违反直觉！弱键使聚合物强度提高 10 倍！
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传统方法在增强聚合物强度方面存在局限性，改变材料强度通常会牺牲其他物理性质。因此，需要创新的解决办法来克服这一问题。
鉴于此，近期由麻省理工学院（MIT）和杜克大学的教授研究小组在
《Science》
上发布了题为“
Facile mechanochemical cycloreversion of polymer cross-linkers enhances tear resistance”
的研究成果。
本研究的目标是通过引入较弱的化学键来增强聚合物的强度。研究人员假设，通过添加较弱的连接剂，可以显著提高聚合物材料的抗撕裂性能，而不会影响其他物理性质。研究采用了一种名为聚丙烯酸酯弹性体的聚合物，并发现只需使用较弱的交联剂连接部分聚合物构建块，就可以将材料的抗撕裂性提高十倍。这一突破性发现可能对提高橡胶轮胎的使用寿命和减少微塑料污染等方面产生重大影响。
基于环丁烷基机械载体交联剂突破了力触发的裂环，导致聚合物网络的强度是传统类似物的九倍。这种反应归因于长而强的主聚合物链和交联剂裂解力的结合。增强的韧性没有与非共价交联相关的滞后现象，而且在两种不同的丙烯酸酯弹性体中，在疲劳和恒定位移速率张力中，以及在凝胶和弹性体中都观察到了这种韧性。
这一突破性发现可能对提高橡胶轮胎的寿命和减少微塑料污染等方面产生重大影响。通过向聚合物网络添加较弱的连接剂，材料的抗撕裂性能极大地增强。通过聚丙烯酸酯弹性体的聚合物进行研究，并发现仅通过使用较弱的交联剂将一些聚合物基元连接起来，就可以将材料的抗撕裂性能提高多达十倍。这些类似橡胶的聚合物常用于汽车零部件，并且通常用作3D打印对象的“墨水”。研究也正在探索将这种方法扩展到其他类型的材料，例如橡胶轮胎。如果能使橡胶轮胎的抗撕裂性能提高十倍，那将极大地延长轮胎的使用寿命，并减少由此产生的微塑料废物。
这种聚合物网络在拉伸时，较弱的交联键（蓝色）比任何强聚合物链更容易断裂，从而使裂纹难以在材料中传播。这种方法的一个重要优势是它似乎不会改变聚合物的其他物理性质。“聚合物工程师知道如何制造更坚固的材料，但往往需要改变其他不希望改变的属性。在这里，增强韧性并没有显著改变材料的其他物理性质，至少在我们可以测量的范围内，并且仅通过替换整体材料中的一小部分来实现。”聚丙烯酸酯弹性体是由丙烯酸酯链条通过连接分子结合在一起形成的聚合物网络。这些构建单元可以以不同的方式连接在一起，从而创造具有不同性质的材料。
在本研究中，通过
引入较弱的化学键是一种有效的方法来增强聚合物的强度。这种方法可以提高材料的抗撕裂性能而不影响其他物理性质。未来研究可探索这种方法在其他材料中的应用，并寻求进一步优化和利用这种增强效果。
Facile mechanochemical cycloreversion of polymer cross-linkers enhances tear resistance” by Shu Wang, Yixin Hu, Tatiana B. Kouznetsova, Liel Sapir, Danyang Chen, Abraham Herzog-Arbeitman, Jeremiah A. Johnson, Michael Rubinstein and Stephen L. Craig, 22 June 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.adg3229
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