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    吉林大學孫俊奇教授團隊AM:兼具卓越抗撕裂能力、自修復與可循環利用性能的高強度聚氨酯彈性體
    2020-11-17  來源:高分子科技

      以橡膠為代表的聚合物彈性體,具有優異的延展性和彈性,適用于制造輪胎、密封件等產品,在工農業生產和人們的日常生活中被大量使用。彈性體現已成為一類被大量消耗的基礎性材料,僅橡膠在2019年的全球消耗量就高達2900萬噸。但是,由彈性體所引起的環境污染和資源浪費也日益嚴重。這是因為:一方面,彈性體抗撕裂能力通常較差,材料一旦遭受微小的損傷,傷口在較小的外力下就能被極大地擴展,而導致材料的失效;另一方面,高強度的彈性體通常具有穩定的共價交聯網絡,因此材料損傷后通常難于通過修復來恢復其初始的力學性能,也難于被循環利用,而只能被廢棄或焚燒。因此,能夠滿足可持續社會發展目標的下一代彈性體需要具有良好的抗撕裂能力、自修復能力與可循環利用能力,以使材料有更長的服役壽命和更高的穩定性。而現如今,所制備的具有自修復與可循環利用功能的彈性體雖兼具較高的韌性,但其抗撕裂能力仍亟待提高。


    圖1. A 線型聚氨酯的合成過程。B 聚氨酯彈性體的制備過程。


      近日,吉林大學孫俊奇教授團隊制備了一種斷裂能達192.9 kJ m-2的、高強度的自修復與可循環利用聚氨酯彈性體。該彈性的制備過程如圖1所示:首先,線型聚氨酯通過1,6-己二異氰酸酯與羥基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚己內酯(PCL)和二聯吡啶等化合物縮聚而成;然后通過線型聚氨酯中的二聯吡啶基團進一步與鋅離子配位,獲得聚氨酯彈性體材料。


    圖2. A聚氨酯彈性體的結構示意圖。B 初始、循環利用和修復后材料的應力應變曲線。插圖為修復前后材料的數碼照片。C 聚氨酯彈性體材料的抗撕裂能力展示。


      所制備的彈性體材料的斷裂能不僅高于已知聚合物材料的最高值(~120 kJ m-2),也高于部分鋁合金、鈦合金等金屬材料,表明該彈性體材料具有卓越的抗撕裂能力。該材料的斷裂強度,斷裂伸長率和韌性分別達到了~52.4 MPa,2250%和363.8 MJ m-3。彈性體卓越的性能源于其所特有的微相分離結構,這種微相分離結構是一種將聚合物鏈段間的氫鍵和配位鍵兩種超分子作用力鎖定在PCL結晶體之間而形成的“動態的多層級硬相”。這種動態硬相“強且韌”,其作為交聯位點可將無定形的PDMS嵌段穩定交聯。當彈性體材料遭受大形變時,其又可以發生變形直至瓦解,內部的氫鍵和配位鍵等超分子作用力會斷裂以高效耗散能量,從而顯著提高材料的強度、韌性。“動態的多層級硬相”在高溫或溶劑的輔助下可動態解離,從而賦予材料以自修復與可循環利用能力。損傷的材料在90 °C下加熱3 h,即可完全修復機械損傷;報廢的材料通過溶劑重鑄,可實現對材料多次的循環利用,循環利用后的材料具有和原始材料相同的性質。研究者認為,通過構建具有“動態的多層級雜化硬相”結構的方法,可為高強度、抗撕裂聚合物材料的設計和制備開辟一條新的道路。


      相關研究成果發表在近期出版的《Advanced Materials》上。論文的通訊作者是吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的孫俊奇教授,論文的第一作者是該實驗室的王曉晗博士。相關研究工作得到了國家自然科學基金重點項目的支持(21935004)。


      論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005759

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    (責任編輯:xu)
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