吉林大学孙俊奇课题组基于聚合物溶液复合法原位生成的聚合物复合物纳米粒子，实现了对低分子量的聚芳醚砜的有效增强。所制备的聚芳醚砜复合材料的断裂强度达到104.8 MPa，可以在溶剂辅助下进行循环利用和损伤修复，有效延长了材料的使用寿命，实现了资源的节约。聚芳醚砜等高性能工程聚合物材料具有高强度和高热稳定性等特点，被广泛应用于建筑业、电子科技产业以及航天工业等领域。目前，实现该类聚合物增强的方法通常是在聚合物中分散刚性纳米填料（如SiO2纳米粒子、蒙脱土、石墨烯等）。但这种方法存在两个问题：一是纳米填料自身的表面能较高，在聚合物中易发生聚集、不易分散；二是外加填料和聚合物的组成差异明显，二者之间的相容性和作用力较弱。同时，高强度的聚芳醚砜等聚合物由于溶解性差、加工温度高，造成聚合物材料的加工及循环利用性能差。针对上述问题，吉林大学孙俊奇课题组提出利用原位生产聚合物复合物纳米粒子实现聚芳醚砜力学增强的新概念，既实现了低分子量的聚芳醚砜的高效力学增强和溶液加工，又赋予了该聚芳醚砜复合材料良好的修复和循环利用性能。作者制备了羧酸官能化的低分子量的聚芳醚砜(PAES-COOH，Mn≈7.2×104)，并将其与少量的聚乙烯基吡咯烷酮(PVPON，Mn≈3.6×105)在DMF中进行复合，获得均匀透明的复合物溶液，溶剂挥发后就可以方便地制备大面积的PAES-COOH/PVPON复合物膜材料（图1，以下简称“复合材料”）。当PVPON的质量分数为10%时，所制备的复合材料的断裂强度和杨氏模量分别可达~104.8 MPa和~932.2 MPa, 分别是PAES–COOH的~2.0倍和~1.7倍（图2a,b）。复合材料的热分解温度为~506°C，具有优异的热稳定性（图2c），对水、乙醇、环己烷、石油醚、汽油等表现出优异的耐溶剂稳定性。透射电镜表明在复合材料中均匀分散有平均粒径约为33 nm的PAES-COOH/PVPON纳米粒子（图2d）。一方面，PAES-COOH/PVPON纳米粒子由于内部的氢键交联而具有刚性，且纳米粒子与基体聚合物有强的氢键作用力及链段的物理缠结，因此此种纳米粒子作为纳米填料可以实现对复合材料的高效力学增强；另一方面，复合材料中存在大量高密度的氢键作用，两方面的共同作用，使材料获得了高力学强度。由于氢键的可逆性，复合材料表现出优异的修复和循环利用性能。只需在材料的损伤部位滴加DMF，便可方便地修复机械损伤，恢复复合材料原有的力学强度（图3a，3b）。同时，可以将复合材料重新溶解在DMF中，实现材料的重塑和循环利用（图3c，3d）。该方法制备过程简单，原位生成的聚合物复合粒子和聚合物基体间存在强的作用力，且可避免粒子间的聚集，能够实现聚合物材料的有效力学增强。所制备的高强度的聚芳醚砜复合材料方便进行溶液加工、能实现溶剂辅助的修复、循环利用及重塑。原位生成的聚合物复合物纳米粒子增强聚合物材料的方法有望用于其它高强度修复/循环利用聚合物材料的制备。该工作以 Research Article 的形式发表在 CCS Chemistry 2020年第一期。Xingyuan Lu, Yuchao Luo, Yixuan Li, Chunyang Bao, Xiaohan Wang, Ni An, Guibin Wang, and Junqi Sun，Polymeric Complex Nanoparticles Enable the Fabrication of Mechanically Superstrong and Recyclable Poly(aryl ether sulfone)-based Polymer Composites， CCS Chem. 2019, 1, 524–532DOI: 10.31635/ccschem.019.201900052
高分子科学前沿
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