这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:
该研究由Xiang-Ting Tang、Jia-An-Qi Zhou、Yi-Min Tu、Hua-Zhong Fan、Meng-Yuan Wang、Qing Cao、Zhongzheng Cai*和Jian-Bo Zhu*共同完成。作者们来自四川大学化学学院,国家环保型高分子材料工程实验室(四川)。该研究发表于《Angewandte Chemie International Edition》2025年期刊,DOI为10.1002/anie.202505310。
聚酰胺(Polyamides, PAs)作为重要的工程塑料,广泛应用于汽车、包装、基础设施、纺织和渔具等行业。然而,聚酰胺6(PA6)由于其酰胺键的存在,对湿度敏感,导致在潮湿环境下强度和刚度下降。此外,PA6的韧性和灵活性有限,限制了其实际应用。因此,开发具有高耐水性、透明性和化学可回收性的新型聚酰胺材料成为研究热点。
该研究旨在通过开环聚合(Ring-Opening Polymerization, ROP)方法,合成一系列苯并稠合己内酰胺(Benzo-Fused Caprolactams, BLMRs)单体,并进一步制备具有高耐水性、透明性和化学可回收性的半芳香族聚酰胺(Semi-Aromatic Polyamides, SAPs)。该研究的目标是通过单体设计策略,克服PA6的局限性,推动可持续高分子材料的发展。
研究流程主要分为以下几个步骤:
单体合成
研究人员通过两步法合成了苯并稠合己内酰胺(BLMRs)单体。首先,从2-羟基苯甲腈和2-取代的溴乙酸乙酯出发,通过亲核取代反应得到中间体B1-B3。随后,在氢气和雷尼镍催化下,中间体发生还原环化反应,生成目标单体BLMRs,总产率为57%-65%。
开环聚合
研究人员对BLMRs单体进行了开环聚合研究。使用多种催化剂(如t-BuP4、t-BuP2和Cl-Na)和引发剂(如I1和I2)进行筛选,发现t-BuP4在室温下表现出高效的催化活性,聚合反应在5分钟内达到93%-95%的转化率。通过调节单体、催化剂和引发剂的比例,研究人员成功制备了分子量(Mn)高达115 kDa的聚合物P(BLMRs)。
材料性能表征
研究人员对合成的P(BLMRs)进行了热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)测试,结果显示这些聚合物具有优异的热稳定性,分解温度(Td)在341-368°C之间。DSC曲线表明,P(BLMRs)为无定形材料,玻璃化转变温度(Tg)在71-134°C之间。此外,P(BLMRs)表现出较低的吸水率( wt%),显著优于PA6(~10 wt%)。
机械性能测试
通过单轴拉伸测试,研究人员评估了P(BLMRs)的机械性能。P(BLMs)表现出高刚度和拉伸强度,而P(BLMhex)则显示出优异的韧性和延展性,断裂伸长率(εb)达到387±20%,与商品化等规聚丙烯相当。
化学可回收性研究
研究人员对P(BLMRs)进行了化学可回收性研究。在100-150°C的稀溶液中,使用t-BuOK和La[N(SiMe3)2]3混合催化剂,P(BLMRs)能够高效地解聚回单体,回收率超过70%。回收的单体可重新用于聚合,实现了闭环循环。
单体合成与聚合
成功合成了苯并稠合己内酰胺(BLMRs)单体,并通过开环聚合制备了高分子量的P(BLMRs)聚合物。
材料性能
P(BLMRs)表现出优异的热稳定性、低吸水率和可调的机械性能,特别是P(BLMhex)具有高韧性和延展性。
化学可回收性
P(BLMRs)在温和条件下可高效解聚回单体,实现了闭环循环,为可持续高分子材料的发展提供了新途径。
该研究通过单体设计策略,成功开发了具有高耐水性、透明性和化学可回收性的半芳香族聚酰胺材料。这些材料不仅克服了传统PA6的局限性,还为可持续高分子材料的发展提供了新思路。该研究的成果具有重要的科学价值和应用前景,特别是在高性能工程塑料和循环经济领域。
单体设计
通过引入苯环结构,成功合成了具有优异聚合性能和可回收性的苯并稠合己内酰胺单体。
高效聚合
使用t-BuP4催化剂,实现了BLMRs单体的高效、可控开环聚合,制备了高分子量的P(BLMRs)聚合物。
优异性能
P(BLMRs)表现出优异的热稳定性、低吸水率和可调的机械性能,特别是P(BLMhex)具有高韧性和延展性。
闭环循环
P(BLMRs)在温和条件下可高效解聚回单体,实现了闭环循环,为可持续高分子材料的发展提供了新途径。
该研究还提供了详细的实验数据和表征结果,支持了研究结论的可靠性。此外,研究人员对P(BLMRs)的透明性进行了评估,发现其透明度显著优于PA6,扩展了其在光学应用中的潜力。
通过该研究,研究人员为高性能、可持续聚酰胺材料的开发提供了新的思路和方法,具有重要的科学意义和应用价值。