创新背景
聚合物在今天的社会生活生产中无处不在,但它们积累塑料废物、制造传统聚合物的不可持续性损害环境。聚合物通常是通过使用共价键将一串称为单体的构建块连接在一起制成,但这些强力键使报废塑料制品很难被解聚回收单体再利用。
创新过程
日本理化学研究所(RIKEN)的研究人员开发出一种环保的聚合物,可在无溶剂工艺中催化自身,这一发现或可推动使用可持续工艺制造的固有可回收聚合物材料发展。相比之下,超分子聚合物由通过氢键等相互作用保持在一起的单体阵列组成,氢键比共价键更弱,因此更可逆。
研究人员表示,用于制造超分子聚合物的溶剂限制了其应用和可持续性。在未来,无溶剂化学品制造可能是唯一获得批准的化学工艺,因为其他制造工艺中使用的大量溶剂对环境造成了严重破坏。
研究团队发现名为邻苯二甲腈的楔形分子在加热时会熔化形成多种薄的绿色结晶纤维,是呈棒状的超分子聚合物。当四个楔形块聚集在一起形成一个扁平的圆形圆盘时,聚合过程就此开始。然后,圆盘形组件(单体)可以作为接下来四个楔形前体分子结合的模板表面,为结构添加一层。重复该过程,用每一层新聚合物催化下一层的形成,直到形成长棒状结构。研究团队将他们的工艺命名为无溶剂自催化超分子聚合。
这些超分子聚合物的结晶纤维的机械性能类似于聚甲基丙烯酸烷基酯的机械性能,聚合物被用于有机玻璃等一系列应用。研究通过在特定时间点将替代前体分子添加到混合物中来创建其超分子聚合物的更复杂版本,从而形成“嵌段共聚物”,其沿每个棒的长度具有不同单体的条带。无溶剂自催化超分子聚合可用于从一系列起始材料制备超分子聚合物,可能适用于多环芳烃和环肽的合成。
创新关键点
通过使用无溶剂超分子聚合物合成生产结晶超分子纤维,开发环保绿色的方法使聚合物生产更具可持续性。
Green synthesis of supramolecular polymers using solvent-free process
Researchers at Japan's RIKEN Institute have developed an environmentally friendly polymer that catalyzes itself in a solvent-free process, a discovery that could boost the development of inherently recyclable polymer materials made using sustainable processes. In contrast, supramolecular polymers consist of arrays of monomers held together by interactions such as hydrogen bonds, which are weaker and therefore more reversible than covalent bonds.
The researchers say the solvents used to make the supramolecular polymer limit its application and sustainability. In the future, solvent-free chemical manufacturing may be the only approved chemical process, as the large number of solvents used in other manufacturing processes wreak havoc on the environment.
The team found that the wedge-shaped molecules, called phthalonitrile, are rod-like supramolecular polymers that melt when heated to form a variety of thin green crystalline fibers. The process begins when the four wedges come together to form a flat circular disk. The disc-shaped component (monomer) can then serve as a template surface for binding of the next four wedge-shaped precursor molecules, adding a layer to the structure. The process is repeated, with each new layer of polymer catalyzing the formation of the next until a long rod-like structure is formed. The research team named their process solvent-free autocatalytic supramolecular polymerization.
The mechanical properties of the crystalline fibers of these supramolecular polymers are similar to those of polyalkyl methacrylate, which are used in a range of applications such as plexiglas. Studies create more complex versions of their supramolecular polymers by adding alternative precursor molecules to the mixture at specific points in time, resulting in "block copolymers" with bands of different monomers along the length of each rod. Solvent-free autocatalytic supramolecular polymerization can be used to prepare supramolecular polymers from a range of starting materials and may be suitable for the synthesis of PAHs and cyclic peptides.
智能推荐
新材料 | 新型吸湿材料可减少防护服的热应激
2022-09-30创新利用蒸发冷却原理开发可控制防护服中微环境中的湿度水平的超吸湿性复合膜来,有效处理防护服的热应激。
涉及学科涉及领域研究方向新材料 | 新型木质塑料可替代家居用品化石基材料
2022-12-05创新开发新型具有半结构强度的木质可降解塑料,材料可以在不损害环境的情况下分解,支持家具建筑制造的同时保护环境。
涉及学科涉及领域研究方向新型碳同素异形体单晶——单层聚合碳60
2022-08-03研究团队利用掺杂聚合-剥离两步法,从准六方相结构中剥离得到了一种具有较高的结晶度、良好的热力学稳定性和适度禁带宽度的新型碳同素异形体单晶——单层聚合碳60(C60),并获得了确凿的价键结构。这项研究成果在未来有望用于半导体、量子计算、化学催化等领域,并为碳材料的研究提供了全新思路。
涉及学科涉及领域研究方向可内置电子器件的新型3D打印墨水
2022-08-04在这项工作中,研究团队建立了一种可快速、多尺度地打印各种设计的多材料丝状油墨,以创建复杂的三维分层功能系统,将微米尺度的设备分辨率与厘米尺度的物体大小连接起来。特别是,与目前的复合墨水18,19,20,21不同,目前复合墨水对组成材料的空间定位控制有限,研究人员展示了将不同可互换材料类别与可控界面结合在一起的结构化丝状材料,而其内部材料可以通过微结构形状形成不同的拓扑结构,从而实现不同的墨水功能。
涉及学科涉及领域研究方向