前沿應用 | 探尋可持續制造復合材料的黃金加工溫度：低場核磁技術顛覆傳統認知

2025-08-04 16:45:18 4閱讀次數

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背景

在可持續制造領域，含動態共價鍵（DCBs）的 vitrimer 材料因兼具熱固性材料的穩定性（低于拓撲凍結溫度 Tv 時）和熱塑性材料的可加工性（高于 Tv 時），成為研究熱點。然而，傳統通過流變學方法（如應力松弛實驗）測定的 Tv 存在局限性，其可能同時受到化學鍵交換和摩擦動力學的影響，無法準確反映化學鍵交換的真實起始溫度。尤其在纖維增強復合材料（FRCs）中，纖維與基體的相互作用進一步復雜化了 Tv 的測定。

為了解決這一問題，研究團隊采用了多種表征技術。其中，低場核磁弛豫測量技術因其對分子動態變化具有較高的敏感性，成為揭示vitrimer材料中化學交換機制的關鍵手段。此外，與傳統流變方法所需的破壞性測試相比，低場核磁技術具備無損檢測的優勢。

低場核磁技術的應用方案

實驗設計

研究對象

環氧-酸酐基聚酯 vitrimer（純基體及纖維素纖維增強復合材料，環氧與酸酐官能團比例 R=1:1）。

核心參數

通過測量橫向弛豫時間（T?）及剛性/柔性相組分的變化，追蹤材料在不同溫度下的分子運動狀態。

技術優勢

非侵入性測量，可在分子水平上反映鏈段運動性，不受材料宏觀力學性能干擾，直接關聯化學鍵交換的動態過程。

關鍵發現

圖 A：純 R=1:1 vitrimer

A (i)：

T?弛豫時間隨溫度的變化。T?與分子運動性正相關（分子運動越劇烈，T?越長）。結果顯示，75℃（接近 Tg）以上，剛性相和柔性相的T?均穩步增加，150℃后出現顯著躍升，表明化學鍵交換（酯交換反應）激活，導致偶極耦合減弱。

A (ii)：

剛性相和柔性相的分數變化。100℃以下，材料以剛性相為主（相分數穩定）；100℃后剛性相分數下降、柔性相分數上升，125-160℃間變化最為顯著，提示此溫度區間內化學交換開始活躍，直接證實化學鍵交換起始于150℃，遠低于流變學測定的Tv（200.7°C）。

圖 B：VC（1:1）復合材料

B (i)：

復合材料的T?弛豫時間整體長于純 vitrimer，且隨溫度升高增幅更明顯，表明纖維與基體的相互作用增強了分子運動性。

B (ii)：

相分數變化顯示，復合材料在更低溫度下即出現剛性相向柔性相的轉變，且最終收斂為單一相，反映纖維表面羥基與基體酯基的動態鍵合（酯交換）促進了分子運動的協同性。

技術價值與應用意義

突破傳統方法局限

傳統流變學測定的 Tv 主要反映宏觀流動行為，而低場NMR揭示的分子動態變化表明，化學交換起始溫度遠低于流變學 Tv，說明 Tv 是化學交換與摩擦動力學的綜合結果，而非單一的 “相變點”。

這一發現為優化 vitrimer 復合材料的再加工工藝提供了關鍵依據：無需達到流變學 Tv 即可實現材料的重塑，減少高溫對纖維（如纖維素）的損傷。

推動可持續復合材料開發

通過低場 NMR 明確了纖維素纖維與 vitrimer 基體的動態共價作用機制（羥基與酯基的酯交換），解釋了復合材料為何能在多次熱重塑后仍保持 > 90% 的力學性能（如剪切強度≈70 MPa，應變率>10%）。

該技術為設計 “自修復”“可回收” 復合材料提供了分子水平的設計思路，例如通過調控纖維表面羥基密度優化界面動態鍵合效率。

參考資料

Rohewal, S. S., Damron, J. T., Seo, J., Kanbargi, N., Gupta, S., Humphrey, H. E., Kearney, L. T., Chang, J., Tetard, L., & Naskar, A. K. Hierarchically Structured Vitrimer Biocomposites for Sustainable Manufacturing [J]. Small, 2025, 25 (00721): 1 - 14.

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