生物基Vitrimer高分子材料的研究進展

童善緣, 胡 云, 于金尼, 賈普友, 黃 欽, 周永紅

(1.中國林業科學研究院 林產化學工業研究所;江蘇省生物質能源與材料重點實驗室;國家林業和草原局林產化學工程重點實驗室;林木生物質低碳高效利用國家工程研究中心,江蘇 南京 210042; 2.南京林業大學化學工程學院;江蘇省林業資源高效加工利用協同創新中心,江蘇 南京 210037; 3.廣西民族大學,林產化學與工程國家民委重點實驗室,廣西林產化學與工程重點實驗室,廣西林產化學與工程協同創新中心,廣西 南寧 530006)

高分子材料在日常生活中屢見不鮮,它們從根本上改變了人類的生活方式及習慣。熱塑性材料通過非共價鍵連接,加熱時形成熔融流體,降溫冷卻后定型形成穩定固體,材料黏度小[1],在低溫定型后可多次加工成型,但在高溫下易發生機械形變與蠕變,這導致材料的耐熱性與剛性較差[2]。熱固性材料的反應位點在高溫時被激活,分子間呈交聯網狀結構,促使交聯密度大大增加,相較于熱塑性材料具有良好的機械性能與熱力學性能[3],但其材料分子間交聯是不可逆過程,可能會造成資源浪費與環境污染,與綠色環保理念發生沖突。類玻璃高分子(Vitrimer)材料則兼具熱固性材料與熱塑性材料的優點,在一定溫度內被交聯網絡所束縛,在外界刺激下Vitrimer共價鍵可發生斷裂與重排,賦予了材料焊接,自修復及加工回收等優異性能,其類型主要包括酯鍵交換[4],二硫鍵交換[5],亞胺鍵交換[6],以及一些其他鍵[7]。出于環保考慮,歐美等發達國家已對降解困難的塑料產品發布“限制令”[8],近年來我國高度重視可再生資源的發展與利用,著重推廣有利于環保事業發展的綠色低碳材料,并將多種生物基材料納入了原材料工業規劃重點任務。生物基材料包括生物基聚合物,生物基納米材料,生物基纖維材料及復合材料[9],生物基材料被應用于生物、化工、材料、醫療保健等方面,未來也必將被更加深入應用到人類日常生活中。隨著人們保護環境的意識進一步提高,將Vitrimer材料的可回收再加工性與生物基材料的可降解性能相結合,制備的生物基Vitrimer材料已成為當下研究熱點。以淀粉、木質素、纖維素、半纖維素、松香、油脂等系列可再生資源為原料制得了高性能、可自修復及回收加工的生物基Vitrimer材料,這既降低了對石化原料的消耗[10],又擴大了生物基資源在涂層[11]、形狀記憶材料[12]和3D打印[13-14]等領域的廣泛應用。

1 生物基類玻璃高分子材料及其發展史

類玻璃高分子(Vitrimer)的概念是由Montarnal等[15]在2011年首次提出,該團隊根據共價可適應網絡(CAN)制備了一種獨特結構的環氧樹脂(圖1)。該樹脂在溫度高于其玻璃化轉變溫度(Tg)時表現得像玻璃一樣“易碎”,故“類玻璃類”一詞由此得來。但由于該環氧樹脂采用的原料來自石油基材料,因此,在后續處理中很難降解且二次加工時的性能不佳。近年來,關于生物基Vitrimer材料的報道已成為高分子材料領域的研究熱點。

圖1 羥基-酯網絡中酯交換過程(酯鍵的斷裂與連接)[15]Fig.1 Transesterification process in hydroxy-ester network[15]

