文档介绍：自修复超分子材料
摘要:针对材料使用期限要求的增加,以及材料微观损伤难以检测,人们提出了自修复超分子材料的概念,本文先对自修复超分子材料进行了基本的介绍,再综述了近年来基于氢键;离子键;金属键;π-π堆砌作用的自修复材料的研究进展,并展望其发展方向。
关键词:自修复超分子氢键
前言
“资源问题”是人类目前面对的日益严重的问题之一,对于这个问题的解决一般有两个方法,即开源节流,所谓开源就是发展和发现新材料以代替目前所用的材料,减少对目前材料的依赖程度,而节流则是增加材料的使用期限,使材料更换速度减缓,因此自修复材料的概念孕育而生[1-3]。所谓自修复材料是指这样一种材料,当材料的损伤发生时,这些损伤能反过来刺激材料的材料进行自我修复[4]。
为了实现自修复,研究者们提出了以下几种方案来实现材料的自修复,一个简单的方法来实现热塑性材料的损伤就是将材料的损伤部位加热或者溶于适当的溶剂之中,使材料表面重排、分子链重新缠结[5]。而这种方法的最大缺陷就是修复过程非常慢,并且对于复合材料非常的不用[6]。另一个方法就是制作核壳结构的材料,壳为聚合后的材料,而核则为材料的单体,当材料的损伤发生时,核中的单体能流出来再发生聚合作用,从而修复损伤部位[7]。尽管这种方法可以快速实现材料的修复,但是随着材料修复次数的增加,核中的单体材料逐渐减少,材料的自修复能力就随之减弱。为了解决这些问题,研究者们利用了超分子键之间形成的网络来实现材料的自修复[8],[9]。超分子自修复材料的的概念是利用非共价键形成交联网络,当材料受到损伤时,非共价键之间通过重新的排列达到动力学平衡,从而修复受损的材料部位[10]-[15]。
实现材料的自修复的超分子键主要有4种,如图1所示,即①氢键;②离子键;③金属键;④π-π堆砌作用。而现阶段发现的基于上述四种键的材料分子分别列于表1中。对于自修复超分子材料的修复机理可用超分子的动力学特征来解释。对于特定的超分子键,一般都包含两种互补的基团A和基团B,A和B可能存在的结合方式如图2所示。除了形成A-B键之外,每个基团之间还可能形成二聚体,A-A和B-B。且每种组分在材料中都是动力学平衡的,以K
assn表征A-B之间的缔合常数,以Kdim表征A-A和B-B之间的二聚常数。由于超分子间的Kassn(通常为103-1012M-1)相对于Kdim(通常小于100M-1)较大,因此分子之间的二聚通常不被考虑。当超分子材料受到损伤时,材料损伤处表面的Kassn平衡被打破,
Figure 1 . work formation via ( i ) hydrogen bonding,
( ii ) ionomers,( iii ) metal bonding, or ( iv ) π–π stacking.
Figure 2. Mode of aggregation in solution for supramolecular groups A and B
因此,当材料再被加热或糅合在一起时,分子之间的超分子键通过重新结合,将破损处的表面再次缝合在一起。但材料破损后应当及时进行修复,否则损坏处的超分子键通过自身的重排,再次在各自的区域重新达到平衡,此时材料破损处已无未结合的基团A或B,因此无法再进行修复。
在自修复超分子材料中,研究材料