高性能彈性體以其高強度、高韌性以及優(yōu)異的自愈合和損傷容限等功能而備受關注，在交通運輸、組織工程、軟體機器人和智能可穿戴等領域皆具有廣泛的應用空間。拉伸誘導結晶可以賦予熱塑性彈性體自增強與自增韌特性，而主鏈中引入D-A鍵、二硫鍵、酰胺鍵、硼酸酯、釕-硒等動態(tài)共價鍵可使彈性體材料在一定條件下實現(xiàn)自我修復。然而，如何實現(xiàn)熱固性非晶型彈性體自增強與自增韌、同時賦予彈性體高強高韌與快速自修復性能卻是該領域富有挑戰(zhàn)性的課題之一。

受天然橡膠拉伸誘導結晶自增強啟發(fā)，江南大學馬丕明、楊偉軍等以納米纖維素為反應型功能單元構筑了系列含有多重氫鍵/二硫鍵互穿交聯(lián)網絡的納米纖維素基聚氨酯彈性體，提出了利用纖維素納米晶高度取向排列“替代”傳統(tǒng)彈性體拉伸誘導結晶的新策略，并通過簡單的循環(huán)熱加工誘導聚氨酯彈性體發(fā)生多級網絡重構，顯著增強了分子鏈間和分子內的氫鍵作用，從而實現(xiàn)聚氨酯彈性體機械性能逆勢增強（Ts > 50 MPa，Eb > 700%），拉伸強度與韌性分別提升了300%和160%。同時，該聚氨酯彈性體材料還表現(xiàn)出非常優(yōu)異的透明性、耐穿刺以及自修復性能，在50 ℃×4 h內即可100%修復，相關成果以題為“Multiple Structure Reconstruction by Dual Dynamic Crosslinking Strategy Inducing Self-reinforcing and Toughening the Polyurethane/ Nanocellulose Elastomers”發(fā)表于Adv. Funct. Mater. 2023, 2213294。該工作得到國家自然科學基金、科技部高端外國專家引進計劃、江蘇省杰出青年基金等項目支持。

彈性體合成過程

通過2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)修飾氧化纖維素納米晶（UTCNF）引入多重氫鍵，隨后以納米纖維素為反應型功能單體制備聚氨酯（PU）彈性體，同時在聚氨酯主鏈中引入二硫鍵（SS）構建雙重動態(tài)交聯(lián)網絡，得到PU-SS-UTCNF彈性體（圖1）。

圖1 a) 聚氨酯彈性體合成過程圖示; b)UPy-TCNF合成; c)預聚物合成; d)PU-SS-UTCNF合成；e) 聚氨酯結構示意圖。

彈性體性能

熱壓成型得到的PU-SS-UTCNF表現(xiàn)出良好的力學性能（圖2a），例如PU-SS-UTCNF3的拉伸強度達到12.5 MPa，是PU-SS的6倍。通過循環(huán)拉伸試驗探索材料的彈性，發(fā)現(xiàn)改性UTCNF含量高的樣品由于犧牲鍵斷裂后來不及恢復，其滯后回線表現(xiàn)出更加顯著的能量耗散（圖2b）。在低應變下（100%），PU-SS-TCNF3共價網絡未被破壞，而動態(tài)鍵（氫鍵和二硫鍵）發(fā)生重構，UTCNF在循環(huán)拉伸誘導后高度取向（圖2c）。DMA結果表明，加入UTCNF能夠明顯提高PU-SS-UTCNF的交聯(lián)度，有利于彈性體材料增強（圖2e、f）。

圖2 a) PU-SS、PU-SS-UTCNF彈性體應力-應變曲線; b)拉伸滯后曲線; (c)100%應變下PU-SS-TCNF3第1、10個循環(huán)和松弛10 min后第11個循環(huán); d) PU-SS-UTCNF3的連續(xù)循環(huán)拉伸曲線; PU-SS和PU-SS-UTCNF薄膜的(e)損耗因子和(f)交聯(lián)度。

由于結構中二硫鍵和多重氫鍵的存在，在50 ℃條件下，雙重動態(tài)交聯(lián)結構可發(fā)生重排，PU-SS-UTCNF2和PU-SS-UTCNF3表面劃痕分別在4h和6h內能夠完全恢復；完全斷開的PU-SS-UTCNF3樣品在50 ℃下8 h后力學性能可完全恢復（圖3）。

圖3 a)PU，PU-SS-UTCNF2，PU-SS-UTCNF3表面劃痕自修復測試; b)PU-SS-UTCNF3不同時間的應力-應變曲線;c)剪裁樣品自愈合過程中結構演變。

自修復行為與機理

通過應力松弛行為對PU-SS和PU-SS-UTCNF2的自修復機理進行研究（圖4），發(fā)現(xiàn)室溫不利于氫鍵重組，而且UTCNF的存在阻礙了結構中的二硫鍵作用，導致PU-SS-UTCNF的自修復性能比含二硫鍵的PU-SS弱。因此在40 ℃時，PU-SS-UTCNF2的松弛時間()明顯大于PU-SS。當溫度升高時，氫鍵發(fā)生斷裂重組，PU-SS-UTCNF的自愈合效率提高，PU-SS-UTCNF2的松弛時間顯著縮短，使得聚氨酯薄膜機械性能提高的同時保持了交聯(lián)網絡的動態(tài)交換能力。

圖4：不同溫度下a)PU-SS, b)PU-SS-UTCNF2, c)PU-SS-UTCNF2 R2的應力松弛曲線; d) PU-SS, e) PU-SS-UTCNF2, f) PU-SS-UTCNF2R2的松弛時間對數(shù)與溫度倒數(shù)的線性擬合; g) PU-SS-UTCNF的再加工結構重組機制。

