南大团队成功造出类沥青材料，攻克沥青来源不可持续难题

沥青，被广泛用于路面修补、防水涂料、防水卷材等领域。据统计，全世界对沥青的需求每年超过 1 亿吨。然而，常规沥青往往是从石油或煤焦油中提炼而来，这通常需要加热的步骤，而沥青中含有的芳烃类化合物在加热情况下会逸出，这对工人以及周边人群的身体健康十分不利，可以说这一方法既不清洁也不具备可持续性。

要想从根源上解决沥青不可持续的问题，就必须寻找一种高效、无毒、低成本的方法。

另一方面，单质硫是一种工业废料，其供应远远高于需求，造成了过量硫这一全球性问题。据报道，每年仍有 6000 万吨的硫剩余。因此，亟需寻找一种方法，来将单质硫废弃物转化为高附加值、且可以被大规模消耗的工业品。

基于以上研究背景，如何将废弃物单质硫转化为具有应用前景的沥青工业品，是南京大学李承辉教授和团队一直思考的问题。

图 | 李承辉（来源：李承辉）

单质硫作为一种工业废料大量富集且亟待消耗，而沥青又面临来源不可持续的挑战，因此他们决定寻找一种变废为宝的方法来解决这些问题。

确定研究目标之后便是文献调研，到底该通过何种方式完成单质硫到类沥青材料的转化？文献调研发现，作为一种原子经济性极高的反应，逆硫化反应具有很好的可行性。

所谓逆硫化反应指的是，一类以单质硫作为原料的反应可以生成富硫聚合物。这一反应可以通过单质硫加热开环形成的双自由基，与不饱和碳-碳键反应生成富硫化合物，而且其产率接近 100%，具有极高的原子经济性。

因此，他们设想采用这一高效的反应方式，将单质硫转化为类沥青材料。通过文献调研得知，芳基和液态硫具有良好的相容性，而且酚羟基和双烯结构均可以有效抑制聚硫链的回聚。

在此基础上，通过进行大量文献搜索以及反应物筛选，该团队确定了三元逆硫化反应的另外两种反应物。之后，便是进行配料比例调节，并开展材料基础性质的表征。

研究中，他们使用丁香酚和山梨酸这两种低成本、无毒的生物质材料，与单质硫一起进行三元逆硫化反应共聚，借此成功得到了类沥青材料。

在充分了解材料性质后，其又开始探索材料可能的应用场景。据介绍，本次得到的类沥青材料不仅表现出与 70 号沥青高度相似的流变学性质，得益于其在室温下的黏流态特质和剪切变硬性质，该材料还可用于快速自修复的防水密封带、冲击防护装置和非牛顿流体减速带。

具体来说，他们利用这种类沥青材料制备了一种防水密封带，其在室温之下就能快速完成自我修复。在被刀片划破时，上述密封带无需任何外力即可完成自修复。而商业密封带即使在按压止漏的情况下仍然不可修复。因此，该类沥青材料在防水密封方面展现出独特的快速自修复优势。

另外，常规固体减速带在车辆驶过时不仅会产生巨大的噪音，且随着车辆高度的抬升，即使是在低速行驶时车内乘客及驾驶员也会产生剧烈的颠簸感。非牛顿流体减速带，由于其剪切变硬特性可以在低速下呈黏流态，而在高速撞击下呈固体的性质。因此，此类减速带可以确保车辆在低速行驶时具有平稳的驾驶感，而在高速行驶时达到与常规固体减速带相同的减速效果。

但是，现有的非牛顿流体减速带里通常装的是剪切增稠的固液混合物，这就不可避免地面临内部固体的沉积问题。而该工作中所涉及的类沥青材料为均一黏流体，不存在长时间存放的沉积、变质等问题，因此在非牛顿流体减速带领域具有良好的应用前景。

李承辉说：“我们在评价减速带减速效果的时候涉及到一次人数众多的实验过程。因为我们不仅要完成实验设施及测试设备的搭建，还要确认实验安全。所以此次测试要在校园中的真实路况条件下完成，不仅要对路段进行封控，而且要安排人员在各个路口进行把守，确保没有意外事故发生。”

为此，整个课题组全员上阵，在密切合作之下完成了规模十分庞大的实验过程。

（来源：Advanced Functional Materials）

总而言之，他们通过简单、高效、低成本且无毒的方式，将废弃物单质硫转化为具有广泛用途的类沥青材料，借此达到了“一石二鸟”的目的：

日前，相关论文以《具有剪切硬化和自修复能力的反向硫化制备的多功能类沥青聚合物》（Bitumen-Like Polymers Prepared via Inverse Vulcanization with Shear Stiffening and Self-Healing Abilities for Multifunctional Applications）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。

南京大学化学博士生侯可心和博士后赵培臣是共同一作，南京大学李承辉教授和南京医科大学附属儿童医院郑朋飞教授担任共同通讯。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

通过逆硫化反应将单质硫转化为类沥青材料这一方式可以从根源上解决沥青来源不可持续问题，也为单质硫废料的大量消耗提供了有效的解决方案。另外，论文中提到利用配位键可以将这种类沥青材料的应用温度进一步拓宽。

另据悉，李承辉曾获得 2020 Thieme Chemistry Journals Award 奖项。Thieme Chemistry Journals Award 设立于 1999 年，每年颁发一次，面向来自全世界处于独立学术研究生涯早期、崭露头角的科研人员，如助理教授和初级教授。

获奖者由 SYNTHESIS、SYNLETT 和 SYNFACTS 的编辑委员会成员独家选择，该奖项持续关注从事化学合成与催化或和有机化学密切相关领域的有前途的年轻人，旨在表彰和鼓励新一代有机化学家。

而李承辉之所以获奖，主要是基于他和团队在有机染料方面的创新性成果。此前，课题组以邻苯二腈为原料合成了一类全新的平面型稠环化合物。相比于酞菁，酞荭化合物具有溶解性好、光谱易于调控、配位方式多样等特点。“由于酞菁具有诸多独特的性质和广泛的用途，相信酞荭也会在未来的有机染料与光电功能材料领域大放异彩。”他说。

而在未来他和团队也将针对本次类沥青材料的性能，开展进一步的优化以及实际应用。其表示：“目前类沥青材料的多功能性和应用价值得到了初步的证明，这也让我们对于后续实际应用充满信心。”

参考资料：

1.Hou, K. X., Zhao, P. C., Duan, L., Fan, M., Zheng, P., & Li, C. H. (2023). Bitumen‐Like Polymers Prepared via Inverse Vulcanization with Shear Stiffening and Self‐Healing Abilities for Multifunctional Applications. Advanced Functional Materials, 2306886.