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北京化工大学岳冬梅教授《ACS AMI》:生物基多功能双向形状记忆高分子材料

形状记忆高分子材料(SMPs)是一类能够固定临时形状,并在相应激发下回复原始永久形状的智能材料,可被应用于生物医用、汽车工业、智能织物、航空航天等众多领域。然后,传统的SMPs一般通过共价键交联,不具备永久形状重构、自修复、重复加工等性能。同时,传统SMPs每个形状记忆周期只能完成一次形状回复,形状记忆单向不可逆。为了突破共价键交联网络带来的性能局限性,常见的方法是引入动态键,构建热自适应网络结构。为了解决形状记忆单向不可逆问题,近年来又发展出双向形状记忆高分子。虽然有关热自适应网络结构和双向形状记忆高分子的研究已分别取得一些列重要进展,但将两者结合制备兼具自修复、可回收、永久形状可重构、形状记忆双向可逆性能的多功能SMPs仍然具有挑战。 为应对能源危机和全球变暖问题,以生物基材料替代石油基材料已成为新的趋势。杜仲胶是我国特有的一种生物基材料,结构为反式-聚异戊二烯。由于结构规整,杜仲胶常温下易结晶,是制备形状记忆材料的理想原料。我国杜仲资源占世界95%以上,在开发应用杜仲胶方面具有得天独厚的优势。 近日,北京化工大学岳冬梅教授课题组以杜仲胶为原料,通过对杜仲胶进行羟基化改性,引入活性交联点,并以对苯二硼酸作为交联剂,制备出一系列动态硼酸酯键交联形状记忆高分子(EUG-OH-BDBA,图1)。依靠杜仲胶的结晶以及其宽熔融温域,该材料兼具单向和双向形状记忆性能(图2、图3)。同时,依靠硼酸酯键的动态性,该材料还具有自修复、可回收、永久形状可重构等性能(图4)。此外,以该材料为基体,通过掺杂多壁碳纳米管,还制备出了对808 nm近红外光响应的复合材料EUG-OH-C-BDBA),该复合材料可用作光响应血管支架、执行器、光开关等(图5、图6)。这项研究工作为制备多功能SMPs提供了一种简单的方法,制得的材料在生物医药、智能传感等领域具有广阔应用前景。该成果以“Bio-Based, Self-Healing, Recyclable, Reconfigurable Multifunctional Polymers with Both One-Way and Two-Way Shape Memory Properties”为题发表在《ACS Applied Materials Interfaces》上,文章的第一作者是北京化工大学博士研究生祁鑫。该研究得到泰山产业领军人才工程、山东省重点研发计划(ZK20200134)的支持。 1 EUG-OH-BDBA制备示意图 图2 EUG-OH-BDBA应力松弛及自修复 图3 EUG-OH-BDBA单向可重构形状记忆 图4 EUG-OH-BDBA双向形状记忆 图5 EUG-OH-C-BDBA光响应形状记忆及作为执行器的应用 图6 EUG-OH-C-BDBA作为光开关的应用 该工作是团队近期关于杜仲胶功能材料研究的最新进展之一。近年来,团队先后开发出高阻尼环化杜仲胶弹性体材料(RSC Adv. 2019, 9, 42367)、耐油杜仲酯弹性体材料(J. Mater. Sci. 2020, 55, 4940)、耐老化氢化杜仲胶弹性体材料(J. Appl. Polym. Sci. 2021,138, e50007)、兼具高强度和可回收性的新型多功能杜仲胶弹性体材料(J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 25399)、可拉伸结晶的环氧化杜仲胶弹性体材料(Macromolecules. 2022, 55, 2758?2767)、体温响应型杜仲胶-SiO2形状记忆复合材料(Macromol. Mater. Eng. 2021, 2100370)。 封面来源:图虫创意
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