【摘 要】
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2011年法国科学家Leibler基于动态共价键(dynamic covalent bond,DCB)首次提出了类玻璃高分子(vitrimer)的概念。Vitrimer不仅具有热固性材料的强度,还保留了热塑性材料的可塑性,打破了传统热塑性和热固性材料的界限,标志着第三种高分子材料的问世,在刺激响应智能材料领域闪烁着光芒。为了应对更复杂的需求,研究者们开始探索双交联vitrimer体系。他们通过两种
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2011年法国科学家Leibler基于动态共价键(dynamic covalent bond,DCB)首次提出了类玻璃高分子(vitrimer)的概念。Vitrimer不仅具有热固性材料的强度,还保留了热塑性材料的可塑性,打破了传统热塑性和热固性材料的界限,标志着第三种高分子材料的问世,在刺激响应智能材料领域闪烁着光芒。为了应对更复杂的需求,研究者们开始探索双交联vitrimer体系。他们通过两种或更多动态键(如动态共价键和动态非共价键)的组合来产生奇妙的协同效应,从而将看似矛盾的特性组合在一起,如机械性能和自修复性能。以近期实验报道的聚丙烯酸正丁酯聚合物(PBA)双交联vitrimer网络为例,其中包含硼酸酯键和氢键两种动态键。硼酸酯键作为化学交联,通过硼酸酯的酯交换反应重排拓扑结构;氢键作为物理交联,通过缔合和解离来耗散应力能量,提高材料的机械性能。该网络的性能与若干分子过程密切相关,包括链段弛豫、硼酸酯的酯交换和氢键的解离缔合等。这些分子过程间复杂的耦合作用使网络出现难以解释的松弛行为,增加了深入理解网络动力学的难度。受PBA双交联vitrimer材料启发,本文通过引入描述键交换反应的三体势算法和氢键补丁模型,构建了动态共价键-氢键(DCB-HB)双交联vitrimer网络的首个纯分子动力学粗粒化模型,模拟结果从分子层面加深了对该类型网络特有的动力学和粘弹性质的理解。具体而言,本文模拟了DCB-HB双交联vitrimer网络在多个影响因素(反应温度、动态键排列、动态键浓度和键交换反应能垒)下的平衡态动力学。我们首先通过剪切应力松弛模量的计算结果分析了不同条件下材料的粘弹性质,整体趋势与实验结果呈现了较好的一致性。我们进一步利用了模拟方法的优势,从微观键动力学的角度探究了网络中动态共价键和氢键的缔合特性、耦合作用及松弛模式。结果表明,网络中的快速松弛归因于动态共价键的交换,而长时间的缓慢弛豫则归因于氢键的解离与缔合。同时,动态共价键的引入会促进网络松弛,而氢键的引入则会阻碍网络松弛。有趣的是,我们观察到与只含有动态共价键的单一vitrimer网络相反的应力松弛现象:随着DCB-HB双交联vitrimer网络中动态共价键能垒的降低,网络呈现出更缓慢的应力松弛。模拟结果表明这种“反直觉”的现象是由动态共价键和氢键的耦合作用导致的,动态共价键能垒的降低将增强链段的局部运动能力,从而促进氢键的形成,对网络的应力松弛产生更显著的阻碍效应,定量验证了实验学者的猜想。本文为实验和模拟发现的一系列有趣的粘弹行为提供了微观机理诠释,不仅为探索类似的含有正交动态键的vitrimer网络的动力学性质提供了参考思路,还有望为具有复杂组成的刺激响应性材料的理性设计提供有益的指导。
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