近日，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種減少聚合物中環(huán)數(shù)的新方法。 該方法可以為工業(yè)上有用的材料的制造商如塑料或凝膠的制造商提供一種簡單的方法來加強其材料。
麻省理工新方法控制循環(huán)生產(chǎn)更強聚合物
簡單的技術(shù)減少了會削弱塑料和橡膠等材料的循環(huán)。塑料，橡膠和許多其他有用的材料由聚合物—長鏈排列在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成。 在分子水平上，這些聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺陷會削弱它們。
幾年前，麻省理工學(xué)院的研究人員首先對某些類型的這些缺陷進(jìn)行了測量，這些缺陷稱為“環(huán)路”，是當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)中的一個鏈與自身而不是另一個鏈結(jié)合時引起的?，F(xiàn)在，同樣的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種簡單的方式來減少聚合物網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)的數(shù)量，從而增強了由聚合物制成的材料。
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員簡單地將聚合物網(wǎng)絡(luò)的一種組成成分緩慢地添加到大量的第二組分中。使用這種方法，他們能夠在各種不同的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將環(huán)路數(shù)量減少一半。 這可以為工業(yè)上有用的材料的制造商如塑料或凝膠的制造商提供一種簡單的方法來加強其材料。
Firmenich職業(yè)發(fā)展副研究員麻省理工學(xué)院化學(xué)副教授Jeremiah A. Johnson說，“只要改變你將一個組件添加到另一個組件的速度，你就可以改善機械性能。
麻省理工學(xué)院研究生 Yuwei Gu 是本文的******作者，于4月24日發(fā)表在國家科學(xué)院院刊上。其他作者是麻省理工學(xué)院化學(xué)工程副教授Bradley Olsen; 麻省理工學(xué)院研究生Ken Kawamoto; 前麻省理工學(xué)院博士后Mingjiang Zhong ， Mao Chen; 凱斯西儲大學(xué)助理教授Michael Hore; 凱斯西儲大學(xué)研究生Alex Jordan;前麻省理工學(xué)院客座教授和凱斯西儲大學(xué)副教授LaShanda Korley。
控制循環(huán)
2012年，Johnson的團(tuán)隊設(shè)計了******種測量聚合物網(wǎng)絡(luò)中環(huán)路數(shù)量的方法，并通過Olsen的理論預(yù)測驗證了這些結(jié)果。研究人員發(fā)現(xiàn)，根據(jù)起始材料中的聚合物鏈的濃度和其他因素，環(huán)路可約占網(wǎng)絡(luò)百分之九至百分之百。
幾年后，Johnson和Olsen開發(fā)了一種計算削弱材料的循環(huán)的方法。在***新的工作中，他們著手于減少環(huán)路形成，并且在不改變材料組成的情況下實現(xiàn)這個目的。
Johnson說：“我們?yōu)樽约涸O(shè)定的目標(biāo)是將相同的前體材料用于一種經(jīng)常使用的材料，并且，在相同的條件和相同的濃度下使用相同的前體，使材料的循環(huán)量減少”。
在本文中，研究人員首先著重于一種被稱為星形聚合物網(wǎng)絡(luò)的聚合物結(jié)構(gòu)。這種材料有兩個不同的結(jié)構(gòu)單元：一個稱為“B4”的四個相同臂的星形，一個稱為“A2”的鏈，A2的每個分子都附著在B4的其中一個臂的末端。 然而，在典型的合成過程中，當(dāng)一切都被立即混合在一起時，一些A2鏈***終結(jié)合到兩個B4臂中，形成一個環(huán)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將B4緩慢添加到A2的溶液中，則B4的每一個臂將與單個A2分子快速反應(yīng)，因此A2的形成循環(huán)的機會較少。
在緩慢加入一半的B4溶液幾個小時后，他們一次加入了后半部分，星形亞單元連接在一起形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種材料大約占使用傳統(tǒng)合成工藝生產(chǎn)的相同材料的環(huán)路的一半。
Johnson說，根據(jù)原材料中回路的數(shù)量，這種“慢而快”的方法可以將材料的強度提高至600%。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)化學(xué)教授Krzysztof Matyjaszewski說，“基于緩慢交聯(lián)劑的添加的這種非常簡單的巧妙而強大的方法減少了分子內(nèi)環(huán)化并明顯優(yōu)化了聚合物網(wǎng)絡(luò)的機械性能。”
更好的產(chǎn)品
研究人員還嘗試了這種技術(shù)與四種其他類型的聚合物網(wǎng)絡(luò)合成反應(yīng)。他們不能測量所有類型聚合物的環(huán)路數(shù)，但是它們在材料的強度方面也發(fā)現(xiàn)了類似的改進(jìn)。
這種方法可能有助于提高由凝膠或其他交聯(lián)聚合物制成的任何材料的強度，包括塑料，水凈化膜，環(huán)氧樹脂粘合劑或水凝膠如隱形眼鏡。
Johnson實驗室正在研究將此方法應(yīng)用于各種材料，包括用于生長組織工程細(xì)胞的凝膠。