Dynamic Mechanical Properties of Self-Assembled Bottlebrush Polymer Networks
Dynamic Mechanical Properties of Self-Assembled Bottlebrush Polymer Networks
复制标题
自组装洗瓶刷聚合物网络的动态机械性能
DOI：
10.1021/acs.macromol.2c01204
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
5.5
通讯作者：
Cai, Li-Heng
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Nian, Shifeng;Cai, Li-Heng
我们系统地研究了成分对线性-洗瓶刷-线性三嵌段共聚物自组装洗瓶刷聚合物网络动态机械性能的影响。我们固定了洗瓶刷的分子结构，该结构由 51 个 5 kg/mol 的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）侧链组成，分子量为 255 kg/mol，并且仅增加线性聚（甲基丙烯酸苄酯）（PBnMA）嵌段的体积分数。随着 f 从 0.05 增加到 0.41，室温下的网络剪切模量从 ~4 kPa 增加到 ~100 kPa。然而，根据网络形态，Gandf 之间的关系表现出两种状态。 (i) 对于球体形态，G 几乎是一个常数；然而，由于循环的比例很大，Gi 的绝对值约为 PDMS 洗瓶刷矩阵刚度 Gm 的 40%。 (ii) 对于圆柱体形态，对于由末端 PBnMA 块形成的玻璃状圆柱体，G 缓慢增加，但仍比 109Pa 低近 4 个数量级。我们通过将聚合物建模为由随机取向的晶粒组成的多晶材料来解释这种显着的行为，并且每个晶粒都是纤维增强复合材料。我们提出了一种改进的 Halpin-Tsai 模型来描述这种多晶材料的剪切模量：G=Gm(1+zef)/(1–f)，其中 ze 是一个可调参数，描述相对于纤维直径的晶粒尺寸。高于端嵌段的玻璃化转变温度时，玻璃纤维对网络模量的增强作用减弱，使得G成为基体刚度的常数。我们的研究结果不仅揭示了以前未探索过的自组装洗瓶刷聚合物网络的分子-结构-性能关系，而且还提供了一类新型柔软、无溶剂、可再加工的聚合物材料，具有广泛的可控刚度。
We systematically investigate the effects of composition on the dynamic mechanical properties of bottlebrush polymer networks self-assembled by linear–bottlebrush–linear triblock copolymers. We fix the molecular architecture of the bottlebrush, which consists of 51 poly(dimethyl siloxane) (PDMS) side chains of 5 kg/mol and has a molecular weight of 255 kg/mol, and increase only the volume fractionfof the linear poly(benzyl methacrylate) (PBnMA) blocks. Asfincreases from 0.05 to 0.41, the network shear modulusGat room temperature increases from ∼4 to ∼100 kPa. Yet, depending on the network morphology, the relation betweenGandfexhibits two regimes. (i) For sphere morphology,Gis nearly a constant; yet, because of a large fraction of loops, the absolute value ofGis about 40% of the stiffnessGmof the PDMS bottlebrush matrix. (ii) For cylinder morphology,Gincreases slowly withfbut remains nearly 4 orders of magnitude lower than 109Pa for the glassy cylinders formed by the end PBnMA blocks. We explain this remarkable behavior by modeling the polymer as a polycrystalline material consisting of randomly oriented grains, and each grain is a fiber-reinforced composite. We propose a modified Halpin–Tsai model to describe the shear modulus of such a polycrystalline material:G=Gm(1+ζf)/(1–f), in which ζ is an adjustable parameter that describes the grain size relative to the fiber diameter. Above the glass-transition temperature of end blocks, the reinforcement to network modulus from the glassy fibers diminishes, such thatGbecomes a constant of the matrix stiffness. Our results not only reveal previously unexplored molecule–structure–property relations of self-assembled bottlebrush polymer networks but also provide a new class of soft, solvent-free, and reprocessable polymeric materials with a wide range of controllable stiffness.
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