热调控下二氧化硅填充磷酸酯维他聚合物的网络演化

《European Polymer Journal》:Thermally modulated network evolution in silica-filled phosphate vitrimers

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月31日 来源:European Polymer Journal 6.8

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   摘要维特利默复合材料代表了一类正在发展的聚合物材料,与传统的羧酸盐类似物相比,基于磷酸酯的维特利默提供了独特的酯交换途径和快速的应力松弛。在本研究中,将二氧化硅颗粒引入磷酸酯 - 甲基丙烯酸酯维特利默基体中,以开发动态光固化复合材料。通过针对动态树脂定制的受控热后处理策略,调

  

摘要

维特利默复合材料代表了一类正在发展的聚合物材料,与传统的羧酸盐类似物相比,基于磷酸酯的维特利默提供了独特的酯交换途径和快速的应力松弛。在本研究中,将二氧化硅颗粒引入磷酸酯 - 甲基丙烯酸酯维特利默基体中,以开发动态光固化复合材料。通过针对动态树脂定制的受控热后处理策略,调节了网络的結構和热机械演变。具体来说,利用磷酸二酯 - 羟基缩合和酯交换反应来调节交联密度、网络架构和机械行为。二氧化硅填料包含纳米和亚微米颗粒,以其原始状态或具有硫醇、甲基丙烯酸酯或羟基官能团的硅烷处理状态进行评估,加载量范围为 25 至 70 重量百分比 (w.t.%)。通过与非动态羧酸盐参考系统的对比评估,采用傅里叶变换红外光谱 (FTIR)、动态力学分析 (DMA)、原子力显微镜 (AFM) 和有限元建模 (FEM) 进行。实验数据验证了磷酸网络特有的热控缩合和交换途径驱动的独特的结构重组机制。这种热后处理优化实现了高填充复合材料的制造,其橡胶态平衡模量提高了高达五倍,同时增强了抗弯强度和结构延展性,打破了经典的刚度 - 脆性权衡。此外,逐步的有限元分析 (FEA) 模拟提供了宏观本构说明,捕捉了动态基体中热激发的键交换如何在渐进的机械载荷下限制不可逆塑性应变场的扩展率。因此,这种热诱导机制展示了一种有效策略,用于均匀化和优化高负载的异质复合材料。

引言

自 2011 年 Leibler 等人首次提出“维特利默”一词来描述具有类似玻璃态二氧化硅性质的交联环氧网络以来,这些系统的发展已经广泛扩展 [1]。作为缔合型共价可适应网络 (CANs),维特利默含有动态可逆键,通过交换反应发生拓扑重排,而不降低整体交联密度。在拓扑冻结转变温度 (Tv) 以下,它们像传统的热固性塑料一样具有优异的机械性能,而在 Tv 以上,活跃的键交换宏观流动、热重塑和自修复 [2], [3]。
将维特利默聚合物基体集成到复合材料中代表了材料科学的自然进展。大量研究采用了各种填料,包括碳纤维和玻璃纤维、碳纳米管、石墨烯和二氧化硅,利用多种动态化学,如酯交换 [4], [5], [6], [7], [8]、亚胺交换 [9], [10], [11], [12], [13]、烯丙型氨基甲酸酯/脲交换 [14], [15], [16]、二硫键复分解 [17], [18], [19], [20]、氨解交换 [21] 和硅氧烷交换 [22]。虽然这些维特利默复合材料大多数本质上是热固性材料 [23],但最近的关注点已转向光固化维特利默系统,以减轻快速光聚合期间产生的高收缩应力,特别是用于牙科复合材料应用。虽然含有能够进行加成分解链转移 (AFCT) 的动态硫醇 - 烯树脂并结合官能化纳米二氧化硅的“双重动态”光固化复合材料成功降低了收缩应力,但其加载量限制在最大 25 重量百分比,产生的强度参数仅为几 MPa [24], [25]。实现实际性能参数需要系统评估,在坚固、高交联的树脂基体构型中采用显著更高的填料加载量。关于颗粒二氧化硅,文献数据主要报道了模型复合体系,其中无机填料仅占组成的一部分,通常将基于二氧化硅的维特利默网络限制在低于 40 重量百分比的填料含量 [4], [25]。
此外,基于磷酸酯化学的动态网络提供了独特的酯交换途径,并与传统的羧酸盐对应物相比增强了拓扑柔性,从而能够设计高效的、无催化剂的动态材料 [26]。虽然维特利默复合材料中的有机磷化合物主要作为阻燃剂、添加剂或交换催化剂 [14], [27], [28],但其作为结构骨架的潜力仍未得到充分利用。在我们之前的研究中,我们证明高度交联的磷酸二酯网络,在羟基存在下,表现出同时具有交换和热缩合的能力,从而导致这些动态材料中交联密度的受控增加 [29]。
基于这些发现,本研究的主要目标是设计和评估高达 70 重量百分比的高二氧化硅含量光固化玻璃态磷酸酯维特利默。虽然传统的维特利默复合材料研究主要集中在通过自修复 [27] 恢复初始性能基线或实现填料回收和再利用 [28],但本工作的重点超出了这些既定范式。这些高负载系统的机械和粘弹性能可以通过磷酸酯缩合和酯交换的双重机制在聚合后通过热调整 (方案 1),实现相对于其初始聚合状态的复合材料性能的受控增强。我们假设,在高于玻璃化转变温度 (Tg) 的中等温度下扩展动态交换窗口,为内部聚合和热应力的松弛提供了必要的时间。这种时间控制的热后处理策略预计可以防止过早的微裂纹并优化这些高填充架构的整体机械性能。

