含动态可逆组装支链的智能自修复弹性体的合成及结构与性能调控研究

In order to improve the mechanical properties and service lifetime of elastomer material, “combs”, “centipedes” and “triple-tailed” multigraft copolymers elastomers with dynamic and reversible assembly side chains were designed and will be synthesized via the combination of “controlled”/living radical polymerization and macromonomer method based on the previous research. The chain structures, molecular weight, the morphologies of microphase separation, mechanical properties and self-healing property of multigraft copolymers will be characterized deeply. The effect of structures and distribution of side chains, molecular weights, number of branch point and morphologies of microphase separation on mechanical properties and self-healing property of multigraft copolymers will be illuminated thoroughly. The regulation method of the structures and properties of multigraft copolymers elastomer will be investigated systematically. The mechanism of resulting in high elasticity and tensile strength will be revealed further. The mechanism of coordinated regulation of mechanical properties and self-healing property will be clarified and the theoretical model will be established based on above research. All of the work will provide the theoretical and experimental proofs for the synthesis of elastomers with high properties and self-healing property.

为同时提高弹性体材料的力学性能及使用寿命，本项目基于前期研究基础将“活性”/可控自由基聚合与大分子单体法相结合实现含动态可逆组装支链的“梳型”、“蜈蚣型”及“三链型”多点接枝共聚物弹性体的设计与合成，深入表征多点接枝共聚物的链段结构、分子量、微相分离形貌、力学性能及自修复性能，阐明多点接枝共聚物的支链结构与分布、分子量、接枝点数量、微相分离形貌等对其力学性能及自修复性能的影响规律，系统探究接枝共聚物弹性体的结构与性能的调控方法，进一步揭示高弹性及高拉伸强度的产生机理，明确弹性体的力学性能及自修复性能的协同调控机制并建立理论模型，为实现高性能自修复弹性体的合成提供理论与实验依据。

高分子材料的自修复性能有助于延长其使用寿命，并在材料的回收等方面发挥重要作用。本征型自修复高分子材料在无需外加催化剂和修复剂的情况下，利用聚合物断裂面的物理和化学相互作用，修复材料内部微裂纹，同时赋予材料多次自修复的能力。本项目基于上述背景并结合国内外发展动向开展了系列研究工作：.1）设计并合成了端溴基聚丙烯腈以及聚苯乙烯，并分别采用烯丙基三甲基硅烷及丙烯酸钾作为封端剂对其封端，合成了单链聚丙烯腈及聚苯乙烯大分子单体，对大分子单体的结构与分子量进行了调控，并对其化学结构进行了明确表征，发展了聚合物大分子单体的合成方法；.2）采用大分子单体法，设计并合成了以聚丙烯腈为支链且具有自修复性能的“梳型”聚丙烯酸丁酯-g-聚丙烯腈及聚丙烯酸甲酯-g-聚丙烯腈接枝共聚物弹性体，明确了自修复弹性体中接枝点数量、软硬链段比例、微相分离形貌及自修复机理等，研制出了断裂应力为4.3 MPa、断裂应变为680%且回弹性较好的自修复弹性体，且基于氰基间的极性相互作用，其自修复效率为84%，阐明了弹性体的化学结构、机械性能及自修复性能之间的构效关系；.3）合成了5-乙酰胺基丙烯酸戊酯、聚苯乙烯大分子单体及以聚苯乙烯为硬支链、以聚-5-乙酰胺基丙烯酸戊酯为柔性主链的接枝共聚物，探究了5-乙酰胺基丙烯酸戊酯、聚苯乙烯大分子单体及接枝共聚物的化学结构、分子量及其分布等；.4）合成螺吡喃二醇并对其进行化学改性得到分子两端为双键的交联剂，后以丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯为单体合成交联聚丙烯酸酯弹性体，对螺吡喃二醇及弹性体的结构与性能进行了表征。该弹性体中所含的螺吡喃结构作为力色团使得该弹性体具有力致变色功能，且体系中含有的酰胺键之间可形成氢键，使弹性体实现自修复。.本项目研究工作结合了高分子化学及高分子物理等相关知识，发展了自修复弹性体的设计与合成新方法，拓展了自修复弹性体的功能化改性途径与应用范围，对高分子合成方法学及功能与智能高分子材料的发展具有重要意义。