顆粒在線訊：人類(lèi)對(duì)塑料的需求正在以驚人的速度增長(zhǎng)。與此同時(shí)，由塑料的大規(guī)模生產(chǎn)和不受控制的處置引起的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題正變得越來(lái)越嚴(yán)重，這使得塑料的可持續(xù)性成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，研究人員主要集中在機(jī)械/化學(xué)回收、可降解聚合物的開(kāi)發(fā)和生物基材料的利用上，而對(duì)于可持續(xù)塑料的研發(fā)關(guān)注較少。目前，塑料加工主要通過(guò)溫度控制進(jìn)行，這通常涉及惡劣的條件、復(fù)雜的機(jī)器和高能耗。受聚合物加工中增塑劑的啟發(fā)，聚合物基體中增塑劑的存在會(huì)削弱聚合物鏈之間的分子相互作用從而促進(jìn)加工過(guò)程，塑料的環(huán)保加工可以在“綠色環(huán)?！钡膸椭聦?shí)現(xiàn)。盡管如此，現(xiàn)階段制備的塑料難以形成復(fù)雜的形狀且機(jī)械強(qiáng)度較差。因此，構(gòu)建同時(shí)具有任意形狀和卓越機(jī)械性能的可持續(xù)塑料仍然極具挑戰(zhàn)性。

鑒于此，東華大學(xué)武培怡教授和侯磊副研究員通過(guò)引入超分子類(lèi)塑料水凝膠（SPH）制造了具有超高剛度和強(qiáng)度以及水輔助任意成形能力的可持續(xù)塑料。透明塑料由纖維素醚/聚羧酸復(fù)合物的SPH制成，具有高達(dá)3.4 GPa的楊氏模量和高達(dá)124.0 MPa的拉伸強(qiáng)度，優(yōu)于或可與大多數(shù)常見(jiàn)塑料相媲美。同時(shí)，通過(guò)對(duì)具有多種2D/3D形狀和結(jié)構(gòu)的SPH進(jìn)行空氣干燥，可以可逆地設(shè)計(jì)塑料的形狀，這些SPH可以通過(guò)折紙、剪紙、壓花等方式方便地生成，這得益于塑料的塑性變形和形狀記憶效應(yīng)。作者在多維紅外光譜分析的基礎(chǔ)上，揭示了塑料中致密的酸-酸和酸-醚氫鍵網(wǎng)絡(luò)是機(jī)械強(qiáng)度的原因，而水-聚合物氫鍵向聚合物的演變-空氣干燥過(guò)程中的聚合物氫鍵有助于形狀固定。這項(xiàng)工作提供了一種制造可持續(xù)塑料的新方法，該方法同時(shí)具有強(qiáng)大的機(jī)械性能和從具有類(lèi)似塑料機(jī)械行為的水凝膠的方便加工性。相關(guān)工作以“Hydrogen-Bonding Affords Sustainable Plastics with Ultrahigh Robustness and Water-assisted Arbitrarily Shape Engineering”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上。

SPHs的合成和表征

首先，通過(guò)甲基纖維素（MC）/MAA復(fù)合物中甲基丙烯酸（MAA）的原位自由基聚合制備了一系列透明的SPH，并通過(guò)氫鍵和疏水相互作用穩(wěn)定（圖1）。MC/MAA配合物以MC1/MAAm的形式提供，m代表配合物中的MAA/MC重量比。室溫下MC/聚（甲基丙烯酸）(PMAA) SPH的拉伸結(jié)果表明SPH處于玻璃態(tài)。不同成分的MC/PMAA SPH在可見(jiàn)光區(qū)域都具有高度透明性。SPH中聚合物鏈之間的氫鍵和疏水相互作用足以抵抗溶脹。此外，通過(guò)拉伸試驗(yàn)評(píng)估了 MC/PMAA SPHs的機(jī)械性能（圖2）。所有SPH均顯示出顯著的機(jī)械強(qiáng)度，拉伸斷裂應(yīng)力(σb)在12.4至22.6 MPa范圍內(nèi)。厚度為400μm、寬度為8cm的MC1/PMAA2.5 SPH可以承受4 kg的重量而不會(huì)失效。此外，所有凍干水凝膠均表現(xiàn)出具有片狀形態(tài)的致密結(jié)構(gòu)，這可能源于：（1）MC/MAA復(fù)合物形成過(guò)程中的相分離；(2)復(fù)合物壓縮后MAA的原位聚合。

