多功能多嵌段共聚物的理性设计与可控制备

Polymeric chains with different properties and functions could be linked into a multi-block polymeric chains via covalant bonds. In multi-block copolymer, nano-phase seperation occurs. The poor performance and lose in function of materials, which are often observed in either a totoally incompatible or fully miscible system, could be avoided. The rich nano-morphologies offer a new parameter to tune the properties of materials. Rational design of multi-block copolymer could be a facile approach to the integration, optimzation of multi-functions, and coupling of multi-functions for smart materials. Some important progresses in RAFT emulsion polymerization and the synthesis of high molecular weight block copolymer have been made in the group led by the applicant. Based on those progresses, we propose to build up a multi-block copolymer platform for rational design of high performance and multi-functional polymeric product. To meet the society needs for high performance dielectric elastomer and high capacity lithium battery, we would rationally design multi-functional multi-block copolymer and invent new technique to synthesize them in a well controlled way. We would systematically investigate into the fundamentals of product engineering like the relationship between hierarchitectural structures and properties, integration, coupling and optimzation of multi-functions in a single material. We hope to invent novel high performance dielectric elastomer and multifunctional adhesive for Li/Si battery electrode and to open new paths to high performance and multi-functional polymeric products . The project would promote the progress in polymeric product engineering.

多嵌段共聚物可将不同性质、不同功能的聚合物链通过化学键集成一体并形成纳米微相分离结构，从而不需担心组分间的不相容性和过度混溶导致性能低下、功能消失的问题,且丰富的纳米相态结构提供了一个性能调控的新参数。因此，通过多嵌段共聚物结构设计易于实现材料多功能的集成和优化，并可通过多功能的耦合制得智能材料。申请人领导的课题在RAFT乳液聚合方法和高分子量嵌段共聚物的可控制备的研究方面取得突破性进展。本申请项目拟以此为基础，以多嵌段共聚物作为高性能、多功能聚合物产品的设计平台，面向高性能介电弹性体和高比容量电池等的研究前沿和社会重大需求，开展多功能多嵌段共聚物理性设计与可控制备新方法的研究，系统研究产品多级结构与性能关系，多功能的集成、耦合与优化等产品工程基础问题，发展高性能介电弹性体、多功能锂/硅电池负极粘结剂等新材料，为创制高性能、多功能聚合物产品的提供新路径，促进聚合物产品工程领域的研究。

以RAFT乳液聚合为工具，面向介电弹性体、高比容量锂电池电极材料等具有重大社会需求前景的产品，开展多嵌段共聚物的多级结构可控制备及功能的集成与优化的应用基础研究，获得如下主要创新性成果：.1. 新发现RAFT反应可大幅降低向单体链转移反应速率常数，为高分子量产物的可控合成提供理论基础；.2. 创建RAFT乳液聚合可控制备高分子量多嵌段共聚物新技术，率先报道了高分子量高活性的八嵌段共聚物的可控合成技术；.3. 以苯乙烯/丙烯酸酯类单体为模型体系，系统研究了多嵌段共聚物的结构与力学性能关系，揭示侧基位阻、软段成环、硬段化学桥接、界面层这些新的影响力学性能的结构效应；新发现提高嵌段数可以显著提高弹性体力学性能，是设计材料新的重要变量；相比于三嵌段共聚物，五嵌段共聚物弹性体具有软而强、强而韧这些难以兼得优异性能。.4. 发明了改变交联结构的力和热共同作用下的热力拉伸-松弛法，制备出难以获得的低熵半刚性网络软介电弹性体和各项异性介电弹性体等新材料，前者成功破解了困扰传统软弹性体因力电耦合引起的吸合失稳问题，获得可在低电压驱动的高电致驱动性能的介电弹性体；后者应用于具有类生物肌肉的高敏捷运动特性的低压驱动高性能卷绕式纤维驱动器和叠型驱动器。通过多级结构的设计与优化，制得综合性能比现有材料更为优异的新型介电弹性体，突破性地在国际上率先制备出可在深海低温、高静水压下无保护自主游动的机器鱼。.5. 设计制备了四嵌段聚合物粘结剂聚（丙烯酸-苯乙烯-丙烯酸酯-苯乙烯）（AASACS），研究了粘结剂与硅负极锂电池性能之间的关系，制得适于高能量密度锂电池的电极粘结剂。将AASACS与PAA复合时，电极的初始比容量高达4140mAh/g，循环稳定性和倍率性能大幅提高。相关专利技术作价200万元转让。..项目将多嵌段共聚物发展为开发功能性新材料的新平台。在Nature等重要期刊发表论文35篇，IF>10期刊论文8篇，ESI高被引1篇；授权发明专利19项；国际学术会议邀请报告5次；培养博士生9名、硕士生5名。