广东工业大学/KAUST《Angew》：氮丙啶+硫单质=耐低温可逆粘合剂
发表时间 ：2024-11-29
作者 ：高分子科学前沿
来源 ：高分子科学前沿
在全球精炼石油和净化天然气的工业过程中，每年产生的硫单质量超过7000万吨，这一数字远远超出了传统工业如硫酸生产的消耗速度。这一硫单质过剩的问题，不仅造成了资源浪费，还带来了严峻的环境挑战。将硫单质转化为高附加值的化学品和材料，已成为亟待攻克的关键课题。广东工业大学轻工化工学院张震副教授与阿卜杜拉国王科技大学Nikos Hadjichristidis教授合作，在《Angewandte Chemie International Edition》上发表的研究成果“Inverse Vulcanization of Aziridines: Enhancing Polysulfides for Superior Mechanical Strength and Adhesive Performance”，为这一难题提供了一种解决方案。该研究团队采用市售的三官能团氮丙啶交联剂，开发了一种新型逆硫化聚合方法，成功地将硫单质转化为具有优异机械性能和粘合性能的聚多硫化物（图1）。这一方法不仅提高了聚多硫化物的机械强度，还显著增强了其粘合能力，并展现出优异的耐低温特性和可回收性，为硫单质的高效利用开辟了新途径。
氮丙啶，作为一种具有高环张力和多样反应活性的三元氮杂环化合物，其聚合反应主要通过开环反应形成高分子结构，在功能高分子合成领域具有广泛的应用前景。近年来，该研究小组在氮丙啶的新型聚合反应研究领域取得了一系列进展，包括阴离子开环聚合（Macromolecules, 2019, 52, 3888；Macromolecules, 2019, 52, 8793；Polym. Chem., 2021, 12, 1787； Carbohydr. Polym., 2021, 261, 117903；Polym. Chem., 2021, 12, 5328）、交替聚合（Eur. Polym. J. 2023, 182, 111731）、逐步聚合（Macromolecules, 2021, 54, 8164；Polym. Chem., 2022, 13, 4324；Polym. Chem., 2022, 13, 4809；Polym. Chem., 2023, 14, 2190）等，此次研究成果是在“活化的”氮丙啶与单质硫的聚合反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202318919；ACS Appl. Polym. Mater. 2024, 6, 6437）研究基础上的进一步突破，使得与单质硫的聚合不再局限于N-（磺）酰基氮丙啶单体，而是利用“非活化的”三官能团氮丙啶交联剂作为共聚单体，结合简单的制备过程和市售原料的可及性，展现了较大的应用潜力。本研究提出的逆硫化新方法在120°C下通过氮丙啶的自催化开环反应与硫单质反应（图2），生成聚多硫化物。实验结果表明，所得聚多硫化物的最大应力达到8.3 MPa，断裂应变为107%，杨氏模量达251 MPa。通过引入二氧化硅（20wt%）增强，复合材料的最大应力进一步提升至29.4 MPa，杨氏模量达0.94 GPa。此外，该聚合物对不锈钢、铝、玻璃等基底的粘合强度分别达到11.0 MPa、9.6 MPa和7.0 MPa（图3），并且在液氮温度（-196°C）下仍能保持3.3 MPa的粘合力，这一性能远超传统热熔胶，且粘合过程无需长时间固化，大幅降低了操作难度。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等的资助，广东工业大学硕士研究生范洁嫒为论文第一作者，广东工业大学分析测试中心李夏老师在测试方面提供了帮助和支持。文章详情：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418764
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