南林徐徐教授/中国林科院刘鹤研究员 Angew：基于sp2杂化的超强可拉伸的高弹超分子弹性体

2025-03-13 来源：高分子科技

弹性体，是现代工业和日常生活中不可或缺的材料。随着科技进步，人们对弹性体的综合性能提出了更高要求。因此，开发兼具高强度、高韧性等优异综合性能的弹性体材料，是材料科学领域的研究热点之一。

近日，南京林业大学徐徐教授课题组和中国林业科学院刘鹤研究员合作，以苯硼酸作为扩链剂，开发了一种新型基于sp²杂化硼的弹性体材料，该材料表现出超高的真实应力、优异的韧性和出色的弹性恢复力。

研究团队发现，与传统连接在sp³杂化碳上的氨基甲酸酯相比，连接在sp²杂化硼原子上的氨基甲酸酯键之间形成的氢键作用更强，其归因于平面结构的sp²硼原子增强了链段空间构象的致密性和紧凑性，从而促进了基团间形成更强的氢键作用（图1）。该研究展示了一种新型弹性体的设计和开发思路，强调了分子结构在材料性能中的重要性。

图1. 新型聚氨酯弹性体的设计灵感

该研究以异佛尔酮二异氰酸酯、聚四亚甲基醚二醇和苯硼酸为原料，合成了新型聚氨酯弹性体。其中，苯硼酸中sp²杂化硼原子连接的氨基甲酸酯键之间形成了致密且强大的氢键作用，有效地耗散能量，显著地提升弹性体的力学性能。通过拉伸测试、断裂能、抗撕裂和抗穿刺等一系列的力学性能测试（图2），研究人员发现，该新型弹性体材料表现出优异的力学性能。材料的真实断裂应力高达1.30 GPa，与蜘蛛丝的强度相当，意味着该材料能够承受极大的拉力而不发生断裂；韧性达到442.2 MJ·m^-3，远超普通弹性体材料；即使拉伸至原始长度的16倍，也能迅速恢复原状，表明该材料具有优异的拉伸性能和弹性恢复能力；在连续拉伸循环中（>350次）表现出良好的性能，该材料在长期使用过程中不易发生损坏；超强的抗穿刺强度可达167.8 N·mm^-1，能够承受较大的穿刺力而不破裂，表明该材料具有良好的抗破坏能力。

图2. 新型聚氨酯弹性体的力学性能测试

为了深入了解材料的性能，作者还对其微观结构进行了分析。通过原子力显微镜（AFM）表征（图3），发现该材料具有明显的微相分离结构，即硬段和软段相互分离。硬段由异佛尔酮二异氰酸酯和苯硼酸组成，可形成硬畴，赋予材料良好的强度；软段是由聚四亚甲基醚二醇组成，具有较好的弹性。这种微相分离结构有助于提高材料的综合性能。此外，该研究还利用小角X射线散射（SAXS）和广角X射线衍射（WAXD）等手段，发现该材料具有良好的长程有序性和结晶性，有助于提高材料的强度和韧性。

图3. 新型聚氨酯弹性体微观结构分析

研究发现该材料还具有良好的可回收性（图4）。通过溶剂辅助或热压等方法，可将废弃的弹性体材料回收再利用，且不会降低其机械性能。

图4. 新型聚氨酯弹性体的回收

本研究成功开发了一种基于sp²杂化硼的新型聚氨酯弹性体材料，该研究通过分子结构和分子间相互作用力的协同调控实现材料综合性能的提升，为高性能弹性体的设计提供了新思路，同时拓展了弹性体材料在柔性电子设备和高应力环境等领域的应用。

该工作以“An ultra robust tough, stretchable, and super high elastic recovery supramolecular elastomer resulting from hydrogen-bond interaction by sp² hybridized boron-urethane bonds”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI:10.1002/anie.202421099）。文章第一作者是南京林业大学博士研究生钱约翰，通讯作者为南京林业大学徐徐教授和中国林业科学院刘鹤研究员。该研究得到国家自然科学基金委的支持（32171722）。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202421099

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（责任编辑：xu）

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