第50卷第5期 高分子学报 Vol. 50. No. 5 2019年5月 ACTA POLYMERICA SINICA 综述· 动态共价键高分子材料的研究进展 陈兴幸!钟倩云王淑娟吴宥伸谭继东雷恒鑫黄绍永张彦峰3 (西安交通大学理学院西安710049) (中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室长春130022 (西安市可持续能源材料化学重点实验室西安710049) 摘要动态共价键在外界刺激(光、热、力、pH作用下处于可逆的断裂和重新形成的平衡,与传统 热固性树脂相比,动态共价键交联的高分子材料( Vitrine或类玻璃高分子)的分子拓扑结构可动态调 整,重排,且其结构构筑和性能研究对于高分子材料的加工成型、循环回收以及自愈合具有重要意 义.本文以可逆共价键反应为线索,整理分析了动态共价键的类型及其动态影响因素,对多种动态共 价键在高分子材料设计和构建中的应用做出评述,并对动态共价键高分子材料的未来发展作了展望 关键词动态共价键,可逆反应,类玻璃高分子,自愈合,热固性树脂 目前,塑料已成为人类生活必不可少的高分斯西储大学 Rowan这样评价动态共价键:“动态 子材料.一些被广泛应用的塑料,如聚苯乙烯、共价键使共价键可以如超分子化学一样存在” 聚丙烯、聚氯乙烯等,由稳定的共价键组成而难 与超分子体系相比,动态共价键体系既具有 以降解,造成土壤和海洋等严重污染.据统计凹,相似性,又具有其特殊性.超分子体系一般基于 截止2015年,全球已产生63亿吨的塑料垃圾,其包括氢键、离子键和疏水缔合等作用在内的物理 中仅约9%的塑料可被循环使用,预计至2050年相互作用,具有可逆性由于常规共价键的键能较 将会有120亿吨的塑料垃圾产生 高,可逆共价键高分子的构建,需要选择反应活 动态共价键高分子是一类含动态共价键的高化能较低的体系,或者在高分子基体内加入催化 分子材料,包括线型及交联型动态共价键高分子.剂来加快反应速率,使体系表现出与超分子体系 2011年, Leibler等构建了基于环氧树脂与酸酐交类似的可逆性.离子键或者氢键相互作用的基础 联的动态共价键网络,并首次提出“ Vitrine”的是静电相互作用,其对环境极性比较敏感l0, 新概念凹,清华大学张希将其称为类玻璃高分少量极性溶剂的加入可弱化超分子相互作用,导 子,开创了动态共价键高分子材料领域的研究.致样品溶胀或溶解.与之相比,动态共价键的强 在外界环境刺激(诸如热、光、力、pH等)作用弱受溶剂影响很弱,因此具有良好的耐溶剂性 下,材料内动态共价键的断裂与重组可诱导高分 近年来,人们致力于利用不同种类的动态共 子网络结构的动态调整;当刺激消除后,动态共价键来构筑新材料,动态共价键的可逆性克服了 价键高分子又可表现出一般共价高分子般的高稳传统热固性高分子加工回收困难,不能重复利用 定性动态共价键高分子材料对外界刺激作用的等问题,可延长高分子材料的使用寿命,缓解塑 响应性,也为发展智能材料提供了契机.美国凯料污染带来的环境问题.动态共价键的引入,还 动态共价键高分子专辑;2018-12-28收稿,2019-01-26修稿,2019-04-03网络出版;国家自然科学基金(基金号51873170) 西安市科技局重点实验室建设项目项目号201805056ZD7CG40),西安交通大学青年拔尖人才和青年跟踪项目和陕西 省青年百人计划资助 通讯联系人,E-mal:yanfengzhang@xjtu.edu.cn doi:10.1777isn000-3304.201918277•  综述  • 动态共价键高分子材料的研究进展* 陈兴幸1    钟倩云1    王淑娟1    吴宥伸1    谭继东1    雷恒鑫1    黄绍永2    张彦峰1, 