環氧大豆油(ESO)是一種綠色環保的市售植物油。2013年,Altuna等[16]以ESO為原料合成了生物基Vitrimer材料(ESO-CA),在不添加任何催化劑的條件下,ESO與檸檬酸(CA)可進行酯交換反應,生成生物基環氧Virimer材料。CA在80 ℃時會發生解離產生游離質子,使ESO質子化,會選擇性與羧酸根陰離子或水分子發生酯交換反應得到β-羥基酯。實驗表明:該材料在不添加任何催化劑的作用下可發生應力松弛及自修復,160 ℃時可進行二次加工。然而,ESO-CA的自修復效率較低,焊接2 h后該材料的強度僅為0.6 MPa,修復后的黏合強度較差,此應用在之后并無進一步拓展。

Liu等[17]在2017年通過采用不同化學計量比的琥珀酸酐(SA)固化劑與丁香酚環氧樹脂(Eu-EP)制備了一種高生物基含量的Vitrimer材料EU-EP/SA(圖2)。在此基礎上,以氧化木質素衍生物和癸二酸基環氧化合物為原料,在鋅催化劑催化下又制備了一種全生物基含量的Vitrimer材料,并應用于可回收膠黏劑[18]。盡管該生物基Vitrimer材料可與實際應用相結合,但所得材料的機械性能及熱穩定性能還有待進一步提高。

圖2 丁香酚基Vitrimer的合成路線[17]Fig.2 Synthetic route of eugenol-derived vitrimer[17]

近年來,關于生物基Vitimer材料的報道已不限于對其單一性能的研究,如何實現該材料的多功能化成為研究熱點。Li等[19]以合成的桐油基固化劑與商業環氧化樹脂為原料,在催化劑乙酰丙酮鋅的條件下制備了一種集高機械性能、熱穩定性能及優異的動力學性能于一體的桐油基Vitrimer材料,并用于碳纖維復合材料。該材料具有較高的玻璃化轉變溫度(Tg為76 ℃)和力學拉伸性能(60 MPa),以及良好的自修復、形狀記憶及再加工性能,解決了傳統環氧樹脂回收困難且脆性差的缺點,并為碳纖維材料的生物降解及回收提供了一種可能。

隨著研究的不斷深入,如何實現Vitrimer材料功能化并普及到人類的衣、食、住、行中開始成為研究重點。同時,除基于酯交換機制之外,二硫鍵交換,亞氨鍵交換反應的動態Vitrimer研究亦越來越多。

2 基于不同共價鍵制備的生物基Vitrimer

2.1 基于酯交換反應的生物基Vitrimer

酯交換反應是動態共價鍵研究中最常見、應用最廣泛的一類反應,植物油及其衍生物中富含大量酯基、不飽和雙鍵等基團。基于酯交換反應的植物油基Vitrimer材料具有黏度低、脆性大、機械強度低等特性。環氧樹脂中通常含有大量酯鍵,可以與羧基,羥基,氨基發生交換反應,分子間的拓撲網絡結構可進行重排,為酯交換的研究提供了一些便利。

Yang等[20]以價格低廉的ESO和松香衍生物富馬海松酸(FPA)為原料,利用ESO中大量的環氧基團可與羧基基團發生開環反應的特點,制備了一種全生物基Vitrimer材料ESO-FPA。ESO-FPA可實現三重形狀記憶,并在140 ℃時可發生降解以及在180 ℃重新加工成型。這在一定程度上拓展了ESO的商業用途。然而,該材料加工回收后其機械性能較低,拉伸強度僅只有回收之前的30%。

Wu等[21]則以ESO和天然甘草酸(GL)為原料,在無任何外部化學修飾的情況下,以1,5,7-三氮雜二環[4.4.0]癸-5-烯(TBD)為催化劑,制備了一種全生物基ESO/GL Vitrimer材料。該材料具有良好的熱穩定性和機械性能,這可能跟甘草酸獨特的剛性結構有關;同時該Vitrimer材料表現出良好的焊接、修復和形狀記憶功能。值得一提的是,甘草酸還具有抑菌功能, 通過在ESO/GL存在的情況下培養纖維細胞(NIH-3T3),經過24 h后大多數NIH-3T3仍可存活,這說明ESO/GL在新型抗生素[22]領域具有一定的潛在應用。Yang[20]與Wu等[21]雖都選擇了無毒、無害的綠色環保ESO作為合成原料,后者因沒有采用催化劑,故酯交換速率雖較前者遲緩,但其Vitrimer材料表現出了良好的抗菌性與生物相容性。

