聚合物共混可以实现单一聚合物无法具有的性能，被认为是合成新材料的有效方法。然而多数聚合物间无法相互混溶，会发生相分离，无法达到理想的协同效果。为了克服由简单物理混合带来的缺点，目前主要通过引入强制混溶性的互锁聚合物网络来增强聚合物间的相容性。然而由于单体发生聚合反应，尽管大大减小了相尺寸，但是微相分离仍然很普遍。

中山大学章明秋教授和容敏智教授通过拓扑重排可逆共价交联的两种不互溶单一聚合物网络，制备了分子尺度的聚合物互锁网络，抑制了传统的相分离，并且互锁的网络可以进一步解锁恢复原始单一的聚合物网络，所得的聚合物可逆互锁网络也显示出了优异的机械性能和自修复性。相关工作以“Topological rearrangement-derived homogeneous polymer networks capable of reversibly interlocking: From phantom to reality and beyond”为题，发表于Materials Today期刊上。

互锁网络的设计

利用可逆Diels-Alder（DA）键和C-ON键分别交联的两种单一聚合物网络来合成聚合物互锁网络，将其分别命名为SN-DA与SN-CON，单一聚合物网络合成过程如图1所示。

图1 单一聚合物网络的合成路线

研究人员利用核磁氢谱（图2c）和电子顺磁共振谱（图2d）分别验证了DA反应和C-ON键的可逆性，当SN-DA和SN-CON的两个单一网络分别被加热到130oC和90oC，两种聚合物都将从室温下溶胀的凝胶态转变为均匀溶液（图2a和b）。随后，将溶液在90°C下充分混合，使聚合物在浓度差异的驱动下相互扩散。表面能和溶解度参数的差异揭示了两种聚合物网络间的不溶性（图2e），组分间的氢键和链互锁的拓扑结构避免了相分离的出现。聚合物互锁网络的制备过程如图2(f)所示。

图2 聚合物材料与制备过程

聚合物互锁网络的均质性

通过制件的光学照片（图3a）、不同空间尺度下的显微镜观察（图3b-e）和中子散射实验（图3f）来证实成功制备了均质的聚合物互锁网络。如图3a所示，聚合物互锁网络是均匀透明的，微红外光谱（图3b）显示出SN-DA固有的CO在聚合物互锁网络中的均匀分布，EDS谱图（图3c）中则显示出硫在聚合物互锁网络中的均匀分布，硫是SN-CON的特征元素。通过原子力显微镜测定，整个材料不同区域的模量几乎相同（图3e），表明了结构的均匀性。在中子小角散射图（图3f）中也未出现特征峰，这表明在测量范围内没有明显的相分离或者聚合物簇，与透射电子显微镜结果相符（图3d）。

图3 互锁网络的结构同质性特征

从DSC和DMA曲线（图4a和b）可以看出，仅存在一个玻璃化转变温度，介于SN-DA和SN-CON之间。聚合物互锁网络的tanδ峰面积大于两个单个网络的面积，反映出相邻大分子紧密堆积导致链运动的延迟。聚合物互锁网络的平均自由体积孔尺寸和分数自由体积小于SN-DA和SN-CON的体积（图4c），进一步验证了大分子链的紧密堆积。溶胀实验表明，聚合物互锁网络的平衡吸附量低于两个单一聚合物网络的吸附量（图4d）。通过分子动力学模拟进一步验证了以上的实验结果（图4d），证明了互锁网络不是两个单一网络的交联形式。

来源：高分子科学前沿