非自由基光交联构建植物油基Vitrimer弹性体
批准号：
52103119
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
刘湍
依托单位：
学科分类：
高分子材料与环境
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
刘湍
项目摘要
结项摘要
相似基金
相关文献
中文摘要
基于共价键交联结构的高分子材料普遍存在难以修复和降解的问题，而通过引入动态共价键用于构建Vitrimer高分子材料被认为是解决该问题的有效策略。本项目拟针对聚酯型Vitrimer的制备存在需使用大量催化剂以及交联方式单一且条件苛刻的技术瓶颈，提出并探索通过基于光笼分子的非自由基光交联反应构建无催化剂Vitrimer弹性体。在结构设计上，本项目将以植物油衍生物为主要原料，通过基于缩水甘油酯型环氧树脂与脂肪酸的聚合反应，引入羟基-酯动态共价键，通过邻硝基苄醇结构单元（NB）与氨基在光照下的偶联反应，实现材料的光交联构建，整个过程将不添加催化剂和引发剂。基于此设计，本项目拟重点考察NB以及氨基含量对光交联行为、机械性能、修复和降解性能的影响，阐明光交联的反应机制并建立材料结构与性能的关系。本项目的提出有望解决当前聚酯型Vitrimer存在的问题，拓展Vitrimer在环境友好型功能材料的应用。
英文摘要
Polymer materials with crosslinked network structure are usually neither repairable nor degradable, and introducing dynamic covalent bonds to prepare vitrimers is considered as a sound solution to address this issue. However, the preparation of ester based vitrimers often use a significant amount of toxic catalysts, and the curing process is performed under harsh conditions. In this project, we propose to develop and investigate catalyst-free and ester-based vitrimer elastomers prepared via a mild and non-free radical photocrosslinking strategy. In terms of structural design, plant oil derivates will be used as the major feedstocks, hydroxy-esters as the dynamic covalent bonds will be introduced via the polymerization reaction between glycidyl ester epoxy resin and fatty acid, the non-free radical photo crosslinking reaction will be realized and performed between the prepolymers with O-nitrobenzyl alcohol structure units (NBs) and polyamines under the excitation of the light energy, and there will be no catalysts and initiators added throughout the whole preparation process. Based on the above structural design, the effect of NB and polyamine loadings on the photo curing behavior as well as the mechanical property, reparability, and degradability will be systematically studied, the mechanism for the photo curing will be investigated and understood, and the structure-property relationship will be built. This project is expected to essentially address the existing issues of ester based vitrimers and could provide a novel method for the future design of environmentally friendly functional vitrimer materials.
近年来使用人工合成弹性体作为人工肌肉成为研究热点。相比传统金属人工肌肉，弹性体人工肌肉更适合与人体接触，这使他们在医疗康复器械、人造器官、手术机器人等领域具有应用前景。在弹性体人工肌肉中，液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）无疑是最耀眼的之一。这是因为它的驱动应变和密度与人体的骨骼肌非常接近。尽管LCEs已经被研究了超过40年，但至今仍然缺乏市场应用。造成该问题的原因主要有以下三点：其一，力学强度不足，这导致其驱动力薄弱；其二，通常具有单一的形状且只能执行单一的运动模式；其三，运动不连续，其只能在两种形状间迅速切换。. 本项目围绕上述问题开展了如下工作：（1）从分子设计出发，提出构建热塑型超分子液晶弹性体。在室温下通过简单拉伸使材料具有类似肌肉的伸缩性能。基于材料热塑性的特征，我们还构建了更为复杂的肌肉器件。文献中加工这些器件往往需要数小时甚至几天，而本研究的加工时间小于1 min, 这使人工肌肉的规模化和定制化制备成为可能；（2）本项目还构建了基于超分子动态共价网络的液晶弹性体。由于体系内存在大量氢键，使其具有当前最高的机械强度。相比骨骼肌，材料在密度和模量上几乎相同。由于驱动能力是骨骼肌的11倍，它能够反复提起自身六千倍的重物。此外，结构中的动态共价键赋予其可编程性能。基于此，我们制备了单向可展开的支架和双向可跳动的管子；（3）我们在结构中引入具有光反应性的邻硝基苄醇光笼结构单元以及氢键。基于光反应，我们通过改变光照位置和时长定制材料的运动模式，并通过改变温度控制材料的运动幅度。由于光反应和热反应是正交的，因此我们可以对运动模式和运动幅度进行独立控制。. 因此，本项目构建了一系列具有运动模式可编程、驱动幅度可控、强驱动力的人工肌肉。相比传统气动人工肌肉，我们的制备方法更简单、使用更便携和舒适。项目负责人正在寻求与相关老师，企业，医生合作，开发便携、舒适、经济、实用的医疗康复器械产品。
国内基金
海外基金