除上述大豆油基Vitrimer外,桐油(TO)作為耐熱、耐酸、耐堿、耐腐蝕的生物質典型代表,也被廣泛應用于制備Vitrimer材料。Xu等[23]將TO作為原料,經過甲酯化反應,Diels-Alder反應和環氧化反應,合成了桐油基環氧樹脂(TOTGE)(圖3),并在無催化劑的條件下,將TOTGE與固化劑檸檬酸(CA)進行固化交聯得到全生物基Vitrimer(TOTGE-CA)。由于固化劑CA結構中含有大量游離羥基(—OH),在一定溫度下可發揮自催化作用,使材料內部的動態酯鍵與氫鍵更加活躍,Vitrimer表現出良好的熱機械,自修復與形狀記憶功能。TOTGE-CA的剪切強度是ESO/GL[21]的3倍,其分子間具有更高的交聯密度而可作為黏合劑。

圖3 基于酯交換反應的生物基Vitrimer材料桐油基環氧樹脂(TOTGTE)的合成[23]Fig.3 Synthesis of tung oil based epoxy-citric acid(TOTGTE) from bio-based Vitrimer material based on transesterification reaction[23]

基于酯交換反應的生物基Vitrimer報道很多,大多數Vitrimer材料具備某個優異性能,但兼備多種優異性能的Vitrimer的報道并不常見,如何開發出一種基于酯交換反應的并具有良好綜合性能的Vitrimer材料還需深入研究。

2.2 基于二硫鍵的生物基Vitrimer

在Vitrimer體系中,二硫鍵一直是研究的關注重點,由于二硫鍵交換反應簡單可控且反應條件溫和,因此被廣泛地應用于動態共價化學[24]。將二硫鍵小分子引入生物基材料中,可使材料具有可回收,自修復及形狀記憶等功能。

天然橡膠(NR)有著出色的機械性能,環氧天然橡膠是通過在天然橡膠中引入環氧基制得。Imbernon等[25]設計了一種具有再加工能力的環氧天然橡膠(ENR)。Cheng等[26]采用ENR和一種雙官能團(不飽和雙鍵與環氧基團)的聚合物,制備了具有動態二硫鍵及氫鍵的雙交聯自修復ENR。通過將不同結構的芳香族二硫化物(2,2′-二硫代二苯甲酸(DTSA)和4,4′-二硫代二苯胺(DTDA))引入ENR中,制備3種Vitrimer(S-DTSA,S/DTDA和S/DTSA-DTDA)。研究表明,由于二硫鍵交換網絡的存在,這3種Vitrimer都具有一定的自修復功能,但由于交聯密度不足,S-DTSA的拉伸強度僅為4.6 MPa,S/DTDA的拉伸強度雖能達到10.8 MPa,但自修復率僅為64%,這說明高的交聯密度在一定程度上限制了分子鏈的自由運動,阻礙了二硫鍵的交換反應。但是,S/DTSA-DTDA兼具著前兩種Vitrimer體系的優點,不僅有著9.3 MPa的高拉伸強度且修復率也可高達98%。該研究為制備兼顧高拉伸強度與高修復性能Vitrimer提供了一種可行思路,通過構建雙硫鍵交換網絡,有望將自修復橡膠材料工業化。

