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麻省理工学院研究人员为更强的聚合物制定新的战略

时间:2021-10-21 20:55:06 来源:

麻省理工学院的工程师团队已经找到了一种降低聚合物中环数的新策略。该方法可以为塑料或凝胶等工业上有用的材料制造商提供一种简单的方法,以加强其材料。

塑料,橡胶和许多其他有用的材料由配合在交联网络中的聚合物 - 长链制成。在分子水平,这些聚合物网络含有削弱它们的结构缺陷。

几年前,麻省理工学院科学家是第一个测量某些类型的这些缺陷,称为“环”,当聚合物网络中的链条与自身绑定而不是另一个链时,这是引起的。现在,同一团队已经发现了一种简单的方法来减少聚合物网络中的环路数量,从而加强由聚合物制成的材料。

为实现这一点,科学家们只需将聚合物网络的一个组分添加到大量的第二个部件中。使用这种方法,它们能够将循环的数量减半,在各种不同的聚合物网络结构中。这可以为塑料或凝胶等工业上有用的材料制造商提供一种简单的方法,以加强其材料。

“只是通过改变你将一个组件添加到另一个组件的速度,可以提高机械性质,”菲尼斯职业发展副教授和本文的高级作者化学职业发展副教授耶利米亚·约翰逊说。

麻省理工学院研究生Yuwei Gu是本文的第一个作者,它出现在国家科学院的诉讼程序中。

其他作者是化学工程布拉德利奥尔森的麻省理工学院副教授;麻省理工学院研究生肯卡瓦莫托;前麻省理工学院博士兴明钟钟和毛辰;案例西方储备大学助理迈克尔·赫尔·赫尔;案例西方储备研究生Alex Jordan;前麻省理工学院访问教授和西方储备副教授拉沙达·科利。

控制循环

2012年,约翰逊的小组设计了衡量聚合物网络中环路数量的第一种方法,并通过奥尔森的理论预测验证了这些结果。科学家发现,根据原料和其他因素中的聚合物链的浓度,循环可以占近100%的网络。

几年后,约翰逊和奥尔森制定了一种方法来计算这些环的削弱材料。在他们最新的工作中,他们开始减少循环形成,并在不改变材料的组成而不是改变材料的情况下实现这一点。

“我们为自己设定的目标是采取相同的一组材料,用于一种通常使用的材料,并且,在相同条件下使用完全相同的前体和相同的浓度,使物料较少,”约翰逊说。

在本文中,该团队首先专注于一种称为星形聚合物网络的聚合物结构。该材料具有两个不同的构建块:具有四个相同臂的星星,称为“B4”和称为“A2”的链条。A2的每个分子连接到其中一个B4臂的末端。然而,在典型的合成过程中,当一切一致地混合在一起时,一些A2链将最终结合到两个B4臂中的两个,形成环。

他们发现,如果它们非常缓慢地向A2的溶液中添加B4,则每个B4Arms将迅速与单个A2分子反应,因此A2的机会较少。形成环。

在慢慢添加B4解决方案的几个小时后,它们立即加入下半部分,并且星形亚基连接在一起形成交联网络。研究人员发现这种材料大约是使用传统合成过程产生的相同材料的一半。

约翰逊说,根据原材料中的原料中的循环率有多少,这种“慢速”策略可以将材料的实力提高到600%。

“这种基于缓慢的交联助剂的这种非常简单的巧妙和强大的方法减少了分子内环状,显着提高了聚合物网络的机械性能,”卡内基梅隆大学化学教授Krzysztof Matyjaszewski表示,他不参与研究。

更好的产品

研究人员还尝试了这种技术,具有四种其他类型的聚合物网络合成反应。他们无法衡量所有这些类型的聚合物的环数,但它们确实发现了材料的强度提高。

这种方法可能有助于改善由凝胶或其他交联聚合物制成的任何材料的强度,包括塑料,用于水净化的膜,由环氧树脂制成的粘合剂,或水凝胶如隐形眼镜。

Johnson的实验室现在正在努力将这种策略应用于各种材料,包括用于种植组织工程的细胞的凝胶。

该研究由美国国家科学基金会资助。

出版物:Yuwei Gu,等人,“半藻单体作为一种通过环形缺陷控制调整和增强聚合物网络力学的一般方法,”2017年PNAS; DOI:10.1073 / pnas.1620985114


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