研究人员使用碳纳米管衍生物来强化可回收塑料

减少塑料对环境的影响可以通过不同的策略来解决，例如制造更耐用的塑料或回收利用。一般来说，塑料有两种主要类型。第一种是热塑性塑料，它可以熔化和成型以形成其他物体，尽管如果熔化几次，它们的机械性能会减弱。第二种是热固性塑料，在高温下不会熔化，因为形成它们的聚合物链是通过化学键交织在一起的

与热塑性塑料相比，热固性塑料具有有利的性能。它们往往具有更高的抗冲击性和机械应力性，尽管它们也更脆。环氧树脂、硅酮或三聚氰胺是建筑中常用的热固性塑料的例子

为了使这些塑料更坚固，工程师们添加了碳纤维等增强材料。它们已经被用于制造摩托车头盔或运动器材等物品，尽管它们不易回收，但非常耐用

在IMDEA Nanosciencea，由Emilio pérez领导的低维材料化学小组正在与Nanocore公司合作，研究一项加强可回收塑料的战略。所研究的塑料是一种“共价适应性网络”，其分子结构与热固性塑料相似，但具有特殊性，即它结合了共价键，但同时聚合物链之间是可逆的

该研究发表在《高级功能材料》杂志上

与没有增强的塑料相比，3种增强材料（仅1-碳纳米管、2-机械互锁纳米管（MINT）和3-MINT与聚合物共价键）的应变与施加的应力（左）和拉伸与杨氏模量（右）。图片来源：Emilio Pérez图片来源：IMDEA Nanoscienceia

具体来说，它们与亚胺一起工作，亚胺的键是动态的：可以被水或温度打破并重新排列。这项研究的新颖之处在于使用了一种碳纳米管衍生物，其周围有一个环状分子——机械联锁的碳纳米管MINT。环分子以机械方式而非化学方式附着在碳纳米管上，因此两者之间的结合非常牢固，但同时允许分子沿着纳米管进行一定的运动

研究人员为环配备了两个锚点（两种胺），使其与聚合物共价结合。通过这种方式，纳米管成为聚合物网络的结构部分。

碳纳米管本质上是一片卷起的石墨烯。为了将纳米管与其他分子连接起来，可以直接通过共价键来实现，共价键会稍微破坏纳米管，增加缺陷并削弱它。

研究人员采用的策略是使用机械键——纳米管周围的环形分子——将纳米管整合到聚合物晶格中，保持其所有性能，并最大限度地将载荷从基质转移到增强体。换句话说，它不能做得更好

这个概念很简单：通过用环包围纳米管，可以防止这些纤维的聚集，从而降低增强效果。此外，环中提供了聚合物相互作用位点，这改善了应力传递。在聚合物混合物中仅添加1重量%的纳米管，杨氏模量提高了77%，拉伸强度提高了100%。值得注意的是，这种增强塑料的机械性能在熔化和回收四次后仍然完好无损

在工程中，混合物定律表明，化合物的性质是原始材料性质的混合物，根据其比例。马德里研究人员领导的这项研究证实，只有当两种化合物之间在纳米级别上有效地传递机械应力时，情况才会如此

在他们的工作中，研究人员在将机械应力从聚合物转移到最强材料纳米管方面取得了最大的效率。纳米管的杨氏模量为1TPa，比钢硬五倍，是一种轻得多的材料

在塑料中添加更多的纳米管并不会使其更坚固，因为纳米管开始聚集并失去效率。成功的关键在于纳米管和聚合物之间的共价键

生产几乎和碳纤维一样坚固、可以熔化和回收的塑料是一个梦想。A之前和之后，这可以坚定地促进一个新的、更环保、更可持续的情景。

佩雷斯解释说，“生产更轻的结构，如汽车、飞机等，将意味着节省大量燃料。”用更少的材料和确保可回收性进行制造，前景一片光明 More information: Ion Isasti et al, Reinforcement of Polyimine Covalent Adaptable Networks with Mechanically Interlocked Derivatives of SWNTs., Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202408592

Journal information: Advanced Functional Materials