Ma等[27]利用了一種自制的異山梨醇基(IS)環氧樹脂與含二硫鍵的芳香族二胺(EPO)反應制備了生物基Vitrimer樹脂IS-EPO(圖4),并對比了兩種固化劑(4,4-亞甲基二苯胺(MDA)與4,4-二硫基二苯胺(MDS))與IS-EPO的固化效果。結果表明:所得環氧樹脂都表現出了良好的熱穩定性,由于二硫鍵相對于碳碳鍵表現的更加不穩定,所以MDS-EPO的初始分解溫度低于MDA-EPO的分解溫度。此外,MDS-EPO可以快速松弛而MDA-EPO無法松弛下來,這說明松弛只限于二硫鍵的交換反應,并且二硫鍵的交換速率隨著弛豫率的升高和溫度的升高而增加。MDS-EPO雖擁有著良好形狀記憶與回收加工功能,但由于二硫鍵的存在,其穩定性并不能與傳統的碳碳鍵結構相媲美,因此,尋找提高二硫鍵結構穩定性的方法將變得尤為重要。

圖4 基于二硫鍵的生物基Vitrimer材料異山梨醇基環氧樹脂-芳香族二胺(IS-EPO)的合成[27]Fig.4 Bio-based Vitrimer material based on disulfide bond synthesis of isosorbide based epoxy resin-aromatic diamine(IS-EPO)[27]

對植物油基環氧樹脂的改性一直是Vitrimer材料研究的熱點。Liu等[28]采用4-4’-二硫代二苯胺(APD)作為固化劑對ESO進行無催化劑固化,得到環氧大豆油Vitrimer(ESOV),實驗中探討了固化溫度及固化時長對交聯密度的影響。根據凝膠含量的變化最終選擇180 ℃作為反應溫度,ESOV隨著固化時長的增加表現出更高的交聯密度,但是,過長時間的固化會導致ESOV的表面被氧化,顏色逐漸變深,這并不利于后期樹脂的測試與保存。ESOV的焊接性能也十分優異,焊接樣品與原樣品的拉伸強度幾乎相當。由此可見,基于雙硫鍵的ESO衍生Vitrimer由于其優異性能在生物基智能材料方面具有巨大潛力。

基于動態雙硫鍵的交聯網絡雖易于發生交換反應,但仍存在一些不足,相對于酯鍵來說,二硫鍵固化時間要更長且二硫化物往往具有一定刺激性氣味,二硫化合物的市售價格也比一般化合物昂貴。

2.3 基于席夫堿的生物基Vitrimer

亞氨鍵(席夫堿結構)是繼酯鍵、二硫鍵之外的第三種動態鍵,亞氨基團因其結構的動態多樣性,在空間網絡中的交換通常要比酯鍵與二硫鍵更加快速,已有大量關于亞胺聚合物在無催化劑條件下的可回收降解聚合物的報道。

中科院寧波材料所利用木質素衍生物香草醛合成了一種新型三醛基單體(TFMP),并將這種席夫堿單體與3種不同的二胺(MDA、六亞甲基二胺(HMD)和4,4-二氨基二環己基甲烷(PACM))固化交聯得到3種不同的生物基席夫堿Vitrimer(TFMP-M、TFMP-P、TFMP-H)。所得3種Vitrimer都表現出了優異的機械強度,其中TFMP-M的拉伸強度(69 MPa)要優于TFMP-P(54 MPa)與TFMP-H(35 MPa),說明TFMP-M具有更穩固的剛性結構,這可能是因為MDA與TFMP能形成更加穩定的交聯強度,并且這3種Vitrimer材料都具備了優異的阻燃性能,其極限氧指數都至少達到29%,在燃燒實驗中TFMP-M因其內部具有苯環結構表現出了UL-94 V-0的超高耐火性能[29]。

Geng等[30]制備了另一種含有香草醛骨架的生物基Vitrimer(圖5)。在亞胺鍵的快速交聯過程中,考慮反應的可逆平衡及產物的穩定性,研究都是采用具有苯環的芳香胺來構建動態網絡結構。該研究將合成的香草醛基單體與脂肪族胺交聯形成動態亞胺網絡,亞氨鍵的引入賦予了Vitrimer自修復、回收再加工及酸水解等性能。該工作的特色之一是席夫堿材料在經過3次熱加工循環后,其拉伸強度和斷裂伸長率仍幾乎保持不變,這為今后設計多次回收再加工和可自愈的新型類玻璃材料提供了思路。

