可持续的木质素衍生物香草醛为原料,合成了一种生物基三醛基单体,进而通过与二胺单体之间的席夫碱反应制备了系列希夫碱热固性树脂TFMP-M、TFMP-P、TFMP-H(如图1)。由于希夫碱键的存在,该类热固性树脂展现出了优异的热延展性,在180℃热压下,10分钟内就可重新加工成型回收(如图2),并且在重塑后,基主体化学结构能够保持,力学性能没有明显的下降;同时可在温和酸性条件下水解,实现了热固性树脂的降解以及单体的回收(如图3)。同时该希夫碱热固性树脂解决了已报道的可延展性热固性树脂热学、力学性能低的问题,玻璃化转变温度达~178℃,拉伸强度达~69MPa,拉伸模量达~1925MPa。并且在结构中引入了有机磷结构,解决了热固性树脂易燃的问题,所得希夫碱热固性树脂具有优异的阻燃性,垂直燃烧试验达到了V-0和V-1级别,有限氧指数在30%附近。据悉,该工作首次同时解决了热固性树脂的回收难问题和易燃问题,丰富了热固性树脂结构与性能关系理论,同时为新型热固性树脂的设计提供新的思路。   该成果发表在Macromolecules(DOI: 10.1021/acs.macromol.8b01601)上,论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01601。论文第一作者为博士生王胜,通讯作者为马松琪研究员、朱锦研究员。   该工作得到国家自然科学基金(51773216、51473180、51603221),中国科学院青年创新促进会会员 (2018335),和中国工信部民用飞机专项(MJ-2015-H-G-103)资助。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-08-24
    • 热固性材料包含环氧树脂、聚氨酯以及用于轮胎的橡胶,在汽车和电器等很多需要耐用性和耐热性能的产品中都有。不过,此种材料有一个缺点,在使用之后,不易被回收或分解,因为将它们连接在一起的化学键比其他材料(如热塑性塑料)更强。 据外媒报道,美国麻省理工学院(MIT)的化学家们现在研发了一种方法,可以采用一种化学连接器,让此类材料更容易被分解,同时仍能保持机械强度,以便再次投入使用。 研究人员表示,他们研发了一种称为pDCPD的可降解热固性塑料,可被分解成粉末,然后利用此类粉末制造更多的pDCPD。研究人员还提出一个理论模型,表明其方法可广泛应用于塑料和其他聚合物,如橡胶。 难以回收 热固性塑料和热塑性塑料是两大塑料。热塑性塑料包括聚乙烯和聚丙烯,通常用于塑料袋和其他一次性塑料,如食品包装袋。通过加热小的塑料颗粒,直至融化,再将其塑成所需的形状,最后冷却成固体,可制造出热塑性塑料。热塑性塑料约占全球塑料产量的75%,可通过再次加热直到变成液体,得以回收,从而可被重塑成新的形状。 热固性塑料也采用类似工艺制成,但是一旦从液体冷却成固体,就很难再回复到液体状态。这是因为聚合物分子之间形成的称为共价键的化学键,具有很强的化学附着力,很难被打破。研究人员表示,在被加热时,热固性塑料在成型之前通常会燃烧起来。“一旦它们被固定为一个特定的形状,就会一辈子保持这个形状,通常也没有简单的方法来进行回收。” MIT研究小组想要研发一种方法,既可以保持热固性塑料的强度和耐用性的优点,同时在使用后还可以更容易被分解。 去年,研究人员报道了一种方法,可通过加入含有硅醚基团的构建块或单体,生产用于药物输送系统的可降解聚合物。此种单体随机分布在整个材料中,而且当材料暴露在酸、碱或离子(如氟化物)中时,硅醚键就会断裂。 用于合成此类聚合物的化学反应也被用于制造一些热固性塑料,包括卡车和公交车车身面板的聚二环戊二烯(polydicyclopentadiene,pDCPD)。 研究人员采用了与2019年相同的策略,将硅醚单体添加到形成pDCPD的液体前体中,结果发现,如果硅醚单体占整个材料的7.5%至10%,pDCPD就可保持机械强度,但在接触到氟离子后就可以分解成可溶解的粉末。 新材料 在研究的第二阶段,研究人员试图重复使用此类粉末以形成一种新型pDCPD材料。在将该粉末溶解在用于制造pDCPD的前体溶剂中后,就能够利用回收的粉末制造新型pDCPD热固性塑料。 研究人员表示,如果可以为其他类型的聚合反应找到合适的可降解单体,此种方法也可用于制造其他可降解的热固性材料,如丙烯酸、环氧树脂、硅酮或硫化橡胶。 现在,研究人员们希望可以成立一家公司,将该技术实现商业化。MIT还向默克密理博(Millipore Sigma)独家授权了该项技术,以生产和销售用于研究的硅醚单体。