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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
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上海交大唐山團隊JACS發(fā)文：具有可控降解性的力載體功能化聚乙烯材料
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上海交大唐山團隊JACS發(fā)文：具有可控降解性的力載體功能化聚乙烯材料 2024年08月21日 責(zé)任編輯：張夢 趙晶晶 聚烯烴由于其出色的機械性能、低成本、易于加工和高化學(xué)穩(wěn)定性，在現(xiàn)代社會中得到了廣泛的應(yīng)用，在所有合成聚合物中產(chǎn)量最大。飽和烴鏈的化學(xué)惰性對于聚烯烴塑料的儲存和使用至關(guān)重要，但也帶來了與塑料污染相關(guān)的重大環(huán)境挑戰(zhàn)。最為理想的聚烯烴材料應(yīng)在使用過程中保持穩(wěn)定，而在需要化學(xué)回收時可降解，但對于材料穩(wěn)定性和降解性的需求很多時候是矛盾的。因此，找到合適的策略實現(xiàn)聚烯烴主鏈降解性的調(diào)控具有重要意義。 近日，針對聚烯烴材料穩(wěn)定性和降解性需求的矛盾問題，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心唐山團隊以稠合極性官能團的環(huán)丁烯作為共聚單體，通過配位/插入共聚在聚乙烯主鏈引入不同的插入比例（0.35-26 mol%）環(huán)丁烷稠合的力敏基團（力載體）（圖1）。這類力載體功能化聚乙烯材料表現(xiàn)出高熱穩(wěn)定性和顯著的耐酸性。此外，引入的力載體在常見的熔融加工和拉伸過程中保持穩(wěn)定。通過超聲波或球磨機的機械化學(xué)活化，可降解的功能基團（酰亞胺和酯基）可以被引入到聚合物主鏈中。重要的是，機械力活化與酸水解的結(jié)合使得高分子量聚乙烯材料能夠高效地降解為遙爪低聚物。總之，含有鏈中力敏基團的聚乙烯材料具備理想的材料性能與可降解性。 1.jpg 圖 1 催化共聚制備極性功能化聚乙烯材料 首先，作者探索了不同催化劑對共聚反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)膦磺酸鈀配合物對極性環(huán)亞胺基團表現(xiàn)出顯著的耐受性。磷原子上的取代基顯著影響所得到聚合物的分子量（圖2b， [Pd]-2-5）。優(yōu)化后的配合物[Pd]-4和[Pd]-5均能獲得較高的M1插入比（18 mol%），而配合物[Pd]-5得到的共聚物分子量最高（Mn = 80 kg•mol-1），分散性最�。∕w/Mn = 1.1）。值得注意的是其它環(huán)丁烯并環(huán)單體也可以引入到聚乙烯材料中。環(huán)丁烯-內(nèi)酯 （M4）與乙烯的共聚反應(yīng)表現(xiàn)出較高的活性。與環(huán)丁烯稠合琥珀酰亞胺相比，在相同的單體濃度下，它的插入率更高。 2.jpeg 圖 2 乙烯與環(huán)丁烯椆環(huán)單體的催化共聚。（a） 研究了合成鏈內(nèi)含力載體聚乙烯材料的催化劑前體。（b） 不同金屬催化劑對分子量（Mn）和M1插入比（i.r）的影響。（c）以配合物[Pd]-5為催化劑不同濃度M1對共聚物Mn和ir的影響。(d) 不同環(huán)丁烯并環(huán)單體對Mn和ir的影響。 接著，作者對主鏈含有力載體的聚乙烯材料的性能進行了表征。對制備的低M1摻入比聚乙烯材料進行DSC分析，發(fā)現(xiàn)吸熱峰明顯。隨著M1摻入比從0.86 mol%增加到3.6 mol%，熔點（Tm）從121 ℃下降到105 ℃ （圖3a）。所得材料的廣角x射線散射（WAXS）譜圖顯示出的4個主要衍射峰與市售HDPE相似（圖3b）。然后對不同力載體插入比例的聚乙烯材料進行拉伸試驗（圖3c）。當(dāng)插入量為0.86 mol%時，得到的材料具有較高的抗拉強度與商業(yè)HDPE相當(dāng)具有良好的韌性和延展性。高M1含量（26 mol%）聚合物的抗拉強度顯著提高，斷裂伸長率顯著降低。此外，將合成的共聚物用三氟乙酸水溶液處理，SEC和1H NMR分析酸處理前后聚合物沒有發(fā)現(xiàn)明顯變化，表明鏈內(nèi)含有力載體單元的聚乙烯材料在酸性條件下表現(xiàn)出理想的化學(xué)穩(wěn)定性。 3.jpeg 圖3 主鏈含有力載體的聚乙烯材料的性能表征。（a）DSC曲線 （b）WAXS衍射圖 （c）不同M1插入比的聚乙烯材料和商業(yè)HDPE的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（d）TFA/H2O處理前后poly-1 （18 mol% M1）的1H NMR譜和SEC。 隨后，作者通過脈沖超聲研究poly-1的機械化學(xué)活化。不同初始分子量（Mn = 80 kg•mol-1和Mn = 40 kg•mol-1）的poly-1四氫呋喃（THF）溶液，力載體含量相同 （18 mol%），在0 ℃下用脈沖超聲活化（圖4a）。poly-1的初始分子量對機械化學(xué)活化效率有顯著影響。