圖5 基于席夫堿的生物基Vitrimer材料的合成路線[30]Fig.5 Synthesis route of biobased Vitrimer material based on Schiff base[30]

Dhers等[31]合成了一種全生物基聚亞胺Vitrimer,以生物基呋喃二醛為原料和脂肪酸二胺或三胺進行反應制備Vitrimer,通過應力松弛和蠕變測試證明了聚亞胺結構的存在。Vitrimer在室溫附近可快速松弛,證明了亞氨鍵可快速交換,這也是基于席夫堿的全生物基Vitrimer的首次報道。

亞氨鍵是眾多化學鍵中活性較強且交換速率快的一種常見共價鍵,同時因其合成工藝便捷,原料來源豐富及抗菌防腐的優勢深受科研工作者的喜愛,但亞胺結構的穩定性較差,在合成過程中易發生副反應,故基于亞氨鍵合成的Vitrimer材料在性能上可能有一定損失。

2.4 基于其他交換鍵的生物基Vitrimer

隨著對Vitrimer體系的深入研究,基于其他可交換共價鍵的Vitrimer也相繼被發現。

Ying等[32]報道了一種基于位阻脲鍵(HUB)的可再加工聚氨酯彈性體,與其他動態共價鍵相比,HUB的結構簡單,可在溫和、無催化劑的條件下產生動態結構。Zhang等[33]通過蓖麻油與N,N-二甲基苯胺之間的兩步反應,制備了一系列基于阻脲鍵和氫鍵的生物基Vitrimer(HUBS)。在溫度較低時,HUBS的松弛時間較長,這可能是因為低溫的凍結結構抑制了阻脲鍵的動態交換,當溫度升高至100 ℃時,HUBS因形變引起的內應力增大可快速松弛。此外,由于HUBS中含大量的位阻脲鍵與柔性脂肪酸鏈,材料表現出優異的雙重記憶特性。

為解決制備HUBS過程中需采用有毒的異氰酸酯以及解離出來的酰胺鍵(NCO)易水解等問題,張金帥[34]又研究了一種基于鄰位催化和位阻酰胺鍵的桐油基Vitrimer,因酰胺-羧酸鹽鍵(TBCB)受鄰位羧酸鹽和叔丁基位阻的共同作用,在溫和無催化條件下即可快速的解離或交換,從而賦予材料自修復、回收再加工的性質[35]。TBCB和HUB的動態交換雖能實現熱修復和物理回收,但都不可光回收和光修復,這就大大限制了光敏性Vitrimer某些性能的發揮。

除上述3種常見的動態交換鍵外,更有不計其數的可逆反應已被發現或正在研究中,利用動態共價鍵設計出來的Vitrimer高分子聚合物數不勝數,人們對動態共價鍵的研究達到了一個新的輝煌時期。

3 生物基Vitrimer材料的應用

生物基Vitrimer材料因具有可焊接、可塑性、可回收、可降解、可形狀記憶及可自我修復的優點已被大量報道。棕櫚油[35]、蓖麻油[36]、桐油[37]等可再生植物油制備的Vitrimer材料可被廣泛應用到紡織服裝業與食品加工業;香蘭素[38]、松香[39]等生物質資源制得的Vitrimer產品在生物醫療3D打印技術、碳纖維復合材料和彈性玻璃體改性上也均有較多應用。

