مروری بر ویتریمرها: ساختار، خواص، کاربردها و چشماندازهای آینده
محورهای موضوعی : پلیمرهای شیشه گونه (ویتریمرها) با کارایی بالامحمدجواد فطرس 1 , جعفر خادم زاده يگانه 2 *
1 - تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پلیمر
2 - دانشگاه صنعتی قم
کلید واژه: ویتریمر, شبکه کوالانسی دینامیک, خودترمیمی, بازیافت پلیمرها, مواد زیست پایه,
چکیده مقاله :
ویتریمرها بهعنوان نسل نوینی از شبکههای کووالانسی دینامیک، ترکیبی منحصربهفرد از ویژگیهای ترموستها و ترموپلاستها را در خود جای دادهاند. برخلاف ترموستهای سنتی که پس از پخت، غیرقابلبازیافت و غیرقابلفرآوری هستند، ویتریمرها از طریق واکنشهای تبادل پیوند در دماهای بالا قادر به بازآرایی توپولوژیک شبکه میباشند، در حالیکه پایداری مکانیکی خود را حفظ میکنند. این ویژگی موجب شده است که ویتریمرها گزینهای ارزشمند برای تحقق اقتصاد چرخشی پلیمرها، بازیافت مکانیکی و شیمیایی، فرآوری مجدد، خودترمیمی و تولید کامپوزیتهای پیشرفته باشند. در دهه اخیر، دامنه شیمی ویتریمرها فراتر از سامانههای اپوکسی گسترش یافته و شبکههای پلیاستری، پلییورتانی و زیستپایه نیز معرفی شدهاند. این تنوع ساختاری، فرصتهای جدیدی در کاربردهایی نظیر چسبها، پوششها، الکترونیک انعطافپذیر و مهندسی پزشکی فراهم ساخته است. با این وجود، چالشهایی همچون وابستگی به کاتالیستهای فلزی، دمای بالای تعویض توپولوژیک (Tv)، محدودیت در خواص مکانیکی، خزش و مقیاسپذیری صنعتی همچنان مانع از تجاریسازی گسترده این مواد شده است. این مقاله مروری با هدف ارائه تصویری جامع از اصول شیمیایی و مکانیزمهای تبادل پیوند، انواع ویتریمرها و خواص مشخصه آنها تدوین شده است. همچنین آخرین دستاوردهای تحقیقاتی، کاربردهای نوظهور و چالشهای کلیدی مطرح میشوند. در نهایت، چشمانداز آینده با تأکید بر توسعه سامانههای کاتالیستآزاد، طراحی مونومرهای زیستپایه و بهرهگیری از نانوپرکنندهها برای ارتقای عملکرد مکانیکی و پایداری محیطزیستی ترسیم شده است. این افق نویدبخش بهکارگیری گسترده ویتریمرها در صنایع پیشرفته و پایدار آینده خواهد بود.
Vitrimers, as a new generation of dynamic covalent networks, integrate unique advantages of both thermosets and thermoplastics. Unlike conventional thermosets, which become irreversibly crosslinked after curing and therefore lack recyclability or reprocessability, vitrimers are capable of undergoing bond-exchange reactions at elevated temperatures while preserving their mechanical stability. This property has positioned vitrimers as highly valuable candidates for achieving a polymer circular economy, enabling mechanical and chemical recycling, reprocessing, self-healing, and the fabrication of advanced composites. In the past decade, vitrimer chemistry has expanded beyond epoxy-based systems to include polyester-, polyurethane-, and bio-based networks. Such structural diversity has opened new opportunities for applications in adhesives, coatings, flexible electronics, and biomedical engineering. Nevertheless, significant challenges remain before widespread commercialization can be realized. These include reliance on metal-based catalysts, high topology-freezing transition temperatures (Tv), limitations in mechanical properties and creep resistance, and issues related to industrial scalability. This review aims to provide a comprehensive overview of the chemical fundamentals and bond-exchange mechanisms underlying vitrimer behavior, alongside their structural types and characteristic properties. Furthermore, recent advances and emerging applications are discussed, with emphasis on both the technological promise and the practical challenges that must be addressed. Finally, the future outlook highlights the development of catalyst-free systems, the design of bio-based monomers, and the incorporation of nanofillers to enhance mechanical robustness and environmental sustainability. These pathways point toward a new era in which vitrimers can serve as key materials for advanced and sustainable polymer-based technologies.
