合肥工业大学方华高副教授、丁运生教授《Mater. Horiz.》：高强度、高延展性和抗穿刺的室温自修复聚氨酯弹性体

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高强度、高延展性和抗穿刺的聚氨酯弹性体在可穿戴柔性电子器件，软体防护装备等领域具有很好的应用前景。具有自修复功能的高性能聚氨酯弹性体可以防止使用过程中光、电、热和力导致的结构损伤，提高器件的使用寿命和装备的功能可靠性。同时实现自修复能力和力学性能的提升是目前该领域研究的难点与挑战。

图1.超分子聚氨酯弹性体的分子设计策略及硼-氮（B-N）配位作用

针对这一难题，合肥工业大学化学与化工学院方华高副教授和丁运生教授等通过分子设计，将硼酸酯与可形成配位的含氮电子给体同时引入聚氨酯主链，制备出一种基于动态硼酸酯和硼-氮（B-N）配位作用的超分子聚氨酯弹性体材料（图1a）。扩链剂小分子DFT计算结果显示所采用的硼酸酯与叔胺扩链剂之间可形成B-N1和B-N2两种配位作用，其中以B-N1型为主（图1b）。核磁¹¹B谱证实聚氨酯体系中硼原子均已形成B-N配位键（图1c），致使弹性体的储能模量显著提高，并抑制了分子链的松弛（图1d）。B-N配位键在聚氨酯弹性体中构筑了分子内与分子间超分子作用（图2a）：分子内B-N配位促进了聚合物链的折叠，赋予材料超高的延展性（断裂应变: 14000%）（图2b）；分子间B-N配位作为物理交联点，显著提高了材料的力学强度（10.5 MPa），其拉伸韧性达到182.2 MJ m^-3（图2c），远高于目前已报道的其他室温自修复材料。由于B-N配位具有动态特性，在体系中形成瞬时网络结构，单轴拉伸性能表现出显著的速度依赖性（图2d）。此外，在弹性体撕裂过程中，通过B-N配位作用的可逆断裂与重组，有效吸收外界能量，断裂能高达72100 J m^-2（图2e），表现出优异的缺口不敏感性（图2f，视频1）和突出的抗穿刺特性（图2g，视频2）。

图2. 基于硼酸酯与B-N配位的超分子聚氨酯弹性体的力学性能

视频 1

视频2

该超分子聚氨酯弹性体表现出优异的室温自修特性，将切断面接触后经室温放置36小时，拉伸强度恢复至5.2 MPa，已超过绝大部分先前报道的室温自修复材料(图3a、图3c)。断面经水润湿后，修复速度显著加快，经36小时修复，拉伸强度达到8.6 MPa，拉伸韧性升至123.5 MJ m^-3 （图3b、图3c）。在室温条件下，聚氨酯分子链上硼酸酯间的复分解反应、B-N配位键和氢键的可逆断裂与形成是该超分子聚氨酯自修复的内在机理。虽然大分子链的运动能力较弱，致使室温自修复效率有限，但少量水诱导硼酸酯的水解-再酯化反应，提高了断面聚合物链的运动能力，从而显著提高弹性体的修复效率（图3e）。该研究工作提出了一种基于动态硼酸酯与B-N配位作用协同的分子设计策略，制备的聚氨酯弹性体不仅具有良好的室温自修复能力，而且还具有高强度、高延展性与抗穿刺等特点，有望应用于可穿戴柔性电子器件，软体防护装备等领域。

图3. 基于硼酸酯与B-N配位的超分子聚氨酯弹性体室温自修复性能及机理。

目前该工作以“Synergy between Dynamic Covalent Boronic Ester and Boron-Nitrogen Coordination: Strategy for Self-Healing Polyurethane Elastomers at Room Temperature with Unprecedented Mechanical Properties”为题发表在材料类国际著名期刊《Materials Horizons》。博士研究生宋楷为第一作者，方华高副教授，丁运生教授和魏海兵副教授为通讯作者，合肥工业大学为唯一通讯单位。该项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D0MH01142H

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