透明硬質聚合物
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-26
透明硬質聚合物的實例教程
硬質聚合物在保護性涂層、功能塑料和粘合劑領域有著廣泛的應用，長期使用過程中易出現裂紋；然而由于硬質聚合物的鏈段運動困難，難以設計具有自修復功能的硬質聚合物，無法實現裂痕的主動修復。研究人員通過在硬質聚合物分子結構內引入動態共價鍵或非共價鍵，實現自修復功能，但目前仍存在制備周期長、制備過程大量使用有機溶劑、聚合物帶有顏色或不透明性等缺點。
為解決上述問題，華南理工大學何明輝副研究員課題組分別設計了軟和硬的可聚合低共熔溶劑（Polymerizable deep eutectic solvent, PDES）單體：丙烯酸/氯化膽堿和丙烯酰胺/氯化膽堿（AA/ChCl和AAm/ChCl）型PDES單體，經過原位光聚合工藝，并利用體系內的軟硬聚合物鏈段和組分間的協同氫鍵作用制備了具有高透明度（光學透過率高達~94.8%）、優秀機械性能（拉伸強度在65.74～108.13 MPa之間，斷裂伸長率僅為2.03%～9.06%，楊氏模量在9.58～14.16 GPa之間）和自修復性能（100oC時修復24小時的自修復效率為87.65%）的超分子低共熔硬質聚合物（如圖1），相關論文發表于Chemistry of Materials 上。
圖1. 可自修復的透明硬質聚合物的設計理念，（a）兩種軟硬PDES單體以及光聚合后的形態，（b）硬質聚合物的自修復過程示意圖，（c）硬質聚合物網絡中的協同氫鍵作用。
展開 （a）用于Si負極的優化的3F1T粘合劑組合
（b）用于Si負極的優化的2F2S粘合劑組合
（c）針對Sn負極的優化的3F1T粘合劑組合
（d）針對Fe2O3負極的優化的3F1T粘合劑組合
【小結】
總之，通過將硬質PFA和軟質PVA交織成復合粘合劑，可以實現具有高面積容量的高負載量Si負極。在另一種聚合物的凝膠中利用可聚合單體能夠建立復合粘合劑的3D-IBN結構。PFA和PVA粘合劑的組合與優化的比例使得最高面積容量為10 mAh cm-2，循環次數超過300圈，使得LIBs的能量密度超過300 Wh kg-1。同時，其他硬質和軟質聚合物組合也能夠穩定Si負極。這些結果表明，交織硬質和軟質聚合物以構建3D結合網絡的策略簡單、有效且通用。與使用氫鍵的傳統策略相比，這種新策略可以潛在地降低制造成本并簡化制造工藝，并且為識別新的粘合劑提供更多可能性。當與Si負極的氫鍵和碳涂層結合時，預期每個循環中包括電極密度的Si基負極的性能指標將進一步提高，從而在不久的將來顯著提高LIB的能量密度。
文獻鏈接：“Interweaving 3D Network Binder for High-Areal-Capacity Si Anode through Combined Hard and Soft Polymers” (Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002/aenm.201801718)
【作者簡介】
林展，博士，廣東工業大學輕工與化工學院特聘教授，博士生導師，主要從事新能源材料與器件的設計合成及相關基礎研究。迄今為止，在Chem. Rev., Energy Environ. Sci., Nat.
展開 此外，表面粗糙度與透明度之間的競爭對制備透明的超雙疏表面而言又是另外一個挑戰：一方面，超雙疏表面需要足夠的表面粗糙度以獲得高接觸角（CA）和低接觸角滯后（CAH）。另一方面，表面粗糙度必須足夠小以保持光的高透過率，以此減少粗糙表面所造成的米氏散射。雖然人們曾經使用過簡單的浸涂或噴涂方法，已成功制備了透明的超雙疏表面，但所獲得的具有凹角的表面形貌是不規則和不可控制的。相對于不規則結構，規則的凹角結構能夠在基于建立幾何模型的情況下對表面的潤濕性進行基礎分析，這可以幫助我們進一步了解和設計疏液表面。因此，制備這種同時具有高接觸角，低接觸角磁滯和高透明度，并且化學和機械穩定性好的超雙疏規則表面材料對于實際應用具有重要意義。
【成果簡介】
近日，復旦大學武利民教授（通訊作者）課題組在ACS Nano上發表了題為Large-Area Preparation of Robust and Transparent Superomniphobic Polymer Films的研究論文。文章報道了一種簡單有效的策略，通過結合單向摩擦和加熱輔助組裝技術，成功的大規模制備了堅固的，透明的超雙疏聚合物薄膜。獲得的聚合物薄膜具有兩種特殊的表面凹角形貌：六方排列三角形突起結構和六方排列矩形微柱結構。兩種結構的不同取決于所使用的二氧化硅模板的粒徑大小。該超雙疏聚合物薄膜對水和低表面張力液體表現出了優異的排斥性，同時薄膜也具有很高的透明性。
展開 【摘要】
具有高機械強度的高分子聚合物通常具有高結晶度和緊密纏結的鏈段，阻礙了斷裂界面的自愈。最近，
華南理工大學
何明輝副研究員
團隊
報告了由堅硬而堅固的
聚（丙烯酰胺
/氯化膽堿）和柔軟且可逆的聚（丙烯酸/氯化膽堿）片段制成的堅硬、可自愈、透明的聚合物 (SSHTP) 材料
