【科研进展】四川大学王玉忠院士团队近期高分子材料相关工作介绍
个人简介
王玉忠, 2015年当选中国工程院院士，1961年6月出生，山东威海人，中共党员。青岛大学学士学位，四川大学硕士、博士学位，教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，教育部创新团队带头人，全国优秀科技工作者，“新世纪百千万人才工程”国家级人选、教育部跨世纪优秀人才计划、四川省学术和技术带头人，获得何梁何利科技进步奖、四川省科技杰出贡献奖、第五届光华工程科技奖青年奖等。
主要从事高分子材料的功能化与高性能化研究，特别是在阻燃材料、生物基与生物降解高分子材料及高分子材料循环利用等研究领域，取得了系统的理论和应用成果，有效解决了制约相关行业发展的一些关键技术。截止到2019年，发表SCI论文560余篇，近10年SCI引用1.5万余次，邀请英文专著章节和综述13篇章，出版专著/教材/手册6部，两项基础研究成果入编《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编》；获授权发明专利120余件；获13项国家和省部级科技成果奖，其中作为第一完成人，获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖各1项，6项教育部和四川省的一等奖。
课题组链接
http://polymer.scu.edu.cn/yzwang/
近期工作进展
1.阻燃材料
火焰响应型芳基醚腈结构用于抑制热塑性聚酯的多种火灾危害
热塑性聚合物的广泛应用使其成为火灾的主要隐患，目前最常见的阻燃策略是将卤素或磷系阻燃剂通过物理共混加入到聚合物体系，但是易产生毒气、浓烟、熔滴等危害，也会造成潜在的环境威胁。本工作中，作者提出一种新型阻燃策略，将芳基醚腈结构通过化学反应接枝到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）结构上，可以很好地抑制热，烟和毒气危害。火焰响应性腈结构可在高温下转变为三嗪环结构，芳基醚和三嗪环协同增强成炭能力并抑制燃烧。改性PET的极限氧指数由21.0提高到31.0，放热峰值、烟气总量和CO排放量分别下降了49.0%、31.1%和52.6%，UL-94等级达到V-0级，没有产生熔滴。这种策略还可以通过化学结构设计应用到其他热塑性聚合物，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT），聚碳酸酯（PC）的阻燃应用上。
Fu T, Wang X L, Wang Y Z. Flame-responsive aryl ether nitrile structure towards multiple fire hazards suppression of thermoplastic polyester[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 403: 123714.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123714
通过热解产物固着和芳香结构炭化的协同效应来抑制聚合材料的火灾隐患
传统卤素或磷系阻燃剂在使用，处置和回收过程中容易带来严重的环境危害。本工作中，作者基于全生命周期考虑，设计了仅包含C，H和O元素而无阻燃元素的，含有芳基醚酮结构的火焰响应分子，将其通过化学反应接枝到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）结构上，所得聚合物具有出色的自熄性，低有机挥发物/热量/烟雾释放以及良好的综合性能。这种芳基醚酮结构不仅可以固定由聚合物产生的脂肪族链段，降低气体燃料的浓度，还可以炭化形成致密的物理屏障，协同作用抑制了火灾隐患。这种方法可以从根本上消除引入卤素或磷系阻燃剂有关的潜在化学危害，并为解决数十年来一直在辩论，跟踪和评估的“阻燃化学危害问题”提供新的视野。
Fu T, Guo D M, Chen L, et al. Fire hazards management for polymeric materials via synergy effects of pyrolysates-fixation and aromatized-charring[J]. Journal of hazardous materials, 2020, 389: 122040.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122040
2.生物基与生物降解高分子材料
含有环糖结构的新型生物基共聚酯用于PLA的增强与增韧
将聚乳酸（PLA）与柔性聚合物共混能够降低其固有的脆性，但同时会带来强度的显着降低。本工作中，作者以丁二醇、十二烷二酸和亚甲基丁二酸为原料设计出具有柔性烷基链和刚性环状糖结构的生物基共聚酯（PBIDI），过氧化二异丙苯为动态硫化剂，实现了PBIDI对PLA的增韧。PLA/PBIDI共混物具有良好的力学强度，断裂伸长率和缺口冲击强度提高到298.4％和578.0 J / m，分别增加了37倍和24倍，而拉伸强度保持在59.5 MPa，与纯PLA相比仅降低了约15％，在强度和韧性之间实现了良好的平衡。这项工作为开发更多高力学性能的材料提供了一个很好的策略，即将具有刚性结构的增韧剂引入到脆性材料中。
