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新型橡膠材料具有的熱忱自愈能力

時(shí)間:2017-09-05     來(lái)源:中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)

想象一下,在穿刺后可以愈合的輪胎或者不會(huì)折斷的橡膠。哈佛約翰•保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種與天然橡膠相似的橡膠,它是一種可以自我修復(fù)的新型橡膠。

自愈橡膠連接永久共價(jià)鍵(紅色)與可逆氫鍵(綠色)

自愈材料的概念不是新的 -  SEAS的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了自愈水凝膠,它是依靠水來(lái)?yè)饺肟梢源龠M(jìn)愈合的可逆鍵。然而,干燥材料(如橡膠)的工程類材料的自愈性能一直被認(rèn)為是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)橄鹉z是由共價(jià)鍵連接而成的聚合物制成的。雖然這些化學(xué)鍵是非常強(qiáng)大的,但一旦被破壞,他們永遠(yuǎn)不會(huì)重新連接。為了賦予橡膠自愈性,團(tuán)隊(duì)需要使連接聚合物的鍵可逆,從而可以破壞然后再修復(fù)。“以前的研究使用可逆氫鍵連接聚合物以形成橡膠,但是可逆的鍵本質(zhì)上弱于共價(jià)鍵。”SEAS博士后研究員蔡先生表示。 “這提出了一個(gè)問(wèn)題,我們可以合成堅(jiān)固而且還能自我修復(fù)的化學(xué)鍵嗎?

蔡先生與中國(guó)四川大學(xué)客座教授吳金榮,以及SEAS物理與應(yīng)用物理教授資深作家David Weitz研究開(kāi)發(fā)了一種具有共價(jià)鍵和可逆鍵的混合橡膠。蔡氏理論中提出了混合共價(jià)鍵和可逆鍵以制備堅(jiān)韌的自愈橡膠的概念,但從沒(méi)有發(fā)表出來(lái),因?yàn)楣矁r(jià)鍵和可逆鍵不易混合。 “這兩種類型的化學(xué)鍵本質(zhì)上是不混溶的,如石油和水,”蔡先生說(shuō)。

因此,研究人員開(kāi)發(fā)了一種分子繩來(lái)將這兩種類型的分子結(jié)合在一起。這種稱為無(wú)規(guī)支化聚合物的繩索允許兩個(gè)先前分離的鍵在分子尺度上均勻混合。這樣,研究人員就可以合成出一種透明、堅(jiān)韌并且具有自愈性的橡膠。

在橡膠上施加力時(shí),普通的橡膠超過(guò)應(yīng)力點(diǎn)后會(huì)逐漸開(kāi)裂。相比之下,當(dāng)新型混合橡膠被拉伸時(shí),它會(huì)在整個(gè)材料上形成所謂的裂縫,其特征與裂紋相似,但是通過(guò)纖維束連接。這些裂縫會(huì)均勻的分配收到的力,所以沒(méi)有壓力點(diǎn)可以導(dǎo)致橡膠開(kāi)裂。當(dāng)壓力釋放時(shí),材料可以回復(fù)到原來(lái)的形式,并且逐漸地愈合。

這種自愈能力將可以應(yīng)用于各種各樣的橡膠制品。吳先生說(shuō):“想象一下,我們可以用這種材料作為橡膠輪胎的組成部分。如果你的輪胎被刺穿,那輪胎也不用馬上就被替換,而是開(kāi)車時(shí)會(huì)自動(dòng)修復(fù),讓你有足夠的緩和余地,以免造成嚴(yán)重的傷害。”哈佛技術(shù)開(kāi)發(fā)辦公室已經(jīng)提交了該技術(shù)專利申請(qǐng),正在積極尋求商業(yè)化的機(jī)會(huì)。

“還有許多的事要做,對(duì)于材料科學(xué),尚不完全了解為什么這種混合橡膠在拉伸時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋;對(duì)于工程而言,利用其特殊組合的光學(xué)透明度、韌性和自愈能力的混合橡膠的應(yīng)用仍有待探索。此外,使用分子設(shè)計(jì)來(lái)混合共價(jià)和可逆鍵以產(chǎn)生均勻的混合彈性體的概念是相當(dāng)普遍的,并且應(yīng)該能夠開(kāi)發(fā)出實(shí)際使用的韌性、自愈性聚合物。”威茨說(shuō)。