塑料再加工是實現(xiàn)高效循環(huán)利用的便捷方式，其中水塑加工作為一種便捷的低能耗再加工方式，為塑料的可持續(xù)加工提供了新思路。目前已有研究通過水分子塑化作用成功實現(xiàn)了塑料室溫成型，然而考慮到水塑加工過程中聚合物-聚合物、聚合物-水分子相互作用的競爭平衡，現(xiàn)有水塑性體系仍存在優(yōu)異機械性能和便捷再加工性的制約關系，從而限制了相關材料的進一步發(fā)展和應用。
東華大學武培怡/侯磊研究團隊前期圍繞聚合物材料的強韌化開展了一些工作：基于氫鍵調控策略構筑了高強韌甲基纖維素/聚甲基丙烯酸超分子類塑性水凝膠，并以此為基礎制得兼具高強高模和水塑成型的“綠色”塑料(Adv. Mater. 2022, 34, 2201065)；通過在合適的彈性體基質中引入具有協(xié)同效應的鋰鍵和氫鍵，構筑了兼有高機械性能、高離子電導率和鮮艷結構色的光子晶體離子彈性體(Adv. Mater. 2023, 35, 2211342)；基于多級相結構調控開發(fā)了一種在復雜水環(huán)境和空氣中均具有極高強度和韌性的“兩棲”聚合物材料(Adv. Mater. 2024, 36, 2307290)；基于氫鍵競爭介導的相分離實現(xiàn)了聚(N-異丙基丙烯酰胺)基離子液體凝膠的水致大幅硬化(Small 2024, 20, 2401164)；基于準無溶劑體系構筑了高性能和便捷加工的纖維素醚基可持續(xù)塑料(Adv. Sci. 2024, 11, 2405301)。
東華大學武培怡/侯磊研究團隊近期提出了一種水介導相分離演化策略，通過不同水合狀態(tài)下材料機械性能與再加工特性的解耦，成功開發(fā)出兼具優(yōu)異機械性能與室溫可任意加工特性的水塑性塑料。具體而言，在低水合狀態(tài)下，材料呈現(xiàn)"海-島"相分離結構，形成具有優(yōu)異機械強度的玻璃態(tài)塑料。在完全水合狀態(tài)下，水誘導的"海-島"向雙連續(xù)相分離轉變促使該塑料轉化為黏彈性面團態(tài)，便于重塑為任意形狀，實現(xiàn)室溫再加工(圖1)。值得注意的是，通過拉伸成型工藝使塑料展現(xiàn)出高達211.2 MPa的斷裂應力和5.6 GPa的楊氏模量。該策略為實際承重場景下高性能可持續(xù)塑料的設計提供了新思路。
圖1. 兼具高機械性能和可室溫再加工的聚合物材料
由帶負電的剛性納米纖維(CNF)和帶正電的聚合物(PDDA)構成聚電解質復合物，通過高密度和多層次的靜電相互作用制備出高透明且高機械性能的材料(圖2)。納米尺度的“海-島”相分離結構有助于吸水后的增韌機制，而雙連續(xù)相分離結構有助于塑料在完全水合后的面團狀粘彈行為。二維相關紅外光譜和低場核磁共振譜進一步驗證了塑料、面團狀態(tài)下，聚電解質復合物內部的多層次相互作用。
圖2. 水分子誘導相分離結構演變機理
由于水分子的塑化作用，CNF/PDDA塑料的機械性能與環(huán)境濕度高度相關(圖3)。材料在吸濕后由硬脆的剛性狀態(tài)逐漸轉變?yōu)榭裳诱剐誀顟B(tài)。當相對濕度從0增加到95%時，斷裂應力從166.8減小到5.3 MPa，楊氏模量從4.4減小到0.012 GPa，斷裂應變從5.8%增大到52.2%。同時，在一定的相對濕度范圍內，其力學性能保持良好。即使在80%相對濕度下平衡后，塑料仍然具有較高力學性能，能夠滿足日常使用要求。
圖3. 可持續(xù)塑料的水塑行為
在泡水平衡后，CNF/PDDA塑料可轉變?yōu)槊鎴F狀材料，具有優(yōu)異的愈合性和可重塑性，在室溫條件下實現(xiàn)塑料回收利用(圖4)。利用注塑、折紙和泥塑等方式可獲取豐富的3D形狀，并且可以通過水焊接的方式實現(xiàn)材料的修補。
圖4. 塑料的室溫再加工性能及綜合性能
通過拉伸成型工藝將面團狀材料在風干過程中保持拉伸狀態(tài)，使聚合物鏈沿拉伸方向產生定向取向，進一步提高塑料的力學性能(圖5)。此外，水介導相分離演化策略可以進一步拓展至其它聚電解質復合物體系，并基于此制備出高性能且可室溫回收的可持續(xù)塑料。
圖5. 拉伸成型與策略的通用性
以上研究成果近期以“Water-mediated phase separation evolution towards mechanically robust yet room-temperature reprocessable polymer materials”為題發(fā)表在《Matter》上。東華大學化學與化工學院碩士研究生李嘯為文章第一作者，通訊作者為武培怡教授和侯磊副研究員。
該研究工作得到了國家自然科學基金等項目的資助與支持，德國于利希中子散射中心(JCNS)吳寶虎博士也參與了該研究。
原文鏈接：
https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(25)00142-0
https://authors.elsevier.com/a/1kusm9CyxdAexC （4月8號起50天內有效）
