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四川大學蔡緒福教授團隊《Macromolecules》：光控可愈合、高強高韌交聯聚氨酯材料

2022-09-30 來源：高分子科技

共價鍵自適應網絡（CANs）因分子鏈中獨特的可逆共價鍵可以兼具熱塑性高分子材料與熱固性高分子材料的特點，成為目前高性能自愈合材料的研究熱點。光控愈合性可提供便捷的、遠程控制的愈合方式，相對于傳統熱愈合具有明顯優勢。現有研究常通過添加吸光組份賦予自愈合材料光熱效應，從而實現光控愈合，但是添加組份會降低材料機械性能、抗溶劑性能等。如何通過分子設計制備出兼具高光熱轉換效率、高強高韌、高愈合率、抗溶劑性能的材料可愈合材料實際應用的重大挑戰之一，也是本文的研究目標。

圖1 具有強韌高愈合率和光熱轉換效率的聚氨酯材料（PHPUs）

近期，四川大學高分子科學與工程學院蔡緒福教授團隊采用對苯醌二肟作為吸光組份，通過逐步聚加成反應合成了一系列光控可愈合的高強高韌交聯聚氨酯材料（圖1），通過調節對苯醌二肟的比例控制體系的交聯度和玻璃化轉變溫度，構建了軟硬段比例和化學結構可調的共價自適應交聯網絡（CANs）（圖2）。通過核磁、紅外、熱失重等表征測試驗證了共價自適應交聯網絡的成功構筑。在DMA和力學拉伸測試驗證了聚醚二元醇與對苯醌二肟在合適的比例下將同時具有強韌的拉伸性能與動態交聯拓撲結構（圖3）。基于PHPUs在DMA應力松弛模式下的松弛行為確定了材料最為合適的愈合溫度實現了99 %的愈合率（圖4）。將對照聚氨酯和PHPU-3同時放在紅外光下輻照，PHPU升溫速率明顯快于對照組聚氨酯，可在200 s內升至愈合溫度以上并達到94 %的愈合率（圖5）。此外結合材料的光熱效應與動態性能可實現材料遠程光控下的永久塑性。這項研究工作結合了CANs動態可逆性與對苯醌結構的光熱效應，為制備光熱雙重刺激可愈合聚合物提供了新的設計策略。該工作以“A Photohealable Polyurethane with Superior Robustness and Healing Ratio”為題發表在《Macromolecules》上（DOI: 10.1021/acs.macromol.2c00871）。

圖2 光熱可愈合聚氨酯材料的結構式與光愈合過程

圖3 自適應動態交聯網絡的成功構筑與基本性能表征。a)紅外 b)DMA掃溫模式下的儲能模量變化 c)玻璃化轉變溫度 d)應力-應變曲線 e）拉伸韌性來源 f,g)掃溫流變測試 h,i)抗溶劑性測試

圖4 PHPU的熱刺激動態性能探究。a)DMA應力松弛模式測試 b)活化能計算結果 c) 光學顯微鏡觀察熱刺激愈合 d)不同愈合時間下的應力-應變曲線 e)熱壓再加工示意圖 f) 三次再加工后的應力-應變曲線

圖5 具有快速光熱轉換效率的PHPU及光刺激愈合效率、形狀再編程示意圖。a)光熱轉化效率的對比展示 b)光熱愈合的機理 c)愈合過程的光學顯微鏡照片 d) 光愈合的應力-應變曲線 e)PHPU-3的強韌性照片 f)光熱形狀編程照片

本論文第一作者為四川大學高分子科學與工程學院碩士研究生曾繁昊，通訊作者為四川大學高分子科學與工程學院博士后孔維波。四川大學為第一單位，中國民航飛行學院為第二單位。該論文獲得國家自然科學基金（51873114）與中國民航飛行學院科研基金（J2022-83）的支持。

原文鏈接：

A Photohealable Polyurethane with Superior Robustness and Healing Ratio，

Fanhao Zeng, Jingyi Ning, Yunyun Yang, Chong Tian, Lei Huang, Fuqi Zhao, Qiang Liu, Meiling Cui, Jiahao Lv, Yunfeng Jiang, Xufu Cai, and Weibo Kong

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.macromol.2c00871

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（責任編輯：xu）

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