He L, Song F, Guo Z W, et al. Toward strong and super-toughened PLA via incorporating a novel fully bio-based copolyester containing cyclic sugar[J]. Composites Part B: Engineering, 2021, 207: 108558.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108558
微纤化纤维素的界面相容实现强韧的PLA复合材料
聚乳酸（PLA）是最有发展前景的生物基可降解塑料，其增韧改性往往会伴随着力学强度的降低。本工作中，作者将聚丁二酸丁二酯（PBS）与PLA共混，并且将环氧化的微纤化纤维素（MFC-EPI）用作界面增容剂以及增强填料。MFC-EPI的存在带来桥效应的能量转移和耗散而明显提高了拉伸强度和冲击韧性，MFC-EPI最优添加量为2 wt％，其中复合材料的断裂伸长率和缺口冲击强度分别为273.6％和116.8J/m。与纯PLA相比，其高拉伸强度得到了很好的维持。这项工作表明，使用MFC-EPI作为增容剂和增强填料可以开发具有高拉伸强度和韧性的PLA基材料。
He L, Song F, Li D F, et al. Strong and tough polylactic acid based composites enabled by simultaneous reinforcement and interfacial compatibilization of microfibrillated cellulose[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(3): 1573-1582.
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b06308
3.高分子材料循环利用
废弃热固性树脂粉碎转化成多功能材料
环境友好，高值化再利用和易于工业化是废弃高分子材料回收的目标。本工作中，作者使用机械粉碎处理废弃环氧树脂，并制备了一系列多功能材料：（1）粉碎环氧树脂颗粒（CEPs）可以转化为多孔过滤柱，以有效分离简单的油水混合物和表面活性剂稳定的乳液。（2）此外，微米或纳米级的CEPs用于构建超疏水表面，通过使用不同的粘合剂调节附着力，CEPs涂层可以应用于液滴运输和集水等不同领域。（3）胺固化的CEPs可以用于监测酸液和气体，因为它对酸具有独特的可逆反应。因此，结合了这两种特性的CEPs涂层也可以在信息存储领域中发挥作用。本项工作更新了人们对废弃物处理利用的理解，首先，由于废料固有和衍生的特性，它们可以在相应的领域中重复使用，甚至有可能成为功能材料；其次，对于高值化再利用，没有必要将废物裂解或降解为小分子，简单的粉碎或改性不仅保留了树脂本身的结构优势，而且可以在高科技领域中重复使用。
Liu X, Tian F, Zhao X, et al. Multiple functional materials from crushing waste thermosetting resins[J]. Materials Horizons, 2021, 8(1): 234-243.
https://doi.org/10.1039/D0MH01053G
不饱和聚酯树脂快速微波水解成柱填料用于染料废水的快速净化
热固性树脂广泛应用于各个领域，但其结构上的不溶性和耐降解性，给其回收利用带来了巨大挑战。本工作中，作者利用微波辅助加热成功地将热固性不饱和聚酯树脂（TUPR）转化为具有低溶胀(低于10 g/g)性能的凝胶材料(GM)，将TUPR在100°C的水中微波加热仅1 h，在TUPR中部分裂解酯基，得到的GM中引入丰富的羧酸基和多孔结构，部分酯基裂解所得羧酸基含量在10%以上，随催化剂浓度的变化而变化。将GM作为吸附塔填料可以实现快速净化污水，在无外部压力条件下，达到了18582-27002 L /h/ m3的超高滤速，去除率达99.8%以上。本研究为废聚合物的高效回收利用提供了参考，为废水快速处理提供了实际应用。
Wang X L, An W L, Tian F, et al. Fast microwave-assisted hydrolysis of unsaturated polyester resin into column packing for rapid purifying of dye wastewater[J]. Journal of hazardous materials, 2020, 384: 121465.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121465
往期精选
本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享自己论文的精华与亮点。
为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。