Advanced Materials:一种具有拉链式滑环效应的超强、高弹性的聚氨酯弹性体

高性能弹性体因其优异的机械性能在建筑、航天、医疗设备、电子、人造皮肤、软性机器人等领域受到广泛关注。许多方法已被应用于提高弹性体的性能,如纳米掺杂、多重互穿网络和引入超分子键(氢键,金属配位,疏水相互作用,范德华力和主客相互作用)。近年来,将机械互锁结构入到聚合物网络中以改善材料机械性能的策略也得到了广泛的研究。然而,这些策略存在局限性,如复杂的交联剂合成。一些性能的提高往往会导致其他性能的降低,同时提高弹性体的机械强度和可拉伸性一直是一个挑战。因此,要得到具有多种优异性能的弹性体,需要复杂的分子结构设计和合成,这与材料的实际应用和生产是背道而驰的。为了解决这些问题,除了改进原来的方法外,还需要一种新的设计来获得具有多重优异性能的弹性体材料。

华东理工大学化学与分子工程学院曲大辉教授课题组创新性地提出了一种独特的分子拉链概念,在超分子聚合物领域取得新进展。研究者将通过简易合成得到的拟轮烷作为作为交联剂引入富含氢键堆积域的聚氨酯网络。令人惊讶的是,极少量(0.5 mol%)拟轮烷交联剂可使聚氨酯的机械强度大幅度提高达950%,伸长率可达650%。对比拉伸实验表明,0.5 mol%的拟轮烷使聚氨酯的最大机械强度达45.06 MPa,最大延伸率达1890%。而过量的拟轮烷大基团反而破坏氢键的形成,干扰双交联网络的结构平衡,从而导致机械性能变差。进一步通过傅里叶变换红外光谱和X射线衍射等技术证明了机械作用下的氢键断裂,由此证明关键机制在于滑环效应和氢键堆积网络的协同作用,拉伸过程中氢键堆积域被分子拉链式滑动运动同步破坏,增加了链滑动的能量屏障,有效地耗散了机械能,从而使聚合物的机械性能得到大幅提升。动态力学分析也进一步证明拟轮烷交联的聚氨酯具有更稳定的流变性能和更低的玻璃态转化温度。。

该团队相信这项工作能为高性能弹性体的构建提供新策略,同时推动人工分子机器在无溶剂型聚合网络中的实际应用。相关论文在线发表于Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202000345)。