聚合物复合物的设计及其可循环利用高分子材料构筑

This project aims to fabricate recyclable polymer composite materials by using polymeric complexes that are held by reversible noncovalent interactions and/or dynamic covalent bonds. Various polymeric complexes, in particularly, those held by multiple interactions with differential forces and reversibility will be fabricated. The assembly process of these polymeric complexes in solutions will be investigated in detail to well tailor their structures. Based on the multilevel and dynamic assembly processes of polymeric complexes in solutions, polymeric complexes with hard organic/polymeric nanostructures will be generated to enhance the mechanical properties of the resultant polymeric composite materials. Alternatively, the mechanical robustness of the polymeric composite materials can be enhanced by uniformly dispersing nanofillers within polymeric complexes. Recyclable polymeric composite materials can be fabricated by using the polymeric complexes with well-tailed structures and mechanical properties. The factors that have an influence on the recyclable properties of the polymeric composite materials such as the structures of the polymers and polymeric complexes, the interactions within polymer chains, and so forth will be investigated. Finally, polymeric composite materials with enhanced mechanical robustness and excellent recyclable properties will be fabricated.

本项目致力于以聚合物复合物作为构筑基元，基于聚合物复合物内的可逆的超分子弱相互作用力或动态共价键，制备具有可循环利用性能的聚合物复合材料。基于多种可逆作用力及动态共价键，制备具有多组分和多重差异性弱相互作用力的聚合物复合物，研究它们在溶液中复合的过程及结构调控规律。基于聚合物复合物的多级组装过程，生成具有有机或聚合物硬相组装结构，或在聚合物复合物中均匀分散纳米填料，以增强聚合物复合材料的力学性能。以聚合物复合物为构筑基元，制备具有结构和力学性能可控的聚合物复合材料，进一步赋予这些聚合物复合材料可循环利用的性能。探索聚合物复合材料的可循环利用性能与聚合物及聚合物复合物的结构、聚合物链段间作用力等因素间的内在联系，制备具有高强度和高效循环利用性能的聚合物复合材料。

传统聚合物材料在给人类社会创造便利的同时，也引起了严重的资源浪费和环境污染问题。大力发展可修复及可循环利用的聚合物材料，能够有效缓解资源浪费及环境污染问题，对于构建可持续发展社会具有重要意义。本项目以聚合物复合物作为构筑基元，基于聚合物复合物内的可逆的超分子弱相互作用力或动态共价键，制备了系列具有高强度和高效循环利用性能的聚合物复合材料。进一步阐明了聚合物复合材料的可循环利用性能与聚合物链段结构、作用力类型及微结构间的内在联系。在此基础上，基于聚合物链间的可逆交联，构筑了系列具有修复与循环性能的高力学性能的可逆交联聚合物材料。具体研究内容及重要结果包括： (a) 高强度自修复与循环利用水凝胶。基于聚合物复合的策略，我们制备了系列高强度、高韧性、高弹性的水凝胶，并实现了水凝胶的高效修复与循环利用。(b) 高强度的具有修复和循环利用性能的可逆交联超分子塑料。我们利用聚合物复合物中高密度的可逆氢键与复合过程中原位生成的微结构实现协同增强，赋予了超分子塑料超高的强度。尤其是利用聚丙烯酸与聚乙烯基吡咯烷酮复合制备的复合材料，其最高断裂强度和杨氏模量分别达81 MPa和4.5 GPa。同时，我们发展了室温可逆的氮配位的硼氧六环，制备了在室温及温和条件下具有优异修复及可循环利用性能的高强度聚合物材料。(c) 功能性具有修复和循环利用性能的可逆交联聚合物。基于笼型倍半硅氧烷间的多重氢键作用，构筑了兼具高力学强度、透明、与基底聚合物粘附力强的自修复原子氧防护涂层。该涂层的模量高达4.5 GPa，在近地轨道环境中可自发而迅速地修复涂层上深达基底的裂痕，恢复其原子氧防护能力，这一工作对于提高航天器的安全性、延长航天器的服役寿命具有重要的意义。此外，我们还赋予了可逆交联聚合物质子传导、离子导电及传感等性能，拓展了可逆交联聚合物材料的功能。