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南林徐徐教授/中國(guó)林科院劉鶴研究員 Angew：基于sp2雜化的超強(qiáng)可拉伸的高彈超分子彈性體
2025-03-13  來(lái)源：高分子科技

  彈性體，是現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中不可或缺的材料。隨著科技進(jìn)步，人們對(duì)彈性體的綜合性能提出了更高要求。因此，開(kāi)發(fā)兼具高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)異綜合性能的彈性體材料，是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。


  近日，南京林業(yè)大學(xué)徐徐教授課題組和中國(guó)林業(yè)科學(xué)院劉鶴研究員合作，以苯硼酸作為擴(kuò)鏈劑，開(kāi)發(fā)了一種新型基于sp2雜化硼的彈性體材料，該材料表現(xiàn)出超高的真實(shí)應(yīng)力、優(yōu)異的韌性和出色的彈性恢復(fù)力。


  研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)連接在sp3雜化碳上的氨基甲酸酯相比，連接在sp2雜化硼原子上的氨基甲酸酯鍵之間形成的氫鍵作用更強(qiáng)，其歸因于平面結(jié)構(gòu)的sp2硼原子增強(qiáng)了鏈段空間構(gòu)象的致密性和緊湊性，從而促進(jìn)了基團(tuán)間形成更強(qiáng)的氫鍵作用（圖1）。該研究展示了一種新型彈性體的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)思路，強(qiáng)調(diào)了分子結(jié)構(gòu)在材料性能中的重要性。


圖1. 新型聚氨酯彈性體的設(shè)計(jì)靈感


  該研究以異佛爾酮二異氰酸酯、聚四亞甲基醚二醇和苯硼酸為原料，合成了新型聚氨酯彈性體。其中，苯硼酸中sp2雜化硼原子連接的氨基甲酸酯鍵之間形成了致密且強(qiáng)大的氫鍵作用，有效地耗散能量，顯著地提升彈性體的力學(xué)性能。通過(guò)拉伸測(cè)試、斷裂能、抗撕裂和抗穿刺等一系列的力學(xué)性能測(cè)試（圖2），研究人員發(fā)現(xiàn)，該新型彈性體材料表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。材料的真實(shí)斷裂應(yīng)力高達(dá)1.30 GPa，與蜘蛛絲的強(qiáng)度相當(dāng)，意味著該材料能夠承受極大的拉力而不發(fā)生斷裂；韌性達(dá)到442.2 MJ·m-3，遠(yuǎn)超普通彈性體材料；即使拉伸至原始長(zhǎng)度的16倍，也能迅速恢復(fù)原狀，表明該材料具有優(yōu)異的拉伸性能和彈性恢復(fù)能力；在連續(xù)拉伸循環(huán)中（>350次）表現(xiàn)出良好的性能，該材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中不易發(fā)生損壞；超強(qiáng)的抗穿刺強(qiáng)度可達(dá)167.8 N·mm-1，能夠承受較大的穿刺力而不破裂，表明該材料具有良好的抗破壞能力。


圖2. 新型聚氨酯彈性體的力學(xué)性能測(cè)試


  為了深入了解材料的性能，作者還對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）表征（圖3），發(fā)現(xiàn)該材料具有明顯的微相分離結(jié)構(gòu)，即硬段和軟段相互分離。硬段由異佛爾酮二異氰酸酯和苯硼酸組成，可形成硬疇，賦予材料良好的強(qiáng)度；軟段是由聚四亞甲基醚二醇組成，具有較好的彈性。這種微相分離結(jié)構(gòu)有助于提高材料的綜合性能。此外，該研究還利用小角X射線散射（SAXS）和廣角X射線衍射（WAXD）等手段，發(fā)現(xiàn)該材料具有良好的長(zhǎng)程有序性和結(jié)晶性，有助于提高材料的強(qiáng)度和韌性。


圖3. 新型聚氨酯彈性體微觀結(jié)構(gòu)分析


  研究發(fā)現(xiàn)該材料還具有良好的可回收性（圖4）。通過(guò)溶劑輔助或熱壓等方法，可將廢棄的彈性體材料回收再利用，且不會(huì)降低其機(jī)械性能。


圖4. 新型聚氨酯彈性體的回收


  本研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于sp2雜化硼的新型聚氨酯彈性體材料，該研究通過(guò)分子結(jié)構(gòu)和分子間相互作用力的協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料綜合性能的提升，為高性能彈性體的設(shè)計(jì)提供了新思路，同時(shí)拓展了彈性體材料在柔性電子設(shè)備和高應(yīng)力環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用。


  該工作以“An ultra robust tough, stretchable, and super high elastic recovery supramolecular elastomer resulting from hydrogen-bond interaction by sp2 hybridized boron-urethane bonds”為題發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI:10.1002/anie.202421099）。文章第一作者是南京林業(yè)大學(xué)博士研究生錢約翰，通訊作者為南京林業(yè)大學(xué)徐徐教授和中國(guó)林業(yè)科學(xué)院劉鶴研究員。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持（32171722）。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202421099

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