二次熱加工后材料性能

將PU-SS和PU-SS-UTCNF樣品切割成塊狀小片，在140 ℃和10 MPa下熱壓5 min，得到再加工樣品。與一次加工樣品相比，同一溫度下的PU-SS R2和PU-SS-UTCNF R2松弛時間更短，樣品的活化能稍有下降。說明再加工后應力松弛行為變的更明顯，體系內的動態(tài)鍵含量增加，動態(tài)鍵交換反應增強，有利于彈性體交聯(lián)網絡重構。同時，再加工樣品的拉伸強度、楊氏模量、韌性皆顯著提高，同時彈性體還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗損傷性能（圖5）。再加工條件溫度升高，體系中大量氫鍵解離，UPy基團的多重氫鍵重組，動態(tài)交聯(lián)網絡重構變得更緊密，降溫后交聯(lián)度增加，機械性能提高。

圖5 a) 聚氨酯彈性體的再加工示意圖; b)聚氨酯彈性體的抗損傷性能；c) PU-SS、PU-SS-TCNF薄膜二次加工后的應力-應變曲線; PU-SS R2 和PU-SS-TCNF R2 彈性體的d)拉伸強度；e)斷裂伸長率；f)交聯(lián)度；g)楊氏模量；h)韌性。

自增強與自增韌機理討論

作者針對彈性體拉伸過程中動態(tài)交聯(lián)網絡的變化以及再加工后的增強增韌機理進行了討論。作者認為：UTCNF一方面充當體系中的交聯(lián)點以增強非晶型聚氨酯基體，拉伸過程中含有多重氫鍵結構的UTCNF有利于誘導聚氨酯主鏈沿拉伸方向取向排列，同向排列的UTCNF（納米晶）類似于結晶型彈性體（如天然橡膠）拉伸誘導結晶的作用。因此，拉伸導致整體交聯(lián)網絡變得更加致密，主鏈弱氫鍵重新形成，取向結構趨于穩(wěn)定，從而提高了彈性體內的交聯(lián)密度（圖6）。另一方面，二硫鍵使動態(tài)交聯(lián)反應處于平衡狀態(tài)，在熱壓過程中動態(tài)交換反應變得更加劇烈，材料更易發(fā)生松弛，交聯(lián)網絡重構，冷卻后有利于形成更多的分子間氫鍵，從而提高了動態(tài)網絡的交聯(lián)密度（圖6b、c）；因此，雙重動態(tài)交聯(lián)的PU-SS-UTCNF在動態(tài)拉伸和熱加工過程中實現(xiàn)了彈性體的自增強和自增韌。

圖6 PU-SS、PU-SS-UTCNF3、拉伸狀態(tài)下PU-SS-UTCNF3、PU-SS-UTCNF3R2的a)XRD曲線, (b)/ (c) FTIR光譜；(d)PU-SS, (e) PU-UTCNF3, (f) PU-SS-UTCNF3, (g) PU-SS-UTCNF3R2 的2D SAXS散射圖；500% 應變下(d1) PU-SS,  (e1)PU-UTCNF3, (f1)PU-SS-UTCNF3, (g1)PU-SS-UTCNF3 R2的2D SAXS散射圖; (h) PU-SS-UTCNF 的增強增韌機制示意圖。

彈性體在可穿戴領域的應用探索初步

探索了彈性體在可穿戴設備中的應用。當通過絲網印刷導電銀漿獲得的導電薄膜被切斷時，所連接的小燈泡熄滅，并且在50°C下24小時后恢復到相同的亮度。同一位置重復劃痕測試，第一、二次劃痕的恢復時間均為100分鐘，證明了PU-SS-UTCNF在可穿戴傳感器自動修復中的應用潛力。測試了再加工后的PU-SS-UTCNF R2薄膜拉伸（圖7d）、彎曲（圖7e）和觸摸（圖7f）等不同運動模式下的傳感性能，在循環(huán)運動過程中，得到的電流響應穩(wěn)定且可重復。

圖7 a)絲網印刷法制備劃痕檢測電傳感器的過程示意圖；b)導電閉合回路在彈性體切割和愈合后恢復導電；c)傳感器在同一劃痕位置的3次電阻變化；PU-SS-UTCNF R2在不同運動模式下的循環(huán)傳感性能：d)拉伸；e)彎曲；f)觸摸。

總結作者設計并合成了一種具有優(yōu)異自增強、自增韌和自修復性能的無定形透明聚氨酯彈性體。將二硫鍵嵌入聚氨酯主鏈，同時引入含有多重氫鍵的TCNF作為交聯(lián)點，實現(xiàn)了PU-SS-UTCNF在溫和條件下快速完全自修復。更有趣的是，二次熱再加工后彈性體材料的機械強度（50 MPa）和韌性（133 MJ/m3）分別比原始樣品分別提高了300%和160%。一方面，在熱處理促使氫鍵和二硫鍵的斷裂與復合，使動態(tài)交聯(lián)網絡發(fā)生重構，結構更加規(guī)整、致密。另一方面，高結晶的UTCNF起到類似傳統(tǒng)結晶性彈性體拉伸誘導結晶的作用，拉伸過程中，整體網絡變得更加致密，聚氨酯主鏈弱氫鍵重新形成，取向結構穩(wěn)定，進一步提高了材料的交聯(lián)密度，從而實現(xiàn)了彈性體的自增強與自增韌。雙重動態(tài)鍵的協(xié)同效應為三維交聯(lián)網絡提供了更強的相互作用和耗能機制，在智能可穿戴傳感領域具有較大的應用潛力。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202213294

文章來源：https://mp.weixin.qq.com/s/Le8JXYID5yHPd7tsGsVI-A