ویتریمرها: دسته جدیدی از مواد پلیمری با پیوندهای کووالانسی تبادل پذیر

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران

2 عضو هیئت علمی / پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران

چکیده

پلیمرها براساس رفتار گرمایی به دو دسته اصلی گرماسخت و گرمانرم تقسیم م یشوند. ویتریمرها دسته جدیدی از مواد پلیمری هستند که به طور همزمان خواص مکانیکی-شیمیایی مطلوب گرماسخت ها و قابلیت فرایندپذیری گرمانرم ها را دارند. آن ها شبکه های کووالانسی هستند که می توانند توپولوژی خود را ازطریق واکنش های برگشت پذیر تبادل پیوند تغییر دهند. رفتار گران رو کشسانی ویتریمرها با استفاده از دو دمای انتقال توصیف می شود. اولین مورد، دمای معمول انتقال شیشه ای میان حالت های شیشه ای و لاستیکی شبکه پلیمری است. دمای انتقال دوم از واکنش تبادل پیوندهای عرضی شبکه ناشی می شود، جایی که در آن انتقال از جامد گران رو کشسان به مایع گران رو کشسان رخ می دهد و به عنوان دمای انجماد توپولوژی تعریف می شود. هنگامی که ویتریمرها به بیش از دمای انجماد توپولوژی گرم شوند، می توانند مانند گرمانرم ها کمی جریان یابند. در این حالت، چگالی کل اتصالات عرضی ثابت می ماند. اما سرعت تبادل پیوند با دما افزایش می یابد. این موضوع به کاهش تدریجی گران روی با دما منجر می شود که با کاهش نسبتاً ناگهانی گران روی در دمای ذوب مواد گرمانرم متفاوت است. ویتریمرها براساس رفتار گران رو کشسانی آن ها، می توانند قابلیت های ویژه ای مانند ترمیم، تغییرشکل و بازیافت داشته باشند. با این حال، این مواد محدودیت هایی مانند مقیاس پذیری کم، هزینه زیاد و خواص مکانیکی ضعیف را نیز تجربه می کنند. در این مقاله، پس از تشریح موارد فوق، دو کاربرد ویتریمرها در تهیه چسب های برگشت پذیر و پیش آغشته های بادوام بررسی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Vitrimers: A New Class of Polymeric Materials with Exchangeable Covalent Bonds

نویسندگان [English]

  • Hamidreza khalafi 1
  • Morteza Ehsani 2
  • Hossein Ali Khonakdar 1
1 Faculty of Polymer Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran, Iran.
2 Iran Polymer and Petrochemical Institute
چکیده [English]

B ased on thermal behavior, polymers are divided into two main categories: thermoplastics and thermosets. Vitrimers are a new class of polymers that simultaneously have the desired mechanical/chemical properties of thermosets and the
reprocessability of thermoplastics. They are covalent networks that can change their topology through reversible bond exchange reactions. The viscoelastic behavior of vitrimers is described using two transition temperatures. The first one is the usual glass transition temperature, Tg, between the glassy and rubbery states of polymer networks. The second
transition temperature is derived from the cross-link exchange reactions of the network, where the transition from viscoelastic solid to viscoelastic liquid occurs at a temperature denoted as the topology freezing transition temperature. When vitrimers are heated above the topology freezing transition temperature, they can flow slightly like thermoplastics.
In this state, the total crosslink density remains constant, but the rate of bond exchange increases with temperature. This leads to a gradual decrease in viscosity with temperature, which differs from the relatively abrupt drop in viscosity associated at the melting transition of thermoplastic materials. Based on the their viscoelastic behavior, vitrimers are capable to provide unique properties such as repairing, reshaping, and recycling. However, these materials also experience limitations such as low scalability, high cost, and low mechanical properties. In this paper, after explaining the above-mentioned issues, two applications of vitrimers in the preparation of reversible adhesives and durable prepregs are investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vitrimer
  • Thermosetting Polymer
  • Exchangeable Covalent Bond
  • Topology Freezing Temperature
  • Prepreg

مراجع

  1. Kissounko D.A., Taynton P., and Kaffer C., New Material: Vitrimers Promise to Impact Composites, J. Rein. Plast., 62, 162-166, 2018.
  2. Denissen W., Winne J.M., and Du Prez F.E., Vitrimers: Permanent Organic Networks with Glass-Like Fluidity, Chem. Sci., 7, 30-38, 2016.
  3. Montarnal D., Capelot M., Tournilhac F., and Leibler L., Silica-Like Malleable Materials from Permanent Organic Networks, Science, 334, 965-968, 2011.
  4. Azcune I., Elorza E., Ruiz de Luzuriaga A. et al., Analysis of the Effect of Network Structure and Disulfide Concentration on Vitrimer Properties, Polymers, 15, 4123, 2023.
  5. Zhang Y.C., Li W.D., Zhao X. et. al., Epoxy-Based High-k Composite Vitrimer: With Low Dielectric Loss, High Breakdown Strength and Surface Electrical Damage Repairability, Chem. Eng. J., 473, 145199, 2023.
  6. Roig A., D’Agostino V., Serra A., and De la Flor S., Towards Fast Relaxation Rates and Creep Resistance in Disulfide Vitrimer-Like Materials, React. Funct. Polym., 193, 105764, 2023.
  7. Capelot M., Unterlass M.M., Tournilhac F., and Leibler L., Catalytic Control of the Vitrimer Glass Transition, ACS Macro. Lett., 1, 789-792, 2012.
  8. Khalafi H.R., Ehsani M., and Khonakdar H.A., Investigation of the Cure Kinetics and Thermal Stability of an Epoxy SystemContaining Cystamine as Curing Agent, Polym. Adv. Technol., 32, 1251-1261, 2021.
  9. De luzuriaga A.R., Martin R., Markaide N., Rekondo A., Cabañero G., Rodriguez J., and Odriozola I., Epoxy Resin with Exchangeable Disulfide Crosslinks to Obtain Reprocessable, Repairable and Recyclable Fiber-Reinforced Thermoset Composites, Mater. Horiz., 3, 241-247, 2016.
  10. Tang Z., Liu Y., Guo B., and Zhang L., Malleable, Mechanically Strong, and Adaptive Elastomers Enabled by Interfacial Exchangeable Bonds, Macromolecules., 50(19), 7584-7592, 2017.
  11. Qiu M., Wu S., Tang Z., and Guo B., Exchangeable Interfacial Crosslinks towards Mechanically Robust Elastomer/Carbon Nanotubes Vitrimers, Compos. Sci. Technol., 165, 24-30, 2018.
  12. Ma Z., Wang Y., Zhu J., Yu J., and Hu Z., Bio-Based Epoxy Vitrimers: Reprocessibility, Controllable Shape Memory, and Degradability, J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 55(10),