[1] B. R. Elling and W. R. Dichtel., Reprocessable Cross-Linked Polymer Networks: Are Associative Exchange Mechanisms Desirable?, ACS Cent. Sci., 9, 1488–1496, Sep. 2020
[2] J. B. D. Gregg, J. A. Wilson, S. L. Brown, and A. T. Slark., Dissociative covalent adaptable networks from unsaturated polyesters, Eur. Polym. J., 215, 113195, Jul. 2024
[3] D. Montarnal, M. Capelot, F. Tournilhac, and L. Leibler., Silica-like malleable materials from permanent organic networks, Science, 6058, 965–968, 2011
[4] B. Zhao et al., Biobased Vitrimers: A Sustainable Future, Sustain. Polym. Energy 2024, 3, 10007, Jun. 2024
[5] S. Kamarulzaman, Z. M. Png, E. Q. Lim, I. Z. S. Lim, Z. Li, and S. S. Goh., Covalent adaptable networks from renewable resources: Crosslinked polymers for a sustainable future, Chem, 10, 2771–2816, Oct. 2023
[6] A. V. Karatrantos, O. Couture, C. Hesse, and D. F. Schmidt., Molecular Simulation of Covalent Adaptable Networks and Vitrimers: A Review, Polymers (Basel)., 10, 1–36, 2024
[7] W. Denissen, J. M. Winne, and F. E. Du Prez, Vitrimers: permanent organic networks with glass-like fluidity, Chem. Sci., 1, 30–38, Dec. 2015
[8] B. R. Elling and W. R. Dichtel., Reprocessable Cross-Linked Polymer Networks: Are Associative Exchange Mechanisms Desirable?, ACS Cent. Sci., 9, 1488–1496, Sep. 2020
[9] C.-D. Varganici, L. Rosu, D. Rosu, and G. Malucelli., From epoxy vitrimers to DOPO–based (bio–)epoxy vitrimers: Current state-of-the-art and perspectives, Chem. Eng. J., 167635, Aug. 2025
[10] Y. Shimizu and M. Hayashi., Impact of pre-crosslinks on the self-transformation performance of thermoplastic polyesters into vitrimers via intermolecular transesterification, RSC Adv., 1, 524–530, Jan. 2025
[11] A. Kumar and L. A. Connal., Biobased Transesterification Vitrimers, Macromol. Rapid Commun., 2200892, Apr. 2023
[12] M. Capelot, D. Montarnal, F. Tournilhac, and L. Leibler., Metal-catalyzed transesterification for healing and assembling of thermosets, J. Am. Chem. Soc., 18, 7664–7667, May 2012
[13] Y. Tao, X. Liang, J. Zhang, I. M. Lei, and J. Liu., Polyurethane vitrimers: Chemistry, properties and applications, J. Polym. Sci., 19, 2233–2253, Oct. 2023
[14] A. Mariani and G. Malucelli., Biobased vitrimers: towards sustainability and circularity, Chem. Commun., 11, 2173–2189, Jan. 2025
[15] E. Manarin, F. Da Via, B. Rigatelli, S. Turri, and G. Griffini., Bio-Based Vitrimers from 2,5-Furandicarboxylic Acid as Repairable, Reusable, and Recyclable Epoxy Systems, ACS Appl. Polym. Mater., 1, 828–838, Jan. 2023
[16] A. Mariani and G. Malucelli., Biobased vitrimers: towards sustainability and circularity, Chem. Commun., 11, 2173–2189, Jan. 2025
[17] S. Rana, M. Solanki, N. G. Sahoo, and B. Krishnakumar., Bio-Vitrimers for Sustainable Circular Bio-Economy, Polymers (Basel)., 20, 2022
[18] V. Schenk, K. Labastie, M. Destarac, P. Olivier, and M. Guerre., Vitrimer composites: current status and future challenges, Mater. Adv., 22, 8012–8029, Nov. 2022
[19] G. Kaur, P. Kumar, and C. Sonne., Synthesis, properties and biomedical perspective on vitrimers - challenges & opportunities, RSC Appl. Interfaces, 5, 846–867, 2024
[20] F. Meng, M. O. Saed, and E. M. Terentjev., Rheology of vitrimers, Nat. Commun. 2022 131, 1, 1–10, Sep. 2022
[21] F. I. Altuna, C. E. Hoppe, and R. J. J. Williams., Epoxy Vitrimers: The Effect of Transesterification Reactions on the Network Structure, Polymers (Basel)., 1, 43, Jan. 2018
[22] I. Azcune, E. Elorza, A. Ruiz de Luzuriaga, A. Huegun, A. Rekondo, and H. J. Grande., Analysis of the Effect of Network Structure and Disulfide Concentration on Vitrimer Properties, Polymers (Basel)., 20, 4123, Oct. 2023
[23] A. M. Hubbard, Y. Ren, A. Sarvestani, C. R. Picu, V. Varshney, and D. Nepal., Thermomechanical analysis (TMA) of vitrimers, Polym. Test., 107877, Jan. 2023
[24] W. Denissen, J. M. Winne, and F. E. Du Prez., Vitrimers: permanent organic networks with glass-like fluidity, Chem. Sci., 1, 30–38, Dec. 2015
[25] F. Lossada et al., Vitrimer Chemistry Meets Cellulose Nanofibrils: Bioinspired Nanopapers with High Water Resistance and Strong Adhesion, Biomacromolecules, 2, 1045–1055, Feb. 2019
[26] I. Calvez, C. R. Szczepanski, and V. Landry., Hybrid Free-Radical/Cationic Phase-Separated UV-Curable System: Impact of Photoinitiator Content and Monomer Fraction on Surface Morphologies and Gloss Appearance, Macromolecules, 8, 3129–3139, Apr. 2022