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天天亮点!科学家研发韧性最高弹性体,指导聚合物设计

DeepTech深科技     2023-06-25 05:32:36

你知道目前世界上韧性最高的天然材料是什么吗?答案是——达尔文蜘蛛丝。


(相关资料图)

前不久,山东大学教授团队研制出一种弹性体,它的韧性是达尔文蜘蛛丝的 倍,使得弹性材料的韧性正式迈入 GJm−3时代。这款弹性体的名字叫 SPUU-DA,含有芳基酰胺和酰胺基脲基团。

图 | 王旭(来源:)

同时,SPUU-DA 弹性体还具有高达 的真实断裂应力,并集合了高弹性、高拉伸性、抗冲击性等多重功能。

值得注意的是,制备这种弹性体所使用的策略,能为设计超韧超分子聚合物以及高分子材料带来一定的指导。

在应用前景上,SPUU-DA 可被用于高性能复合材料、抗冲击涂层、高韧聚合物、介电弹性体等领域。

正如论文所演示的那样,当使用弹性体包覆玻璃时,可以构成一种有机-无机复合材料。

落球冲击试验结果显示,该策略能将玻璃的抗冲击能力至少提高 13 倍以上。摆锤冲击试验结果则显示,SPUU-DA 弹性体的冲击能量吸收为 ± J,冲击强度为 ± −2,且能对高速运动物体起到缓冲作用。

同时,由于 SPUU-DA 是一种热塑性材料,因此可以在有机溶剂中溶解,很容易就能实现分离和回收。

另外,研究中使用的超分子扩链剂也可作为超分子添加剂,以用于对其他材料的增韧。以含有 1,4-丁二醇(扩链剂)的聚氨酯为例,当加入小于 4wt.% 的超分子添加剂时,聚氨酯的韧性能被提高 50 倍以上。同时少量添加剂并不会给原始生产工艺带来影响,因此具有较高的实用性。(编者注:wt% 是重量(质量)百分数的单位,表示重量比及一种物质占混合物的比重。)

此外,当频率为 1kHz 的情况下,SPUU-DA 具有 的高介电常数、以及 的低介电损耗正切值。这意味着它有潜力成为具备高承载能力的特种介电弹性体。

最重要的是,该团队发现错配超分子增韧策略也适用于聚酰胺体系,而这将进一步扩大其应用范围。

(来源:Angew. Chem. Int. Ed.

如何实现热塑性弹性体的增韧?

就本次研究的背景来说:凭借较高的综合性能和可回收性,热塑性弹性体被广泛用于国防工业、生物医学工程和柔性电子器件等诸多领域。

热塑性弹性体,具有软硬段相分离的结构。而这种独特结构可以追溯到含有软硬段两相的聚氨酯(20 世纪 30 年代首次合成)。

对于材料来说,韧性是一个基本且重要的力学性能指标,它代表着材料在发生塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

在这种情况下,进一步提高材料的韧性,成为化学和材料等领域的科研热点。

自 1990 年以来,学界发现当引入适量的超分子作用之后,可以在聚合物结构中形成物理交联网络,这能促进材料在外力之下进行能量耗散,从而显著地提高材料的韧性。

作为一种超分子基元,2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy, 2-ureido-4[1H]-pyrimidinone),已被广泛用于弹性体的增韧。基于四重氢键的特异二聚化、一维堆叠,UPy 可以简化高韧超分子弹性体的设计,并能优化高分子材料的“设计-结构-性能”关系。

然而,这种固定二聚体化的结构,却在无形之中给材料增韧设了一道“天花板”,即使用 UPy 增韧的方法,弹性体的韧性始终小于 400MJm−3。

近年来,学界开始将目光转向非特异性的超分子基元,比如酰胺基脲、异山梨酯、植酸等。通过形成多聚体的方式,来实现超分子材料的增韧,从而让制备韧性在 600MJm−3 左右的弹性体成为可能。

但是,该团队发现这种不受约束的非特异性多重结合,可能会造成过度的超分子堆叠。在受到外力作用时,很难发生解离重组将能量及时耗散出去。

理论来讲,如果能精确调控超分子基元的非特异性结合,就能平衡材料的超分子结合强度和能量耗散,从而提高弹性体的韧性。

基于此,该课题组提出一种新策略:利用刚性和柔性超分子片段之间形成的错配超分子作用,来实现热塑性弹性体的增韧。通过调控这种错配超分子作用,就可以在不牺牲强度和弹性的情况下,对能量进行有效的耗散。

(来源:Angew. Chem. Int. Ed.