1790-1799, 2017.

  1. Yu K., Taynton P., Zhang W., Dunn M. L. and Qi H.J., Influence of Stoichiometry on the Glass Transition and Bond Exchange Reactions in Epoxy Thermoset Polymers, RSC Adv., 4, 10108-10117, 2014.
  2. Denissen W., Rivero G., Nicolaÿ R., Leibler L., Winne J.M., and Du Prez F.E., Vinylogous Urethane Vitrimers, Adv. Funct. Mater., 25, 2451–2457, 2015.
  3. Martin R., Rekondo A., Ruiz de Luzuriaga A., Cabanero G., Grande H.J., and Odriozola I., The Processability of a Poly(urea-urethane) Elastomer Reversibly Crosslinked with Aromatic Disulfide Bridges, J. Mater. Chem. A, 2, 5710–5715, 2014.
  4. Zheng P. and McCarthy T.J., A Surprise from 1954: Siloxane Equilibration is a Simple, Robust, and Obvious Polymer Selfhealing Mechanism, J. Am. Chem. Soc., 134, 2024-2027, 2012.
  5. Deng G., Li F., Yu H., Liu F., Liu C., Sun W. et al., Dynamic Hydrogels with an Environmental Adaptive Self-Healing Ability and Dual Responsive Sol−Gel Transitions, ACS Macro Lett., 1, 275-279, 2012.
  6. Liu Y., Tang Z., Chen Y., Zhang C., and Guo B., Engineering of β-Hydroxyl Esters into Elastomer-Nanoparticle Interface towards Malleable, Robust and Reprocessable Vitrimer Composites, ACS Appl. Mater. Interfaces, 10, 2992-3001, 2018.
  7. Legrand A. and Soulié-Ziakovic C., Silica−Epoxy Vitrimer Nanocomposites, Macromolecules, 49, 5893-5902, 2016.
  8. Yan P., Zhao W., Jiang L., Wu B., Hu K., Yuan Y., and Lei J., Reconfiguration and Shape Memory Triggered by Heat and Light of Carbon Nanotube–Polyurethane Vitrimer Composites, J. Appl. Polym. Sci., 135, 1-8, 2018.
  9. Zhang Q., Li M., Feng P., Meng L., Jian X., and Xu J., Rapid Stress Relaxation and Degradable Aromatic Disulfide Vitrimerfor Recyclable Carbon Fiber Reinforced Composite, J. Polym. Res., 31, 87, 2024.
  10. Yu K., Shi Q., Dunn M.L., Wang T., and Qi H.J., Carbon Fiber Reinforced Thermoset Composite with Near 100% Recyclability, J. Adv. Funct. Mater., 26, 6098-6106, 2016.
  11. Wang Z., Li Z., Wei Y., and Ji Y., Gold Nanospheres Dispersed Light Responsive Epoxy Vitrimers, Polymers, 10, 1-7, 2018.
  12. Yang Y., Pei Z., Zhang X., Tao L., Wei W., and Ji Y., Carbon Nanotube–Vitrimer Composite for Facile and Efficient Photo-Welding of Epoxy, Chem. Sci., 5, 3486-3492, 2014.
  13. Tang J., Wan L., Zhou Y., Pan H., and Huang F., Strong and Efficient Self-healing Adhesive Based on Dynamic Quaternization Cross-links, J. Mater. Chem. A, 5, 21169-21177,

2017.

  1. Khalafi H.R., Mortezaei M., and Amiri Amraei I., Relationship Between the Process Parameters and Resin Content of a Glass/Epoxy Prepreg Produced by Dipping Method, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 27, 391-402, 2014.
  2. Khalafi H.R. and Mortezaei M., Effect of Processing Parameters on the Properties of Solvent and Hot-melt Prepreg Manufacturing Methods, Polymerization (Persian), 4, 72-82, 2014.
  3. Denissen W., Baere I.D., Paepegem W.V., Leibler L., Winne J., and Du Prez F.E., Vinylogous Urea Vitrimers and Their Application in Fiber Reinforced Composites, Macromolecules, 51, 2054-2064, 2018.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار