锂盐驱动Lewis pair聚合实现可化学回收且离子导电的聚酯弹性体
离子导电弹性体兼具机械柔性与离子导电性,在柔性电子、智能传感和电子皮肤等方向颇具吸引力,但现有制备路线仍面临明显瓶颈:后掺杂方法步骤多且易造成掺杂不均,原位聚合则受反应类型和催化耐受性限制,主要集中于丙烯酸酯单体的快速光聚合,对分子量、链序列和网络拓扑控制有限,常形成难以回收或再加工的材料。与此同时,ICEs的可持续性还要求兼顾聚合物原料与末端管理。尽管自修复电解质、生物基组分及无PFAS聚合物基质等策略已有进展,但如何在单一平台中整合可控聚合、离子功能和闭环回收,尤其对聚酯基ICEs而言,仍是亟需解决的挑战。
针对这一难题,吉林大学张越涛教授、何江华教授和赵武超副教授合作,提出锂盐驱动的Lewis pair聚合(LPP)策略,在单一平台中实现可控聚酯合成、离子导电与闭环回收。该策略以商业锂盐(LiTFSI或LiCF₃SO₃)为Lewis酸、新型双功能N-杂环烯烃(NHO)为Lewis碱,在温和条件下实现ε-己内酯、δ-戊内酯和rac-丙交酯的快速活性开环聚合,获得分子量可预测、分布窄的明确嵌段共聚物。机理研究表明,聚合对单体和Lewis酸浓度均呈非经典零级依赖,归因于锂阳离子的多配位能力;残留锂盐被原位保留并转化为离子电荷载体,从而一步制备机械性能高度可调、室温离子电导率最高达10⁻⁵ S/cm的离子导电聚酯弹性体,且聚酯基质与锂盐均可高效回收,实现完整闭环回收。相关论文以“Lithium-Salt-Driven Lewis Pair Polymerization for Chemically Recyclable and Ion-Conductive Polyester Elastomers”为题,发表在Angew上。
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研究首先构建了以商业锂盐为Lewis酸、双功能NHO为Lewis碱的锂盐驱动LPP平台(图1a),将环酯单体的可控开环聚合与后续闭环回收置于同一体系。平台组分与闭环回收生态共同构成“催化剂到功能”的设计框架,即残留锂盐先作为聚合催化剂,随后转化为离子电荷载体,使聚合、功能化与回收在同一分子设计框架内衔接(图1b)。
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图1:锂盐驱动LPP平台用于可化学回收ICEs。(a)NHOs、锂盐和环酯单体的化学结构。(b)闭环化学回收生态系统示意图。
在此基础上,研究通过聚合控制实验验证了该平台的活性特征。单独锂盐或NHO均不能催化ε-CL聚合,而NHO与锂盐组合表现出显著协同活性;双功能NHO2进一步提高了引发效率,NHO2/LiTFSI体系对ε-CL、δ-VL和rac-LA均给出可控聚合。PCL的Mₙ随投料比由15.0线性增至145 kg/mol,GPC呈单峰(图2a、2b);链延伸和顺序加料成功得到PVL-b-PCL-b-PVL三嵌段共聚物(图2c),DOSY显示单一扩散系数(图2d),¹³C NMR未检出CL–VL/VL–CL杂序列。上述结果说明该平台具备活性聚合和嵌段构筑能力。
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图2:聚合物表征。(a)在室温下,NHO2/LiTFSI体系在不同[ε-CL]₀/[NHO2]₀比例下获得的PCL样品的GPC曲线。条件:[ε-CL]₀/[NHO2]₀/[LiTFSI]₀=100:1:4、200:1:4、400:1:4和800:1:4,[ε-CL]₀=1 M。(b)PCL的Mₙ和Ð与[ε-CL]₀/[NHO2]₀比例的关系图。(c)NHO2/LiTFSI体系产生的PCL(黑色)和PVL-b-PCL-b-PVL(红色)的GPC曲线。(d)PVL-b-PCL-b-PVL三嵌段共聚物的¹H DOSY NMR谱。
为阐明这种高活性与可控性并存的来源,研究结合动力学、端基表征和对照实验揭示了锂介导的聚合机理。第一组动力学显示对ε-CL零级、对LP一级;第二组显示对NHO1一级,而对单体和LiTFSI均零级,即“双零级”特征(图3a、3b)。MALDI-TOF MS表明NHO1为引发种(图3c、3d),而两性离子中间体INT1在LiTFSI存在下不能引发聚合(图3e);经NHO3原位去质子化再生烷氧基后,加入ε-CL/LiTFSI可立即启动聚合,10 h达95%转化率。据此提出锂盐配位活化内酯、开环生成烷氧基中间体、增长链端在多配位锂球中稳定的协同ROP机理(图3f)。
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图3:聚合机理研究。(a)NHO1/LiTFSI在25°C THF中催化ε-CL开环聚合的零级动力学图:[ε-CL]₀=1.0 M;[LiTFSI]₀=2[NHO1]₀;[NHO1]₀=0.01 M(黑色)、0.0067 M(红色)、0.005 M(蓝色)、0.004 M(绿色)。插图:ln(kapp)对ln[NHO1]的图。(b)NHO1/LiTFSI在25°C THF中催化ε-CL开环聚合的零级动力学图:[ε-CL]₀=1.0 M;[NHO1]₀=0.016 M(黑色)、0.012 M(红色)、0.008 M(蓝色)、0.004 M(绿色);[LiTFSI]₀=0.02 M(黑色)、0.016 M(红色)、0.012 M(蓝色)、0.008 M(绿色)。插图:ln(kapp)对ln[NHO1]的图。(c)NHO1/LiTFSI产生的低分子量PCL寡聚物的MALDI-TOF MS谱。(d)实验m/z值与ε-CL重复单元理论数(n)之间的线性相关。(e)分离的两性离子中间体INT1与不同催化组分组合的对照实验。(f)NHO/[Li]体系催化δ-VL或ε-CL开环聚合的推测机理。
在材料构建层面,研究利用该平台的双零级动力学特征独立调节共聚组成与锂盐负载,一锅法合成梯度共聚物基ICE。¹³C NMR显示δ-VL在低转化率阶段优先消耗、ε-CL后期主导,形成从内部较无规序列向两端CL富集均序列演变的“中心向外”梯度结构(图4a)。拉伸测试表明ICE6–ICE8拉伸强度最高24.2 MPa、伸长率1805%–2111%;ICE12在800:100:4投料下拉伸强度达37.4 MPa、伸长率1790%,ICE13(800:100:10)为20.1 MPa、1254%(图4b)。XRD和DSC显示LiTFSI增加会削弱结晶并降低熔融温度与熔融焓(图4c、4d);EIS显示离子电导率与机械强度呈权衡关系,ICE11在400:150:20投料比下室温电导率达1.01×10⁻⁵ S/cm并保持约1100%断裂伸长率(图4e)。该平台可一步获得机械与离子传输性能可调的聚酯弹性体。
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图4:聚合物结构与性能研究。(a)NHO2/LiTFSI催化ε-CL和δ-VL(400:150)共聚产生的梯度共聚物PCVL的¹³C NMR谱演变。(b)ICE基体的单轴拉伸应力–应变曲线,至少三个独立制备的样品在相同条件下测试。(c)ICE基体的X射线衍射(XRD)谱。(d)ICE基体的DSC热分析曲线。(e)各种ICEs在室温下测得的EIS Nyquist图。
随后,研究以ICE11为代表评价了其作为柔性应变传感器的性能。电阻–应变曲线整体应变系数GF为1.465,分段GF随应变范围由0.972增至2.050(图5a),显示大变形下更灵敏;50%应变加载–卸载的电滞后为8.4%(图5b),重复拉伸–释放测试给出可重复电阻响应(图5c),15%应变下响应时间约399 ms、恢复时间约474 ms(图5d)。5000次0%–50%拉伸–释放循环约18000 s内信号持续响应,三个独立传感器表现可比,但基线逐渐上漂(图5e)。该无纯化聚酯基ICE具备实时传感潜力,同时长期校准仍受基线漂移限制。
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图5:传感性能表征。(a)相对电阻变化随应变的变化及不同应变范围内的应变系数GF。(b)拉伸加载和卸载过程中的滞后行为。(c)重复手动拉伸和释放期间的实时电阻响应,插图为测试照片。(d)响应时间(399 ms)和恢复时间(474 ms)。(e)ICE11传感器在50%应变下反复拉伸并循环18000 s的相对电阻变化,插图显示不同时间间隔的放大曲线。
在回收环节,研究验证了聚酯基质与锂盐的双回收路径。报废ICE11膜经2 wt% MgCl₂催化真空蒸馏,ε-CL和δ-VL分别以高于95%收率回收,并可无需额外纯化直接再聚合(图6a、6b);无机残留经水溶、过滤、蒸发和THF洗涤,利用LiTFSI与MgCl₂溶解度差异以82%收率分离LiTFSI。两次连续解聚–再聚合循环中单体回收率均为95%,LiTFSI回收率分别为82%和80%,累积损失分别为9.75%和34.4%,再生ICE11仍保持显著拉伸强度和高延展性(图6c)。闭环回收可行,而LiTFSI回收效率是后续优化重点。
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图6:聚合物回收。(a)ICEs闭环回收过程示意图。(b)ICE11(蓝色)、回收单体(红色)和由回收单体制备的ICE11(绿色)的¹H NMR谱。(c)由原始组分和回收组分在连续解聚–再聚合循环中制备的ICE11的应力–应变曲线。
综上,该工作以商业锂盐和双功能NHO构建的LPP平台,将多种环酯的可控开环聚合、本征离子功能与闭环回收整合于一体,揭示了锂介导的双零级增长机理,并实现残留锂盐由催化剂向离子电荷载体的原位转变,使ICEs无需后掺杂即可一步制备。其传感行为兼具应变依赖敏感性、可量化电滞后和亚秒级响应/恢复,并在5000次循环中保持电响应,但基线漂移提示仍需改进;单体和LiTFSI可分别回收,单体首次回收率超过95%、连续循环约95%,LiTFSI回收率82%。该“催化剂—功能—循环性”设计原则有望拓展至更广泛的可回收聚酯ICEs家族,并为下一代软电子、自适应材料和可持续电化学器件提供分子层面的设计思路。
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