华东理工大学曲大辉Adv. Mater.：具有超强拉伸性的聚氨酯弹性体具有类似拉链的滑环效应

【引言】

高性能聚合物弹性体备受关注，因为它们在诸如柔性电子，软机器人和响应性材料等新兴领域中具有广阔的应用前景。弹性体的机械性能决定了其工业适用性和前景。已经采用了许多方法来提高弹性体的性能，例如掺入纳米填料，多重互穿网络，动态共价键和非共价键（包括氢键，金属配位，疏水相互作用以及主客体相互作用）。然而，在提高机械强度和增加聚合物网络的可拉伸性之间总是存在折衷。因此，存在的挑战是通过引入最少量的外部添加剂来实质性地同时改善这些性能。

【成果简介】

华东理工大学曲大辉教授提出了一种独特的分子拉链概念，以同时提高弹性体的机械强度和可拉伸性。作为交联剂的拟轮烷（PS）被前所未有地引入到聚氨酯（PU）网络中，该网络是一种广泛使用的弹性体材料，富含氢键堆叠域。 出人意料的是，极少量（0.5摩尔％）的PS交联剂可使机械强度提升950％，PU延伸率提升650％。这种增强归因于环滑动效应和氢键堆叠网络的有效配合，这实现了一种耗能机制，其中氢键堆叠域通过分子拉链状的滑动运动而同步破坏。这种分子拉链策略在当前所有的滑环弹性体实例中都最大地提高了机械强度和可拉伸性。该成果以题为“An Ultrastrong and Highly Stretchable Polyurethane Elastomer Enabled by a Zipper-Like Ring-Sliding Effect”发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.PS1和PS2交联的PU网络的分子拉链机理

机械力引起环滑动，并作为牺牲键同步破坏部分氢键堆积域，以耗散机械能。 非互锁交联剂R1，R2，A1和A2用作参考化合物

图2.力学性能表征

a）PPS1薄膜可拉伸至1890％，而不会断裂

b,c）不同PS含量和不同应变率的PPS1的应力-应变曲线

d,e）PPS1，PPS2，PA1，PA2，PR1，PR2和PU的应力-应变曲线和断裂能/应变直方图

f）这个工作与先前关于超分子环滑动弹性体的工作的应力-应变比较图

图3.材料的红外和流变性能表征

a）PPS1（红色曲线），PPS2（蓝色曲线）和PU（绿色曲线）的部分FT-IR光谱

b,c）PU，PPS1和受力PPS1的XRD光谱和结构图

d,e）PPS1，PPS2和PU的动态力学分析：d）储能模量和e）tanδ

图4.PPS1的性能表征

a）对PPS1进行11个循环的循环单轴压缩测试

b）PPS1的连续多步应力-应变循环，无时间跨度

c）PPS1的蠕变/应力松弛曲线

d）原始PPS1薄膜和带有1/4宽度切口的薄膜的应力-应变曲线

【总结】

总而言之，作者成功地将拉链状PS滑环交联剂与含有氢键晶体域的干式PU网络相结合。这产生了超强的和高度可拉伸的超分子网络，用作高性能弹性体材料。显著改善的性能背后的关键机制是聚合物网络中滑环效应和氢键结晶域的协同配合。此外，干燥的聚合物网络（而不是凝胶）以及稠密的氢键分布放大了滑动环的作用。这种独特的策略将推动机械化学向高性能弹性体材料发展。机械性能优异的弹性体材料在很多领域具有应用潜力，例如柔性电子设备，软机器人，柔性有机发光二极管和刺激响应材料。

文献链接：An Ultrastrong and Highly Stretchable Polyurethane Elastomer Enabled by a Zipper-Like Ring-Sliding Effect. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000345.

课题组链接  https://www.x-mol.com/groups/qu_dahui

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