彈性體的力學性能決定了其工業(yè)適用性和應(yīng)用前景，機械強度和延展性一直是高分子彈性體的權(quán)衡所在，其挑戰(zhàn)在于如何用最微量的改性劑來大幅度提高傳統(tǒng)彈性體材料的機械性能。近年來由于機械鍵化學的興起，超分子化學家發(fā)展了一種將機械互鎖結(jié)構(gòu)引入聚合物網(wǎng)絡(luò)以提高其機械延展性的策略，稱之為“分子滑輪”（Sci. Adv.?2018, 4, eaat7629；Science?2017, 357, 279），即利用大環(huán)主體和聚合物鏈之間的機械鍵維持彈性體材料在拉伸過程中的交聯(lián)。然而，如何同時提高機械強度和可拉伸性的挑戰(zhàn)仍然存在，因為現(xiàn)有的例子只提高了材料的可拉伸性，而限制了機械強度。
近期，華東理工大學化學與分子工程學院、費林加諾貝爾科學家聯(lián)合研究中心曲大輝教授團隊創(chuàng)新性地提出了一種“分子拉鏈”的獨特概念，同時提高了彈性體的機械強度和拉伸性能，在超分子聚合物彈性體領(lǐng)域取得了新進展。相關(guān)成果以“An Ultra-Strong and Highly Stretchable?Polyurethane?Elastomer?Enabled by a Zipper-Like Ring-Sliding Effect”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》上。（DOI：10.1002/adma.202000345）
該研究團隊將擬輪烷交聯(lián)劑巧妙地引入具有豐富的氫鍵堆積域的聚氨酯網(wǎng)絡(luò)，得到兼具主客體相互作用和氫鍵作用的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)。利用極少量（0.5 mol%）的擬輪烷交聯(lián)劑就可以使聚氨酯的機械強度提高950%，伸長率提高650%，斷裂能提升4470%。（圖1）這種拉鏈式的滑環(huán)聚氨酯是目前所報道的機械性能最佳的滑環(huán)類彈性體。
研究人員在室溫下將擬輪烷通過簡單摻雜與聚氨酯網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，然后進行溶劑蒸發(fā)，得到性能優(yōu)異的透明薄膜。經(jīng)過一系列拉伸對比實驗，發(fā)現(xiàn)聚氨酯的力學性能與擬輪烷交聯(lián)劑的濃度有關(guān)。0.5 mol%的擬輪烷使聚氨酯的最大機械強度達45.06 MPa，最大延伸率達1890%。而過量的擬輪烷大基團反而破壞氫鍵的形成，干擾雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)平衡，從而導致機械性能變差。此外，增加應(yīng)變速率會導致斷裂伸長率的降低，表明存在能量耗散機制。應(yīng)力應(yīng)變曲線表明，由于聚合物網(wǎng)絡(luò)中的氫鍵耗散滑環(huán)效應(yīng)，擬輪烷交聯(lián)彈性體的機械性能與純聚氨酯相比顯著提高。(圖2)
傅立葉變換紅外光譜和X射線衍射圖譜表明聚合物鏈之間形成了氫鍵，而聚合物鏈與擬輪烷的交聯(lián)會部分影響氫鍵的聚集和有序的節(jié)段結(jié)構(gòu)。值得注意的是，拉伸后的擬輪烷交聯(lián)聚氨酯衍射峰的寬化表明在機械拉伸作用下的氫鍵斷裂，形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)域?；诹W性能和結(jié)構(gòu)表征,研究人員認為拉伸性能的增強可歸因于擬輪烷在聚合物鏈上的長距離移動,而機械強度的增加是由于擬輪烷的主客體相互作用比氫鍵具有更高的解離能。此外擬輪烷的滑動導致聚合物鏈之間的氫鍵斷裂，增加了鏈滑動的能量屏障。動態(tài)力學分析也進一步證明擬輪烷交聯(lián)的聚氨酯具有更穩(wěn)定的流變性能和更低的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。（圖3）
綜上所述，研究人員成功地將一種類似拉鏈的擬輪烷交聯(lián)劑與含有氫鍵晶體結(jié)構(gòu)域的聚氨酯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，得到兼具高強度和高拉伸性的超分子彈性體材料，其關(guān)鍵機制在于聚合物網(wǎng)絡(luò)中環(huán)滑效應(yīng)和氫鍵晶體域的協(xié)同作用。這一新策略將推動機械鍵化學向高性能彈性體材料的發(fā)展，并進一步應(yīng)用于柔性電子、軟體機器人等領(lǐng)域。
該工作由博士生施晨宇、張琦博士在曲大輝教授的指導下完成，并得到了田禾院士的悉心指導。該研究工作得到了國家自然科學基金委重大項目、基礎(chǔ)科學中心、上海市重大科技專項等項目資金的支持，表征工作得到了華東理工大學分析測試中心的大力支持。