3** ( 1西安交通大学理学院 西安 710049) ( 2中国科学院长春应用化学研究所 高分子物理与化学国家重点实验室 长春 130022) ( 3西安市可持续能源材料化学重点实验室 西安 710049) 摘    要    动态共价键在外界刺激(光、热、力、pH)作用下处于可逆的断裂和重新形成的平衡，与传统 热固性树脂相比，动态共价键交联的高分子材料(Vitrimer或类玻璃高分子)的分子拓扑结构可动态调 整，重排，且其结构构筑和性能研究对于高分子材料的加工成型、循环回收以及自愈合具有重要意 义. 本文以可逆共价键反应为线索，整理分析了动态共价键的类型及其动态影响因素，对多种动态共 价键在高分子材料设计和构建中的应用做出评述，并对动态共价键高分子材料的未来发展作了展望. 关键词    动态共价键，可逆反应，类玻璃高分子，自愈合，热固性树脂 目前，塑料已成为人类生活必不可少的高分 子材料. 一些被广泛应用的塑料，如聚苯乙烯、 聚丙烯、聚氯乙烯等，由稳定的共价键组成而难 以降解，造成土壤和海洋等严重污染. 据统计[1]， 截止2015年，全球已产生63亿吨的塑料垃圾，其 中仅约9%的塑料可被循环使用，预计至2050年 将会有120亿吨的塑料垃圾产生. 动态共价键高分子是一类含动态共价键的高 分子材料，包括线型及交联型动态共价键高分子. 2011年，Leibler等构建了基于环氧树脂与酸酐交 联的动态共价键网络，并首次提出“Vitrimer”的 新概念[2]，清华大学张希将其称为类玻璃高分 子，开创了动态共价键高分子材料领域的研究[3~8] . 在外界环境刺激(诸如热、光、力、pH等)作用 下，材料内动态共价键的断裂与重组可诱导高分 子网络结构的动态调整；当刺激消除后，动态共 价键高分子又可表现出一般共价高分子般的高稳 定性. 动态共价键高分子材料对外界刺激作用的 响应性，也为发展智能材料提供了契机. 美国凯 斯西储大学Rowan这样评价动态共价键：“动态 共价键使共价键可以如超分子化学一样存在” [9] . 与超分子体系相比，动态共价键体系既具有 相似性，又具有其特殊性. 超分子体系一般基于 包括氢键、离子键和疏水缔合等作用在内的物理 相互作用，具有可逆性. 由于常规共价键的键能较 高，可逆共价键高分子的构建，需要选择反应活 化能较低的体系，或者在高分子基体内加入催化 剂来加快反应速率，使体系表现出与超分子体系 类似的可逆性. 离子键或者氢键相互作用的基础 是静电相互作用，其对环境极性比较敏感[10~12]， 少量极性溶剂的加入可弱化超分子相互作用，导 致样品溶胀或溶解. 与之相比，动态共价键的强 弱受溶剂影响很弱，因此具有良好的耐溶剂性. 近年来，人们致力于利用不同种类的动态共 价键来构筑新材料，动态共价键的可逆性克服了 传统热固性高分子加工回收困难，不能重复利用 等问题，可延长高分子材料的使用寿命，缓解塑 料污染带来的环境问题. 动态共价键的引入，还 第 50 卷    第 5 期 高    分    子    学    报 Vol. 50, No. 5 2019 年 5 月 ACTA POLYMERICA SINICA May, 2019 *动态共价键高分子专辑；2018-12-28收稿，2019-01-26修稿，2019-04-03网络出版；国家自然科学基金(基金号 51873170)， 西安市科技局重点实验室建设项目(项目号 201805056ZD7CG40)，西安交通大学青年拔尖人才和青年跟踪项目和陕西 省青年百人计划资助. ** 通讯联系人，E-mail: yanfengzhang@xjtu.edu.cn doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.18277 469