3.1 三維打印材料

三維(3D)打印(即增材制造)是一種先進的制造技術,其可以根據計算機上的數字3D模型生成具有復雜層結構的物體[40]。動態共價鍵賦予了3D打印材料新的特性,彌補了傳統3D打印剛性不強、資源浪費和功能單一的不足。Durand-Silva等[41]探討了一種具有丙烯酸酯結構的呋喃-馬來酰亞胺 Diels-Alder(fmDA)光敏性樹脂的性能。采用生物基丙烯酸與低聚物自由聚合,加入引發劑配制了具有動態共價鍵的樹脂,并使用立體光刻外觀(SLA)打印技術對樹脂進行打印,結果表明該樹脂無需后續加工操作即可輕松3D打印。

伴隨著3D打印技術的革新和更替,數字光處理(DLP)3D打印要比立體光刻外觀(SLA)3D打印在精度和速度上更具優勢。Choi等[42]介紹了一種基于DLP的新型3D打印樹脂,采用α-硫辛酸酯化引入線性聚乙二醇(PEG),以苯基二氧化磷(即2,4,6-三甲基苯甲酰基,BAPO)作為光引發劑與乙二醇-二丙烯酸酯(PEG-DiAC)聚合得到生物基打印樹脂(PEG-LA),PEG-LA樹脂中加入了二硫動態鍵,這些二硫動態鍵在高溫或紫外光條件下可發生斷裂重排,有利于后續的3D打印。該研究擴大了DLP的打印性能范圍,并為光敏制造材料提供了一條可行思路。

3.2 碳纖維復合材料

碳纖維復合材料被廣泛應用于輕型和高性能材料的應用中。這類材料具有重量輕、強度高但價格昂貴且難以回收的特點。為解決這些問題,研究人員結合動態共價鍵與生物基資源制備了碳纖維復合材料,不僅可以降低成本,且能提高材料性能。

Liu等[43]利用ESO,香草醛和4-氨基苯酚作為原料合成了兩種基于席夫堿的生物基環氧Vitrimer(ESO-VA和ESO-DHM),這2種Vitrimer材料均表現出了良好的機械性能、熱穩定性及回收加工性能。將ESO-VA、ESO-DHM分別摻入碳纖維織物(CF)制備了ESO-VA-CF和ESO-DHM-CF兩種碳纖維復合增強材料,其中ESO-VA-CF的抗拉強度(145.4 MPa±17.1 MPa)與楊氏模量(1.18 GPa±0.14 GPa)相較于ESO-VA得到了巨大的提升,抗拉強度是原來的18.8倍,楊氏模量更是提高到了原來的28.5倍,這是由ESO-VA網絡中含有大量的剛性結構所致。此外,由于復合材料中含有大量席夫堿結構, Vitrimer材料不僅可以發生亞氨鍵的交換反應,在酸性條件下還可以發生亞胺鍵的水解反應。該研究為復合材料的回收再利用提供了一種新思路。

傳統環氧樹脂因其獨特的三維空間結構,用環氧樹脂摻入的碳纖維材料很難進行降解和回收,故制備可降解回收的環氧碳纖維復合材料成為研究熱點。Liu等[44]報道了一種基于亞氨鍵的可降解生物基Vitrimer。以生物基資源香草醛,1,6-乙二胺和間苯二甲胺為原料合成了2種基于亞氨鍵的固化劑(Van-H-OH和Van-M-OH),分別與環氧樹脂雙酚A二縮水甘油醚(DGEBA)固化得到兩種生物基Vitrimer材料(VHP和VMP),并制備了CF/VHP和CF/VMP高強度復合材料。結果表明:CF/VMP和CF/VHP都表現出優異的拉伸強度(622和584 MPa)、楊氏模量(19.3和19.4 GPa)和較小的斷裂伸長率(4.01%和4.06%)。在弱酸性條件下,由于亞氨鍵的存在使兩種纖維材料具備一定的降解能力。此外,材料在受到外力時,Vitrimer基體與碳纖維材料間具有良好的濕潤性,材料在受到壓力時可迅速擴散轉移,這有利于延長材料的使用壽命。

