南京大学贾叙东、张秋红《AFM》：基于分子轮滑和氢键的高拉伸自修复弹性体

来源：高分子科学前沿

高拉伸弹性体材料在柔性电子器件领域具有广泛的应用。近年来，随着柔性电子的发展，人们对弹性体的机械性能要求越来越高，同时，由于材料在使用过程中可能发生磨损和破坏，因此人们希望赋予材料一定的自修复性能。商用弹性体如Sylgard 184主要依靠共价键交联，拉伸性能较差，且很难实现材料自修复。而对于一些基于动态非共价键（如氢键、配位键等）的弹性体虽然能够实现较高的断裂伸长率和较高的自修复效率，但是其断裂强度往往较低。因此制备具有优异的力学性能和自修复性能的弹性体仍具有挑战性。

南京大学化学化工学院张秋红副教授、贾叙东教授课题组在自修复弹性体分子结构设计以及动态特性的研究中，课题组前期开展了系列工作（Macromolecules 2019, 52, 660-668；Adv. Mater. 2018, 30, 1801435; JACS, 2018, 140, 15, 5280）。为了实现材料的强度、拉伸性和自修复性能的兼具。将一种具有滑动环结构的大分子交联剂（聚轮烷）引入到以PDMS作为软段，IPDI为硬段的聚脲/聚氨酯体系中，制备出一种基于氢键和聚轮烷双重交联的弹性体材料。由于体系中氢键和聚轮烷的协同作用，弹性体表现出优异的力学性能（断裂形变2800%，断裂强度1.05 MPa）。由于体系中的聚轮烷在拉伸过程中会发生滑动，因此材料表现出优异的拉伸性能。此外，体系中大量的氢键保证了材料的自修复性能。

图1. 基于氢键和聚轮烷的高拉伸自修复弹性体的化学结构

研究人员进一步采用变温拉伸、原位SAXS、非连续拉伸实验系统证明了聚轮烷中环糊精在外力作用下的滑动行为（图2）。

图2. 环糊精在外力作用下的滑动行为的研究证明

最后，研究人员以该弹性体为基底，采用滴涂的方法，将碳纳米管复合在基底表面，从而得到了一种可修复的应力传感器件（图3）。该传感器件可以用于检测各种的人体活动。该工作通过分子结构设计，将聚轮烷和氢键巧妙地引入到弹性体中，提高了弹性体的韧性并赋予材料自修复性。该材料的合成不仅为耐拉伸自修复弹性体的制备提供了新的思路，也为柔性电子器件提供了性能优异的基底材料。

图3. 柔性应变传感器的示意图和测试

相关成果以“A Highly Stretchable and Self-healing Supramolecular Elastomer based on Sliding Crosslinks and Hydrogen Bonds”为题发表在《先进功能材料》上（Advanced Functional Materials, 2019, 201907139）。博士研究生杜瑞春为论文的第一作者，张秋红副教授和贾叙东教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（21875102, 21404056）等科研业务费的资助。本研究得到了国家自然科学基金、中央高校科研业务费的资助。高性能高分子材料与技术教育部重点实验室以及配位化学国家重点实验室在本项目研究中给予了大力支持。

全文链接: 

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907139.