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川大吳錦榮教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》: 通過(guò)對(duì)稱/非對(duì)稱擴(kuò)鏈劑實(shí)現(xiàn)聚氨酯彈性體的強(qiáng)韌化、損傷自報(bào)告/修復(fù)過(guò)程可視化
2024-02-08  來(lái)源：高分子科技

  傳統(tǒng)彈性體材料因具有出色的機(jī)械強(qiáng)度、尺寸和環(huán)境穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天等領(lǐng)域。然而，盡管傳統(tǒng)彈性體材料具有優(yōu)異的機(jī)械和物理特性，但由于其缺乏內(nèi)在的修復(fù)動(dòng)力和響應(yīng)能力，在服役過(guò)程中不能自監(jiān)測(cè)和修復(fù)網(wǎng)絡(luò)破壞，因此會(huì)不可避免地遭受機(jī)械和化學(xué)損傷。這些受損的彈性體材料在服役失效后被丟棄會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，如何通過(guò)分子設(shè)計(jì)制備可自我報(bào)告損傷并修復(fù)的高強(qiáng)韌彈性體材料具有重要意義。


  近日，四川大學(xué)吳錦榮教授團(tuán)隊(duì)在聚氨酯彈性體網(wǎng)絡(luò)中引入對(duì)稱/非對(duì)稱氫鍵構(gòu)建大而無(wú)序的動(dòng)態(tài)硬相（圖1）實(shí)現(xiàn)了其機(jī)械性能強(qiáng)韌化、損傷自報(bào)告/修復(fù)過(guò)程可視化及信息加密-解密。作者通過(guò)變溫紅外（VT-IR）、密度泛函理論（DFT）計(jì)算、小角X射線衍射（SAXS）和正電子湮沒(méi)壽命譜（PALS）證明了聚氨酯彈性體網(wǎng)絡(luò)中大而無(wú)序的動(dòng)態(tài)硬相的形成（圖2）。應(yīng)力松弛譜、雙量子固體核磁（DQ-NMR）和分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了彈性體網(wǎng)絡(luò)的弛豫動(dòng)力學(xué)行為（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，這種大而無(wú)序的硬相使彈性體網(wǎng)絡(luò)具有雙重優(yōu)勢(shì)。一方面，網(wǎng)絡(luò)中大硬相相區(qū)的分布使其具有小的自由體積分?jǐn)?shù)、優(yōu)異的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶和高效的能量耗散能力，從而賦予彈性體高的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度：60.7 MPa）和快的應(yīng)變自恢復(fù)能力（700%應(yīng)變循環(huán)加載6次后網(wǎng)絡(luò)弛豫4 h即可恢復(fù)初始水平）；另一方面，網(wǎng)絡(luò)中無(wú)序硬相的松散堆砌對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈的限制程度小，賦予了網(wǎng)絡(luò)較高的弛豫動(dòng)力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)聚氨酯彈性體高的修復(fù)效率（97.8%）。聚二甲基硅氧烷作為軟段之一可賦予該彈性體優(yōu)異的疏水性（圖3）。不對(duì)稱擴(kuò)鏈劑苯并咪唑的熒光特性賦予彈性體熒光強(qiáng)度響應(yīng)性，可自我報(bào)告機(jī)械/化學(xué)損傷和可視化修復(fù)過(guò)程，同時(shí)在信息加密和解密方面具有潛在的應(yīng)用前景（圖4）。 


圖1 聚氨酯彈性體的分子設(shè)計(jì)理念及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 


圖2 網(wǎng)絡(luò)中大而無(wú)序的動(dòng)態(tài)硬相形成的證明及弛豫動(dòng)力學(xué)研究 


圖3 大而無(wú)序的動(dòng)態(tài)硬相對(duì)機(jī)械性能和修復(fù)性能的貢獻(xiàn)及其疏水性 


圖4 機(jī)械/化學(xué)損傷自報(bào)告和可視化修復(fù)過(guò)程及其信息防偽


  該工作以“Mechanically robust, self-reporting and healable polyurethane elastomers by incorporating symmetric/asymmetric chain extenders”為題發(fā)表于期刊《Materials Horizons》上 (Mater. Horizon. 2024. DOI: 10.1039/D3MH01987J)。四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生吳海濤為文章第一作者，吳錦榮教授為論文通訊作者，高分子科學(xué)與工程學(xué)院為通訊單位。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 51873110）、四川省科技廳項(xiàng)目（No. 2021YFS0402、2021JDJQ0018）、四川省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2022NSFSC1982）和高分子材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助，感謝上海同步輻射（SSRF）的支持。同時(shí)感謝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)葉邦角教授、張宏俊教授以及東京大學(xué)博士生王豪的支持。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d3mh01987j

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