综述：基于弹性体的玻璃态聚合物——制备、表征及应用综述

《ACS Omega》：Elastomer-Based Vitrimers─A Review of the Preparation, Characterization, and Applications

动态共价网络（vitrimers）通过可逆化学键实现弹性体的可回收性和自修复功能，解决了传统硫化橡胶难以再加工的问题。本文综述了基于天然橡胶、丁苯橡胶等弹性体的vitrimers合成方法（如酯交换、硼酸酯、硫化学等），重点分析其机械性能（强度、延展性）、热稳定性、自愈合及形状记忆特性，并探讨了生物基原料开发及产业化挑战。

　　### 解读：基于弹性体的Vitrimers——一种可持续发展的材料创新

随着现代工业的迅速发展，弹性体材料在各个领域中扮演着至关重要的角色。这些材料因其出色的机械性能、热稳定性以及可伸缩性，被广泛应用于汽车、建筑、医疗设备、智能材料等。然而，传统弹性体材料由于其永久性的共价键结构，往往难以进行再加工、再利用和回收。这种特性限制了它们在环保和循环经济中的应用潜力。因此，科学家们不断寻找解决这一问题的新方法，从而推动了新型弹性体材料——Vitrimers的出现。

#### 1. 弹性体材料的挑战与机遇

弹性体材料，如天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）和聚氨酯（PU），在工业中具有广泛应用。然而，这些材料的永久性共价键结构使其无法像热塑性材料那样进行再加工和回收。这种不可逆的特性不仅增加了材料的废弃处理难度，也带来了严重的环境问题。为了解决这一难题，研究者们开始探索具有动态共价键的新型材料，如Vitrimers。这些材料能够实现共价键的交换，从而赋予材料可再加工性、自修复能力和可回收性。

#### 2. Vitrimers的化学机制

Vitrimers的形成依赖于多种化学机制，这些机制为材料的可回收性和可塑性提供了基础。其中包括酯交换、硫化学、烯烃复分解、烷氧基胺、亚胺和缩脲交换、尿素/脲交换、硅氧烷交换以及硼酸酯交换等。其中，酯交换是目前研究最为广泛的一种方法。通过酯交换反应，弹性体材料可以实现共价键的重新排列，从而改善其机械性能和热稳定性。

在酯交换反应中，催化剂的选择和使用是关键因素。锌（II）配合物如锌乙酰丙酮酸盐和锌乙酸二水合物被广泛用于促进反应。此外，一些有机催化剂如1,5,7-三氮杂环癸-5-烯（TBD）、二甲基咪唑（DMI）、1,2-二甲基三苯基膦（PPh）等也被用于提高反应效率。研究表明，酯交换反应可以有效地促进弹性体材料的再加工和自修复能力，从而提升其在工业中的应用潜力。

#### 3. Vitrimers的可持续性

Vitrimers作为一种新型材料，其优势在于能够实现材料的可持续利用。与传统的热固性材料相比，Vitrimers不仅具有优异的机械性能和热稳定性，还具备可再加工性和可回收性。这些特性使得Vitrimers成为实现循环经济和可持续发展的理想材料。研究者们通过引入生物基材料，如天然橡胶、羧甲基壳聚糖（CMCS）和氧化淀粉（OST），来提高Vitrimers的可再生性。

例如，Feng等人开发了一种基于天然橡胶和羧甲基壳聚糖的Vitrimers，这种材料不仅具有良好的机械性能，还能够实现高效的自修复能力。Zhao等人则通过引入氧化淀粉作为交联剂，进一步提高了Vitrimers的性能，使其在机械强度和弹性恢复方面表现优异。这些研究为Vitrimers在可持续材料领域的应用提供了重要的支持。

#### 4. Vitrimers的类型与特性

Vitrimers可以基于不同的弹性体材料进行开发，包括天然橡胶、丁苯橡胶、丙烯腈丁二烯橡胶（NBR）和硅橡胶等。每种弹性体材料在Vitrimers的合成过程中都具有独特的化学特性。例如，天然橡胶基Vitrimers通过酯交换反应实现动态交联，从而增强其机械性能和热稳定性。而硅橡胶基Vitrimers则通过引入硼酸酯键，使其具有优异的热稳定性和可再加工性。

研究还发现，Vitrimers的机械性能受到多种因素的影响，包括交联密度、分子量以及交联键的类型。例如，通过引入双键交联，如氢键和硼酸酯键，可以显著提高材料的机械性能。此外，Vitrimers的热性能也得到了广泛研究，其玻璃化转变温度（Tg）和交联密度是影响其热稳定性的关键因素。

#### 5. Vitrimers的性能表现

Vitrimers在多个方面表现出优异的性能，包括可回收性、自修复性、形状记忆效应和粘弹性特性。这些性能使得Vitrimers在多个工业领域中具有广泛的应用前景。例如，研究表明，Vitrimers在多次再加工循环后仍能保持其机械性能，这得益于其动态交联网络的特性。此外，Vitrimers还能够实现高效的自修复能力，即使在高温条件下也能迅速恢复其结构完整性。

形状记忆效应是Vitrimers的另一大优势。通过引入动态键，如氢键和硼酸酯键，可以实现材料的形状记忆行为。例如，研究发现，通过调整温度，Vitrimers可以恢复其原始形状，从而展现出优异的可再加工性和形状记忆性能。这些特性使得Vitrimers在智能材料和柔性电子设备领域中具有广阔的应用前景。

#### 6. Vitrimers的应用领域

Vitrimers的应用范围广泛，涵盖了多个领域，如智能执行器、自修复材料、纳米过滤膜和生物可降解材料等。例如，Bui等人开发了一种基于天然橡胶的Vitrimers，该材料在较低的电场下表现出优异的执行能力。此外，Chen等人通过引入动态键，开发了一种基于液晶弹性体的Vitrimers，这种材料可以实现高效的执行性能。

在生物可降解材料领域，Vitrimers也展现出巨大的潜力。通过引入生物基材料，如天然橡胶和羧甲基壳聚糖，可以实现材料的可降解性和可再加工性。这些材料不仅在医疗领域中具有应用价值，还可以用于药物输送和组织工程等。

#### 7. Vitrimers的未来发展与挑战

尽管Vitrimers在多个方面表现出优异的性能，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，如何提高Vitrimers的机械强度和热稳定性，是当前研究的重点。此外，如何实现Vitrimers的大规模生产和商业化，也是未来发展的关键问题。研究者们正在探索多种方法，如引入纳米填料，以提高Vitrimers的性能。例如，通过引入碳纳米管（CNTs）和石墨烯，可以显著提高Vitrimers的机械强度和导电性。

另一个重要的挑战是如何提高Vitrimers的可回收性和再加工性。目前，一些研究已经探索了催化剂自由的Vitrimers，以避免使用有毒的化学试剂。然而，这些材料在实际应用中仍面临一些问题，如反应效率和稳定性。因此，未来的研究需要解决这些问题，以实现Vitrimers的广泛应用。

#### 8. 结论

综上所述，Vitrimers作为一种新型材料，具有优异的机械性能、热稳定性和可再加工性。这些特性使得Vitrimers在多个工业领域中具有广泛的应用前景。然而，Vitrimers在实际应用中仍面临一些挑战，如如何提高其机械强度和热稳定性，以及如何实现其大规模生产和商业化。未来的研究需要进一步探索这些方面，以推动Vitrimers的广泛应用。