合肥工业大学在高强度室温自修复聚氨酯材料领域取得新进展学术资讯

内容来源：中国高校之窗

近日，合肥工业大学化学与化工学院方华高副教授、丁运生教授等在高强度室温自修复聚氨酯弹性体材料研究领域取得新进展。相关研究成果以“Synergy between Dynamic Covalent Boronic Ester and Boron-Nitrogen Coordination: Strategy for Self-Healing Polyurethane Elastomers at Room Temperature with Unprecedented Mechanical Properties”为题在线发表在材料类国际著名期刊《Materials Horizons》。

高强度、高延展性和抗穿刺的聚氨酯弹性体在可穿戴柔性电子器件，软体防护装备等领域具有很好的应用前景。具有自修复功能的高性能聚氨酯弹性体可以防止使用过程中光、电、热和力导致的结构损伤，提高器件的使用寿命和装备的功能可靠性。而实现自修复能力和力学性能的提升是目前该领域研究的难点与挑战。图1.超分子聚氨酯弹性体的分子设计策略及硼-氮（B-N）配位作用

针对这一难题，化学与化工学院研究人员通过分子设计，将硼酸酯与可形成配位的含氮电子给体同时引入聚氨酯主链，制备了基于动态硼酸酯和硼-氮（B-N）配位作用的超分子聚氨酯弹性体材料（图1）。B-N配位键在聚氨酯弹性体中构筑了分子内与分子间超分子作用：分子内B-N配位促进了聚合物链的折叠，赋予材料超高的延展性（断裂应变: 14000%）；分子间B-N配位作为物理交联点，显著提高了材料的力学强度（10.5 MPa），其拉伸韧性达到182.2 MJ m-3，远高于目前已报道的其他室温自修复材料。由于B-N配位具有动态特性，弹性体的拉伸行为表现出显著的速度依赖性，可逆断裂与重组的机制有效吸收外界能量，样品缺口断裂能高达72100 J m-2，表现出优异的缺口不敏感性和突出的抗穿刺特性。（图2）图2.基于硼酸酯与B-N配位的超分子聚氨酯弹性体的力学性能

该超分子聚氨酯弹性体同时表现出优异的室温自修特性：将切断面接触后经室温放置36小时，拉伸强度恢复至5.2 MPa；断面经水润湿后，修复速度显著加快，经36小时修复，拉伸强度达到8.6 MPa，拉伸韧性升至123.5 MJ m-3。聚氨酯分子链上硼酸酯间的复分解反应、B-N配位键和氢键的可逆断裂与重组是其室温自修复的内在机理，少量水诱导硼酸酯的水解-再酯化反应，加速断面聚合物链的扩散，显著提高弹性体的修复效率（图3）。图3.基于硼酸酯与B-N配位的超分子聚氨酯弹性体室温自修复性能及机理