为了验证这一策略,他们合成了一系列的弹性体。结果发现:相比只含刚性或柔性超分子片段的弹性体,具有刚柔超分子片段的弹性体具有更高的韧性。

日前,相关论文以《利用刚-柔超分子片段协同作用开发高韧性热塑性弹性体》()为题发在 Angew. Chem. Int. Ed.(IF )上,王璐平是第一作者,担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文(来源:Angew. Chem. Int. Ed.

从材料界的“装甲卫士”说起

研究中,担任论文一作的王璐平,从聚氨酯脲弹性体的制备入手,借此开启在高性能弹性体上的探索。

课题组关注到凯夫拉“聚对苯二甲酰对苯二胺”,具有非常高的强度,可被用作防弹衣材料。在武器装备领域,更是被称为“装甲卫士”。该类材料的高强度主要来源于:其分子中含有可重复的刚性芳基酰胺结构单元。

注意到这一点之后该团队设想:如果将这种结构引入聚氨酯弹性体中,或能极大地提升材料的韧性。

因此,他们将目光锁定在与凯夫拉结构基元类似的刚性分子 4, 4"-二氨基苯酰替苯胺上,通过与柔性分子己二酸二酰肼搭配,构成错配的超分子作用,进而引入到聚合物基体之中。

首先,通过设计配方和大量实验,本次课题的高可行性得到验证。随后,课题组通过实验来探明最优的比例,最终发现当刚性组分和柔性组分的比例是 1:1 的时候,制备出来的聚合物具有更高的力学性能。其中,性能最优的弹性体是 SPUU-DA。

接着,他们又通过大量的表征手段,对其超高韧机理进行探究。通过小角 X 射线散射、X 射线衍射、差示扫描量热法以及理论模拟等手段,辅以针对耗散能的表征,证实了如下理论:SPUU-DA 弹性体的高韧性,主要源于分子结构内的错配超分子作用。

最后,课题组又合成一系列弹性体,对该策略的可行性进行反复验证。又将其用于聚酰胺体系,这一策略的普适性从而得到验证。

(来源:Angew. Chem. Int. Ed.

(来源:Angew. Chem. Int. Ed.

目前,针对高强度抗冲击防护的应用,该团队已经取得较为理想的进步,并已将其用于制备钙钛矿太阳能电池的涂层。

该涂层具备高透明、抗冲击的特性,可以有效地阻止钙钛矿电池的核心组分与水分、氧气以及灰尘的接触,从而大大提高该类电池的稳定性和使用寿命。

另据悉,非平衡高分子是的研究方向之一。他表示,从物理化学的角度来看,人们熟知的高分子体系,大多受控于经典热力学原理,在能量最小的热力学平衡态之下可以保持稳定。体系平衡一旦建立,所有参量将不再随时间变化。

实际上,自然界中的生命体系并非遵循这样的运作机制。相反,生命体系一般受控于耗散热力学,必须依靠外界燃料或能量的持续输入,才能维持瞬时的形态。

所以,对于非平衡体系来说,它始终运行在高能量的非平衡态之下,所有参量都会随时间呈现出周期性的变化。只有这样,才能维持生命体内的活性结构,并实现相应的复杂功能。

而该团队所研究的非平衡高分子体系,其独特之处在于通过模拟自然界中能量驱动的耗散体系,以仿生的方式构造非平衡体系,进而设计一系列的自适应材料。随着外界条件的变化,这些材料的作用和功能也可以进行有意识的调节、响应和修复。

由此可见,建立和研究这种非平衡体系,不仅能为揭示生命体中非平衡组装的机理提供新见解,也能在设计和开发相关新型智能材料领域中发挥重要作用。基于此,课题组也将展开更深入的研究。

参考资料:

1. Luping Wang, Longfei Guo, Kaiqiang Zhang, Yuguo Xia, Jingcheng Hao, Xu Wang*. Development of Tough Thermoplastic Elastomers by Leveraging Rigid–Flexible Supramolecular Segment Interplays. Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202301762.

运营/排版:罗以

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