章节摘要

样品制备

由双甲基丙烯酸酯双酚 A-缩水甘油二甲基丙烯酸酯 (BIS-GMA)、三乙二醇二甲基丙烯酸酯 (TEGDMA) 和双 (2-(甲基丙烯酰氧基) 乙基) 磷酸酯单体 (BMEP) (或 GDMA - 甘油二甲基丙烯酸酯) 组成的树脂,重量比为 70/30/0、55/30/15 和 40/30/30 w.t.%,加入 0.5 w.t.% 的光引发剂苯基双 (2,4,6-三甲基苯甲酰) 氧化膦 (BAPO) 并在固化前脱气。为了获得矩形试样 (25 x 3 ± 0.5 x 1) mm,混合物

未填充树脂体系的基准表征

为了利用磷酸二酯基团进行羟基缩合、动态交换和网络松弛的能力,将该官能团引入通常形成异质和高交联玻璃态网络的双甲基丙烯酸酯光聚合树脂中 [31]。基体成分以 BisGMA 和 TEGDMA 为主,与 BMEP 配合配制。评估了三种未填充配方,以在制备复合材料之前建立基准参数:两个动态系统

结论

总之,本研究证明,在二氧化硅填充网络中引入磷酸酯基团建立了一种高效的交换机制,在高达 70 w.t.% 的填料加载量下维持了其动态粘弹性特征。虽然应力松弛动力学取决于填料形态和表面硅烷化,但即使在催化中心浓度较低的情况下,磷酸 - 羟基酯交换仍然有效。动态力学分析 (DMA)、原子力

CRediT 作者贡献声明

Patrycja Banaszek: 写作 – 原稿,可视化,验证,软件,方法论,调查,正式分析,概念化。Przemys?aw Podgórski: 软件,方法论。Maciej Podgórski: 写作 – 审查与编辑,可视化,验证,监督,软件,资源,项目管理,方法论,调查,资金获取,正式分析,数据整理,概念化。

利益冲突声明

作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究由波兰国家科学中心资助 (项目编号:UMO-2022/47/B/ST5/01952)。
Patrycja Banaszek|Przemys?aw Podgórski|Maciej Podgórski
聚合物化学系,化学科学研究所,玛丽亚·居里·斯克沃多夫斯卡大学,玛丽亚·居里·斯克沃多夫斯卡广场 5 号,卢布林 20-031,波兰
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