碳纖維復合材料正隨著科技的進步逐漸多元化和產業化,將生物基資源和Vitrimer獨特優勢結合,在碳纖維材料未來發展研究中將具有巨大意義。

3.3 彈性體材料

傳統意義上的橡膠是一種熱固性彈性體,在受外力時彈性體會發生明顯形變,去除外力時彈性體又可快速回彈[45]。彈性體材料在工業生產、醫療應用及消耗品產業有著廣泛應用[46]。使用生物基為原料制備彈性體有利于環境的保護及后續垃圾的處理。

Salaeh等[47]以二聚脂肪酸(DFA)作為交聯劑與環氧天然橡膠(ENR50)進行開環反應生成β-羥基酯鍵,并研究了不同含量的DFA對生物基彈性體Vitrimer的影響。研究結果表明:與DFA交聯的ENR50具有相對較低的拉伸強度(僅0.85 MPa),但斷裂伸長率可超過1 000%,這表明交聯后的彈性體具有良好的延展性。隨著DFA中—COOH含量的增加,彈性體的斷鏈伸長率逐漸降低,原因可能是高交聯密度的ENR50分子活動受限。用DFA交聯的ENR50生物基彈性體因在高溫下可以發生酯交換反應,彈性體具有可焊接及修復等多種功能,這對開發新型可再生Vitrimer彈性體具有重要意義。

除了利用DFA來改性彈性體樹脂外,Liu等[48]等提出了一種由三重動態共價鍵(硼氧烷,二硫鍵,亞氨鍵)組成的交聯劑(FDP)來改性環氧天然橡膠彈性體(ENR)的方法。同時還制備了兩種無二硫鍵(FWD)與無亞氨鍵(FWI)的交聯劑,研究發現:3種交聯劑對ENR都具有良好的混溶性,在ENR中并無分相的跡象,但FDP因具有獨特的網絡結構相較于其他兩種交聯劑有著更加優異的表現。一般情況下,二硫鍵與亞氨鍵的協同作用可更好地讓交聯網絡在65 ℃左右下重排[49],而硼氧烷由于鍵能較低可發生可逆交換[50]。實驗表明:FDP交聯劑的引入使橡膠彈性體具有足夠的三重共價鍵與交聯密度,當網絡中缺失二硫鍵時,改性ENR彈性體的自愈效果顯著降低(由97%下降至72%),當缺失亞氨鍵時,彈性體修復效果也下降到88%。隨著溫度的升高與時間的推移,3種可逆共價鍵的協同作用使FDP改性的ENR材料修復效果越來越好,這也為其他材料的改性提供了一種策略。

4 總結與展望

生物基Vitrimer材料內部富含活潑的動態共價鍵,故受到眾多科研工作者的青睞與追捧。這些化學鍵在受到外界刺激時快速交換,改變其拓撲結構,從而賦予了材料良好的動態性能。另一方面,采用綠色環保的生物基原料代替石油基資源,大大降低了資源的浪費與環境的污染。文章對生物基Vitrimer材料的發展制備及應用進行綜述。由綜述可知,通過對生物基Vitrimer材料性能的深入研究、應用領域的拓展、高性能與多功能性的平衡問題的解決以及與其他材料的復合應用的探索,這類材料將為我們的衣食住行提供更廣泛的便利和服務,促進社會的可持續發展。盡管如此,目前生物基Vitrimer仍存在較多問題尚未解決:Vitrimer材料的某些特定的性能要求可能會犧牲其他功能,因此需要進行權衡和平衡;某些生物基原料的價格較高,限制了Vitrimer材料在商業上的發展。大部分生物基Vitrimer研究的重點還停留在材料性能與回收加工上,對于材料的具體應用及功能化方面還有較大的提升空間,仍處探索階段。未來的研究可以進一步深化對生物基Vitrimer材料性能的理解,探索新的應用領域,并尋求解決其制備過程中的挑戰,從而進一步提升其實用性和經濟可行性。同時關注原料的可持續性和環境友好性,以確保生物基Vitrimer材料的生產與應用符合可持續發展的原則。