香港中文大学（深圳）朱贺/大连理工大学阮雪华 Adv. Sci.：高性能聚（氨酯-脲）弹性体硬段团簇结构的调控

2024-04-15 来源：高分子科技

弹性体在日常生活中有着广泛的应用，然而制备具有高强度、高韧性和优异抗撕裂性的可降解、可回收弹性体仍然是一项具有挑战性的任务。为此，该工作设计并制备了一种基于聚己内酯的聚（氨酯-脲）弹性体，通过优化硬段团簇的排列，赋予了该弹性体优异的力学性能。研究发现，扩链剂中的长烷基链有利于形成小而均匀分布的硬段团簇，可显著提高弹性体的力学性能。加上多重氢键结构和应力诱导结晶效应，所制备的弹性体具有63.3 MPa的强度、431 MJ m^-3的优异韧性和489 kJ m^-2的超高断裂能，同时保持了良好的可回收性和可降解性。

作者通过使用具有不同长度柔性烷基链间隔的扩链剂来调节硬段团簇的排列，以研究其对力学性能的影响(图1a)。分子动力学模拟表明由于丰富氢键的存在，PCL-AD和PCL-DD的硬段聚集在软段之间，形成了微相分离结构。然而，PCL-DD的硬段更均匀地分布在软段之间（图1c）。

图1. PCL-AD和PCL-DD的制备及模拟计算。

拉伸实验表明，PCL-DD的拉伸强度、断裂伸长率和韧性均优于PCL-AD，分别为63.3 MPa、1511%和430.9 MJ m^-3（图2a）。TEM结果说明PCL-DD的硬段团簇相比于PCL-AD小且均匀分布在软段中（图2e，f）。在200%应变时，PCL-DD的WAXD图谱中仍可观察到非晶峰，而PCL-AD的WAXD图谱中则出现了PCL的强结晶衍射峰（图2h，i）。大而集中的硬段团簇以及应力诱导结晶的过早出现可能会导致弹性体内部产生缺陷和应力集中，从而过早断裂。因此合理设计硬段团簇的结构对于合成高性能材料具有重要意义。

图2. PCL-AD和PCL-DD的力学性能和结构表征。

循环拉伸实验表明，由于PCL-DD在50%和100%小应变下的应力诱导结晶可以忽略不计（图 2i），其残余应变远低于PCL-AD（图3a，b）。经过100次循环拉伸的PCL-AD和PCL-DD都表现出良好的抗疲劳性能，且在80 ℃加热5 min后，弹性体都表现出了良好的弹性恢复（图3）。

图3. PCL-AD和PCL-DD的循环拉伸和弹性恢复实验。

纯剪法测得的PCL-DD的断裂能为489.5 kJ m^-2，远高于天然橡胶和其它常见的弹性体。此外，PCL-DD可以使用溶剂回收至少三次而不损失其机械性能，并且可以在脂肪酶水溶液中快速降解（图4）。

图4. PCL-DD的断裂能测试及回收和降解实验。

该工作以“Regulation of Hard Segment Cluster Structures for High-performance Poly(urethane-urea) Elastomers”为题发表在 Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.202400255)，香港中文大学（深圳）理工学院博士生秦剑亮为论文第一作者，通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院朱贺助理教授以及大连理工大学能源化工系阮雪华教授。该工作得到了香港中文大学（深圳）朱世平教授的大力支持。

课题组长期招收博士后、博士生和硕士生，请有意者准备好完整的中、英文简历，代表文章PDF（若有）发送至邮箱：zhuhe@cuhk.edu.cn（朱老师）和qizhang@cuhk.edu.cn（张老师）。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202400255

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（责任编辑：xu）

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