。
通過兩種可聚合的低共熔溶劑單體的光引發共聚，可以在 1 分鐘內輕松制備 SSHTP，同時獲得高透光率、優異的機械強度和自修復能力。由于微相分離聚合物基體中高密度氫鍵的協同相互作用，受損的SSHTPs可以在中等條件下自主自愈斷裂，愈合后的SSHTPs可以承受大于自身重量500倍的壓力而不會斷裂。我們的研究為透明可愈合硬聚合物的設計提供了一種簡單、可行和綠色的方法，該聚合物在各種工業和技術領域具有廣闊的應用前景。
相關論文以題為
Stiff, Self-Healable, Transparent Polymers with Synergetic Hydrogen Bonding Interactions
發表在《
Chemistry of Materials
》上。
【主圖導讀】
圖
1. 機械剛性、自修復、透明聚合物 (SSHTP) 的設計概念
。(a) 用于SSHTPs的硬質和硬質聚（AAm/ChCl）和柔軟且可拉伸的聚（AA/ChCl）的設計和制備過程。(b) SSHTP 愈合過程示意圖。(c) SSHTP 基質中的氫鍵協同作用。
圖
2. SSHTP 的表征。
(a) SSHTP 薄膜的紫外-可見光譜，平均透光率約為 94.8%。
展開 與無機半導體和鈣鈦礦材料相比，有機半導體具有不連續的吸收特性，這使得它們在制備半透明器件方面具有獨特的優勢。基于有機半導體材料的半透明有機太陽能電池可用于外窗玻璃、建筑立面等建筑表面，實現多樣化的能量轉換途徑。通常，半透明有機太陽能電池實際應用的臨界平均可見光透射率應大于25%，但由于光吸收和透射率之間的權衡，而高的平均可見光透射率總是會導致能量轉換效率的顯著下降。而對于理想的半透明有機太陽能電池器件，它應該充分利用不可見光子來最大化能量轉換效率，并最大化可見光子的透過以獲得高的平均可見光透射率和顯色指數。具有良好近紅外光子吸收的窄帶隙的半導體材料，顯示出巨大潛力。然而由于活性層材料固有的窄帶隙以及窄帶隙聚合物給體與目前高性能的受體（如IT-4F和Y6等）能級不匹配，大多數半透明有機太陽能電池表現出低的開路電壓，這被證明是限制器件性能提高的關鍵因素。因此，合理設計活性層材料以在不破壞透明度的情況下提高開路電壓和器件效率對于實現半透明有機太陽能電池的實際應用至關重要。
首先，針對這一難題，南昌大學陳義旺/諶烈教授研究團隊提出了一種新的設計概念，即使用具有低能級和重疊近紅外吸收的給體與受體組合，用于高性能的半透明有機太陽能電池。將氯、硫和氟官能原子引入到聚合物PCE10中，以降低所得聚合物給體的能級，得到了三個聚合物PCE10-2Cl、PCE10-SF和PCE10-2F。這些聚合物給體都顯示出比PCE10更低的能級。其中，與非富勒烯受體IT-4F具有重疊吸收的窄帶隙聚合物給體PCE10-2Cl不僅獲得了顯著提升的開路電壓，而且實現了與具有互補吸收的給-受體組合相當的光電流。
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與無機半導體和鈣鈦礦材料相比，有機半導體具有不連續的吸收特性，這使得它們在制備半透明器件方面具有獨特的優勢。基于有機半導體材料的半透明有機太陽能電池可用于外窗玻璃、建筑立面等建筑表面，實現多樣化的能量轉換途徑。通常，半透明有機太陽能電池實際應用的臨界平均可見光透射率應大于25%，但由于光吸收和透射率之間的權衡，而高的平均可見光透射率總是會導致能量轉換效率的顯著下降
利用設計的PDES單體制造具有高機械強度的硬質透明聚合物具有過程簡單、快速（幾分鐘內）和綠色（不含有機溶劑）的特性。且聚合物的性能可以通過調整體系中硬段Poly（AAm/ChCl）和軟段Poly（AA/ChCl）的比例來控制。由于聚合物基體中密集氫鍵的協同作用，聚合物具有優異的自修復效率。本文提出的設計理念為制備可自修復的硬質透明聚合物材料提供了可行的方法。
【摘要】
具有高機械強度的高分子聚合物通常具有高結晶度和緊密纏結的鏈段，阻礙了斷裂界面的自愈。最近，
華南理工大學
何明輝副研究員
團隊
報告了由堅硬而堅固的
聚（丙烯酰胺
/氯化膽堿）和柔軟且可逆的聚（丙烯酸/氯化膽堿）片段制成的堅硬、可自愈、透明的聚合物 (SSHTP) 材料
。
通過兩種可聚合的低共熔溶劑單體的光引發共聚
【引言】
Si由于其高理論比容量高、含量豐富、成本低，作為商用鋰離子電池（LIBs）石墨負極的替代品引起了廣泛的關注。然而，Si基負極材料的實際應用受到了很多阻礙，尤其是在鋰化/去鋰化期間劇烈的體積變化。這將會導致Si粉碎，活性物質脫落和循環性能惡化。當電極的面積容量接近或甚至超過商業化的3.0-3.5 mAh cm-2時，Si負極的面載量進一步增加，這種情況會變得更加嚴重
【引言】
超雙疏表面的接觸角大于150°，且與水和油有低接觸角滯后現象。與超疏水表面相比，超雙疏表面具有更廣泛的應用范圍，包括自潔，防污，化學屏蔽，防潑濺，防結冰，防腐蝕，燃料輸送，減阻等。材料的超雙疏能力來自于它們的特殊表面形貌（凹角、凸曲率或懸掛）和低表面能化學的結合，以獲得所謂的Cassie-Baxter
