兰州化物所王齐华研究员团队 Nat.Commun.：一种兼具形状记忆辅助自修复和簇聚发光特性的高强韧聚氨酯材料

2023-08-10 来源：高分子科技

如何合理设计和调控聚合物分子间相互作用力，从而构筑具有优异力学性能（强韧一体化）的多功能聚合物材料（形状记忆、自修复等）一直是聚合物领域的研究热点。中国科学院兰州化学物理研究所王齐华研究员科研团队致力于高强高韧多功能聚合物材料的研究，在过去的两年中，团队设计合成了一系列基于非共价键相互作用的聚氨酯弹性体材料，这类材料不仅具有优异的力学性能（Adv. Mater. 2022, 2205763），还具有自修复功能（Chem. Eng. J. 2023，451(2)，138673；Polym. Chem. 2022，13(23)，3422-3432.）。

近期，该团队通过利用氢键与配位键的协同作用和分级能量耗散机制，合成了具有优异力学性能和形状记忆辅助自修复特性的聚氨酯-脲弹性体。作者通过调节金属离子配位键和氢键的比例，获得了一系列高强韧弹性体材料，其中具有最优性能弹性体的拉伸强度达到76.37 MPa，断裂伸长率达到839.10%，韧性达到308.63 MJ m^?3（图a），该弹性体还展现出了优异的形状记忆功能，材料可在?50 °C固定获得临时形状并在50 °C自动回复到初始形状，表现出具有较高的形状固定率与回复率；另外，刀片切出的裂纹可在DMF的辅助下在低温40°C处理6h后完成修复，修复率达91.72%。结合Wool and O? Connor提出的裂纹修复理论，作者进一步证明了该弹性体材料形状记忆辅助自修复的特性，发现具有裂纹的材料在形状回复力的驱使下会促进裂纹的界面紧密贴合，并在温度与溶剂的作用下促进分子链氢键和配位键的不断交换与重新组合，最终实现材料的大面积裂纹的修复（图b）。除此之外，由于发光簇基团在氢键作用下聚集，该材料亦具有簇聚发光的特性，在紫外光激发下可呈现青色荧光（图c）。并且随着温度的升高，聚集的氢键逐渐解离，发光强度逐渐下降，进一步验证了氢键的存在对簇聚光致发光性能的影响。

图（a）弹性体材料的应力-应变曲线，（b）形状记忆辅助自修复的机理，（c）弹性体材料在紫外光照射下的簇聚发光现象。

该研究工作借助非动态共价键协同调控实现弹性体材料多功能与高强高韧并存，为进一步设计构筑优异力学性能的多功能聚合物弹性体材料提供了研究思路。该工作以“A stretchable, mechanically robust polymer exhibiting shape-memory-assisted self-healing and clustering-triggered emission”为题发表在《Nature Communications》上（Nat Commun, 2023, 14, 4712），文章第一作者是中国科学院兰州化学物理研究所在读博士生王晓月。该研究得到了中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中科院青年创新促进会、国家自然科学基金项目等的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40340-8

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（责任编辑：xu）

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