圖1 SPHs的合成路線

圖2 SPHs的性能表征

SPH的可持續(xù)加工

SPH作為前體可以很容易地加工成具有各種二維(2D)和三維(3D)形狀的超分子MC/PMAA塑料，這僅包含兩個(gè)步驟：(1)將SPH編程為所需的形狀和(2)在室溫下對(duì)成型的SPH進(jìn)行空氣干燥。為了更好地演示，水凝膠用分散紅1染色，如圖3所示。SPH帶可以固定成不同的形狀，如螺旋形、長(zhǎng)凳形和“M”形，在風(fēng)干后可以保持。形狀形成過(guò)程是可逆的，這些形狀可以在重新浸入水中后任意相互轉(zhuǎn)換，證明了用水進(jìn)行塑料加工的可持續(xù)性。制備的塑料堅(jiān)硬而堅(jiān)固，σb范圍為35.3至124.0 MPa，比報(bào)道的水加工塑料更強(qiáng)，也優(yōu)于或媲美常用塑料。MC/PMAA塑料機(jī)械性能的內(nèi)部相互作用表明，表明MC和PMAA鏈之間存在H鍵相互作用（圖4）。

圖3 SPH的可持續(xù)加工

圖4塑料內(nèi)部相互作用表征

塑料的加工和回收

塑料的機(jī)械行為賦予SPH在溫和條件下塑性成形，為具有廣泛設(shè)計(jì)形狀和結(jié)構(gòu)的塑料提供可持續(xù)的加工方法（圖5）。因此，在空氣干燥后獲得3D結(jié)構(gòu)塑料，借助壓花可以在塑料上印刷不同的圖案，通過(guò)剪紙可以生成具有復(fù)雜3D形狀的塑料。由于超高剛度和形狀工程，超分子MC/PMAA塑料在用作體外石膏替代品方面具有巨大潛力。基于塑料的超分子結(jié)構(gòu)，通過(guò)氫鍵動(dòng)態(tài)交聯(lián)，MC/PMAA塑料可以在水和熱的存在下回收利用?？梢酝ㄟ^(guò)三個(gè)步驟進(jìn)行重塑：（1）將塑料浸入水中以提供SPH；(2)通過(guò)折紙、剪紙、壓花等將SPH編程為所需的形狀。(3)在環(huán)境條件下對(duì)成型的SPH進(jìn)行空氣干燥。由于中間SPH的塑性變形和形狀記憶特性，通過(guò)這種水硬化方法可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)熱處理不易產(chǎn)生的復(fù)雜形狀。

圖5塑料的加工和回收

小結(jié)：作者報(bào)告了一種新開(kāi)發(fā)的具有超高剛度和強(qiáng)度的可持續(xù)塑料，以及超分子類(lèi)塑料水凝膠（SPHs）的水輔助任意成型能力，提供了一種高性能塑料的環(huán)保加工方法。塑料源自具有致密鏈間/鏈內(nèi)氫鍵和致密微觀結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合物，這有助于塑料具有出色的機(jī)械強(qiáng)度。楊氏模量高達(dá)3.4 GPa，拉伸斷裂應(yīng)力高達(dá) 124.0 MPa。塑料可以很容易地加工成不同的2D/3D形狀。此外，超分子結(jié)構(gòu)使塑料易于回收。SPH將為制造具有環(huán)保加工、任意形狀、高機(jī)械性能和回收能力的可持續(xù)塑料提供一個(gè)有效的平臺(tái)。