近日，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種減少聚合物中環(huán)數(shù)的新方法。 該方法可以為工業(yè)上有用的材料的制造商如塑料或凝膠的制造商提供一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)加強(qiáng)其材料。
 

 

麻省理工新方法控制循環(huán)生產(chǎn)更強(qiáng)聚合物

簡(jiǎn)單的技術(shù)減少了會(huì)削弱塑料和橡膠等材料的循環(huán)。塑料，橡膠和許多其他有用的材料由聚合物—長(zhǎng)鏈排列在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成。 在分子水平上，這些聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)削弱它們。

幾年前，麻省理工學(xué)院的研究人員首先對(duì)某些類型的這些缺陷進(jìn)行了測(cè)量，這些缺陷稱為“環(huán)路”，是當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)鏈與自身而不是另一個(gè)鏈結(jié)合時(shí)引起的?，F(xiàn)在，同樣的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)減少聚合物網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)的數(shù)量，從而增強(qiáng)了由聚合物制成的材料。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員簡(jiǎn)單地將聚合物網(wǎng)絡(luò)的一種組成成分緩慢地添加到大量的第二組分中。使用這種方法，他們能夠在各種不同的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將環(huán)路數(shù)量減少一半。 這可以為工業(yè)上有用的材料的制造商如塑料或凝膠的制造商提供一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)加強(qiáng)其材料。

Firmenich職業(yè)發(fā)展副研究員麻省理工學(xué)院化學(xué)副教授Jeremiah A. Johnson說(shuō)，“只要改變你將一個(gè)組件添加到另一個(gè)組件的速度，你就可以改善機(jī)械性能。

麻省理工學(xué)院研究生 Yuwei Gu 是本文的******作者，于4月24日發(fā)表在國(guó)家科學(xué)院院刊上。其他作者是麻省理工學(xué)院化學(xué)工程副教授Bradley Olsen; 麻省理工學(xué)院研究生Ken Kawamoto; 前麻省理工學(xué)院博士后Mingjiang Zhong ， Mao Chen; 凱斯西儲(chǔ)大學(xué)助理教授Michael Hore; 凱斯西儲(chǔ)大學(xué)研究生Alex Jordan;前麻省理工學(xué)院客座教授和凱斯西儲(chǔ)大學(xué)副教授LaShanda Korley。

控制循環(huán)

2012年，Johnson的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了******種測(cè)量聚合物網(wǎng)絡(luò)中環(huán)路數(shù)量的方法，并通過(guò)Olsen的理論預(yù)測(cè)驗(yàn)證了這些結(jié)果。研究人員發(fā)現(xiàn)，根據(jù)起始材料中的聚合物鏈的濃度和其他因素，環(huán)路可約占網(wǎng)絡(luò)百分之九至百分之百。

幾年后，Johnson和Olsen開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算削弱材料的循環(huán)的方法。在***新的工作中，他們著手于減少環(huán)路形成，并且在不改變材料組成的情況下實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。

Johnson說(shuō)：“我們?yōu)樽约涸O(shè)定的目標(biāo)是將相同的前體材料用于一種經(jīng)常使用的材料，并且，在相同的條件和相同的濃度下使用相同的前體，使材料的循環(huán)量減少”。

在本文中，研究人員首先著重于一種被稱為星形聚合物網(wǎng)絡(luò)的聚合物結(jié)構(gòu)。這種材料有兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)單元：一個(gè)稱為“B4”的四個(gè)相同臂的星形，一個(gè)稱為“A2”的鏈，A2的每個(gè)分子都附著在B4的其中一個(gè)臂的末端。 然而，在典型的合成過(guò)程中，當(dāng)一切都被立即混合在一起時(shí)，一些A2鏈***終結(jié)合到兩個(gè)B4臂中，形成一個(gè)環(huán)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將B4緩慢添加到A2的溶液中，則B4的每一個(gè)臂將與單個(gè)A2分子快速反應(yīng)，因此A2的形成循環(huán)的機(jī)會(huì)較少。

在緩慢加入一半的B4溶液幾個(gè)小時(shí)后，他們一次加入了后半部分，星形亞單元連接在一起形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種材料大約占使用傳統(tǒng)合成工藝生產(chǎn)的相同材料的環(huán)路的一半。

Johnson說(shuō)，根據(jù)原材料中回路的數(shù)量，這種“慢而快”的方法可以將材料的強(qiáng)度提高至600%。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)化學(xué)教授Krzysztof Matyjaszewski說(shuō)，“基于緩慢交聯(lián)劑的添加的這種非常簡(jiǎn)單的巧妙而強(qiáng)大的方法減少了分子內(nèi)環(huán)化并明顯優(yōu)化了聚合物網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械性能。”

更好的產(chǎn)品

研究人員還嘗試了這種技術(shù)與四種其他類型的聚合物網(wǎng)絡(luò)合成反應(yīng)。他們不能測(cè)量所有類型聚合物的環(huán)路數(shù)，但是它們?cè)诓牧系膹?qiáng)度方面也發(fā)現(xiàn)了類似的改進(jìn)。

這種方法可能有助于提高由凝膠或其他交聯(lián)聚合物制成的任何材料的強(qiáng)度，包括塑料，水凈化膜，環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑或水凝膠如隱形眼鏡。

Johnson實(shí)驗(yàn)室正在研究將此方法應(yīng)用于各種材料，包括用于生長(zhǎng)組織工程細(xì)胞的凝膠。