蘇州大學李述湯院士Adv. Mater.：碳點“點出”自愈合防腐聚合物

【引言】

當前，合成高分子材料由于輕質、易加工等特性廣泛應用于生活中，為人們的生活提供便利，但它仍然缺少自然界生物與生俱來的本領—“自愈合”能力，所以合成高分子材料在使用過程出現的中斷裂、裂紋等會影響產品的性能和使用壽命，增加成本。

受到大自然的啟發，科學家制備出多種自愈合聚合物材料，這類材料在破損時能夠通過一定途徑將裂紋重新填補，實現自愈合。愈合機理主要分兩類，一類是與功能型物質復合來實現自愈合；另一類是通過向體系提供能量，使材料發生共價鍵或非共價鍵作用來實現自愈合。但很多自愈合制備方法復雜且成本高，難以廣泛的應用于實際生活。近年來，簡便、高效、低成本開始成為自愈合材料的新要求。

【成果簡介】

近日，來自蘇州大學的李述湯院士、康振輝教授、劉陽教授以及Yeshayahu Lifshitz教授（共同通訊）在Advanced Materials上發表題為“Carbon Dots as Fillers Inducing Healing/Self-Healing and Anticorrosion Properties in Polymers”的文章。作者主要是利用碳納米晶體，分別與塊狀類、涂層類聚合物復合，制備碳點-聚合物復合材料，代表性研究對象為碳點-聚甲基丙烯酸甲酯（CDs-5/PMMA）、碳點-聚氨酯（CDs-5/PU-3）復合材料。出現斷裂后，這種材料可以通過碳點與聚合物之間形成的共價鍵作用、氫鍵作用或范德華力作用，實現材料的愈合/自愈合過程；對于涂層類聚合物，碳點的添加還提高了材料的防腐蝕性能。

【圖文導讀】

圖1：塊狀CDs-5/PMMA愈合實驗流程圖

a) 制備透明棒狀 CDs-5/PMMA

b) 將棒狀CDs-5/PMMA分為兩段

c) 在室溫下，將斷面浸在20 mg/ml-1 CDs-5水溶液中幾秒后，迅速取出并對其作用20N軸向力

d) 重新愈合完整的棒狀CDs-5/PMMA

圖中實驗分別在日光和紫外光環境中進行，CDs-5/PMMA呈藍色的為紫外光環境

圖2：塊狀CDs-5/PMMA的拉伸強度測試

a) EtOH/PMMA、CDs-5/PMMA（初始/自愈）應力-應變曲線

b) CDs-5濃度對CDs-5/PMMA（初始/自愈）拉伸強度的影響

c) 斷裂-愈合實驗循環次數對CDs-5/PMMA拉伸強度的影響，

d) CDs類型對CDs-5/PMMA（初始/自愈）拉伸強度的影響

注：本實驗用愈合材料的拉伸強度表征其自愈合能力，EtOH/PMMA為乙醇-聚甲基丙烯酸甲酯復合材料。

圖3：退火CDs-5的FTIR、XPS光譜

a) CDs-5高分辨率C1s XPS能譜圖

b) CDs-5高分辨率C1s XPS曲線能譜圖

c) CDs-5紅外光譜圖

d) 愈合本質的猜想，假設的愈合機理示意圖，主要是C=O—NH共價鍵、氫鍵的形成以及CDs分子間范德華力的作用

圖4：CDs-5/PU-3涂層的自愈合及防腐蝕性能表征

a~c) CDs-5/PU-3涂層，自愈過程中裂紋尺寸與時間的變化關系

d) CDs-5/PU-3涂層的拉伸強度與厚度、浸潤溶液的變化關系

e) Tafel曲線

f) LSV曲線

g)、h) CDs-5改善PU-3涂層自愈、防腐蝕性能的機制

【小結】

本文提供了一種簡便、低成本的愈合/自愈合復合材料的制備方法。添加CDs，誘導聚合物材料愈合/自愈合，主要是利用了CDs和高分子鏈之間形成的C=O—NH共價鍵、官能團之間形成的氫鍵以及CDs分子間范德華力的作用。對于涂層類聚合物，CDs還增強了材料的防腐蝕性能，主要是利用O2的氧化還原反應實現的。這種CDs誘導自愈合、防腐蝕性能的方法，還需要做更深入的研究，同時這種方法也為自愈合材料在工程中的潛在應用開拓了一條新的路徑。

文獻鏈接：Carbon Dots as Fillers Inducing Healing/Self-Healing and Anticorrosion Properties in Polymers?(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701399)

本文由材料人編輯部楊慧編譯，李卓審核，點我加入材料人編輯部。

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