超聲作用24小時后，poly-1S的環(huán)丁烷開環(huán)率分別達到51%和24%。在高分子量的poly-1中，環(huán)丁烷開環(huán)效率較高，可歸因于長聚合物鏈具有更大的可接近力，反映了機械化學(xué)活化的性質(zhì)。由于力載體含量低的聚乙烯材料在THF中的溶解度較差，在65-70 ℃的甲苯中，通過脈沖超聲對其進行機械化學(xué)活化。從結(jié)果可以看出，機械化學(xué)開環(huán)效率主要受初始分子量的影響，而不受力載體含量的影響。超聲作用12小時后，對于M1插入量為0.8-3.9 mol%的聚乙烯材料，環(huán)丁烷開環(huán)率為（27-41%）（圖4b）。同時，這些共聚物和HDPE在機械力作用下均有一定程度的分子量降低。值得注意的是，普通HDPE在水解后沒有進一步降解。作為對比，poly-1S水解后有顯著地分子量降低，其SEC顯示出廣泛的多模態(tài)分布（圖4d）。其中，低分子量峰是主要成分，對應(yīng)于水解產(chǎn)生的低聚物。 4.jpeg 圖 4 超聲活化和化學(xué)降解。（a） 在THF （0 ℃）中，插入率18 mol% M1的聚乙烯材料的分子量 （Mn）開環(huán)率隨超聲時間的變化。（b）低力載體含量的聚乙烯材料在甲苯中的開環(huán)率 （65-70 ℃）。（c）poly-1S （24 h）和poly-1′的1H NMR譜圖。（d）poly-1 （Mn = 80 kg•mol-1, M1含量18 mol%，藍線）、poly-1S （超聲作用24 h，紅線）和水解poly-1S （綠線）的SEC比較。 5.png 圖 5 球磨法活化和化學(xué)降解。（a）球磨活化聚合物的1H NMR譜。（b）poly-1（初始Mn = 66 kg•mol-1, 3.6 mol% M1含量，藍線）)、poly-1S（球磨2小時，紅線）和水解poly-1S（綠線）的SEC比較。 力載體在本體條件下的活化，特別是對于結(jié)晶聚合物，一直被認為是具有挑戰(zhàn)性的。作者受低力載體含量聚乙烯材料的高效超聲活化的啟發(fā) (圖4b)，探索了這些高結(jié)晶聚合物的整體機械活化的可能性。值得注意的是，無論是M1插入比高還是低的聚乙烯材料都能夠通過球磨實現(xiàn)環(huán)丁烷開環(huán)。在50 Hz頻率下球磨2.0小時后，含26 mol% M1的poly-1中環(huán)丁烷開環(huán)率達到18%（初始Mn = 40 kg•mol-1）（圖5a，紅線），含3.6 mol% M1的poly-1中環(huán)丁烷開環(huán)率達到17%（初始Mn = 66 kg•mol-1）（圖5a，藍線）。與超聲活化類似，對于含量3.6 mol% M1的結(jié)晶聚乙烯材料，觀察到Mn = 6.9 kg•mol-1的非特異性機械降解（圖5b，紅線）。酸處理后，無環(huán)酰亞胺基團被水解，導(dǎo)致球磨活化聚乙烯共聚物進一步降解（圖5b，綠線，Mn = 0.4 kg•mol-1）。 總之，上海交通大學(xué)唐山課題組報告了一種制備具有可調(diào)降解性的極性聚乙烯材料的通用方法。通過鈀催化的乙烯與環(huán)丁烯稠合共聚單體直接配位/插入共聚，成功地在不同的插入比（0.35-26 mol%）下引入了多種環(huán)丁烷稠合力載體。所得含有鏈內(nèi)力載體的聚乙烯材料表現(xiàn)出高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐酸性。此外，在常見的熔融加工和拉伸過程中，引入的力載體單元保持穩(wěn)定。在超聲或球磨的機械化學(xué)活化下，可將可降解的功能單元（酰亞胺和酯基）引入聚合物主鏈中。重要的是，機械化學(xué)活化和酸水解的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)高分子量聚乙烯材料向遙爪低聚物的有效降解�？傮w而言，含有鏈內(nèi)力載體基團的聚乙烯材料在材料性能和可降解性方面實現(xiàn)了理想的結(jié)合。 該工作以“Polyethylene Materials with Tunable Degradability by Incorporating In-chain Mechanophores”為題在線發(fā)表于期刊《Journal of the American Chemical Society》上。上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心2022級博士研究生張曉慧和博士后趙亞軍為論文的共同第一作者，唐山副教授和東京大學(xué)Kyoko Nozaki教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金、上海交通大學(xué)2030計劃、JST ERATO、國家自然科學(xué)基金以及中國博士后面上項目的經(jīng)費支持。作者感謝上海交通大學(xué)張兆國教授提供實驗室空間，并感謝上海交通大學(xué)顏徐州教授在聚合物拉伸強度測試方面提供的幫助。 論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07445 作者：唐山課題組 供稿單位：變革性分子前沿科學(xué)中心 |
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