东华大学朱美芳院士/游正伟教授团队：集多重动态键于同一化学基团构筑超韧室温自愈合聚合物

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东华大学朱美芳院士和游正伟教授等人针对目前聚合物的力学性能和自愈合性能难以兼顾的问题，提出了一种“多交联点合一”的聚合物网络拓扑结构设计的新思路, 研制了具有优异的韧性（139.8 MJ m-3）和室温自愈合性（愈合效率~100%）的聚氨酯，为高性能自愈合聚合物的设计提供了新思路。相关成果近期以“Supertough spontaneously self-healing polymer based on septuple dynamic bonds integrated in one chemical group”发表于中国科学院和国家自然科学基金委共同主办的学术期刊Science China Chemistry。 

自然界中生物体的自愈合性能激发了研究人员开发自愈合材料。材料的自愈合性能可以有效延长材料的使用寿命，增加使用安全性，降低维护成本，在汽车涂层、可穿戴电子、软体机器人、生物医学等诸多领域备受关注。然而，大多数材料的自愈合过程需要热、光和额外的试剂等，同时力学性能和自愈合性能难以兼顾，研制理想的高性能室温自愈合材料仍然是该领域的挑战。

最近，东华大学纤维材料改性重点国家实验室朱美芳院士和游正伟教授等提出了一种“多交联点合一”的自愈合聚合物网络拓扑结构设计的新思路，即：将多重动态相互作用集合在同一化学基团中，最大限度地减少由等数量交联作用形成的交联点数量。聚合物网络中的交联点少有利于聚合物链的运动性，从而有利于材料的自愈合性能；同时，网络中保留的大量交联作用保证了拉伸过程中的高能量耗散，从而有利于材料的韧性。该研究团队基于铁离子-2,6-二乙酰吡啶二肟氨酯基团合成了一种聚氨酯（Fe-PPOU）。Fe-PPOU中包含集成在同一个化学基团中的七重动态键（图1）。其中，2,6-二乙酰吡啶二肟氨酯基团中包含了四个动态键，即两个肟氨酯键和两个氢键。2,6-二乙酰吡啶二肟单元作为配体与铁离子配位形成另外三个金属配位键，即一个铁离子-吡啶基氮配位键和两个铁离子-肟基氮配位键。

图1 Fe-PPOU的设计和合成示意图

Fe-PPOU中多重动态键在拉伸过程中的可逆重组有效提升了材料的韧性（图2）。Fe-PPOU的拉伸韧性可达139.8 ± 18.2 MJ m^-3，超过了已报道的室温自发自愈合聚合物的拉伸韧性。

图2 （a）Fe-PPOU在拉伸过程的示意图。（b）PPOU和Fe-PPOU的拉伸曲线。

多重动态键构成的交联点数量最小化的独特的拓扑网络结构，赋予了Fe-PPOU优异的自愈合性能（图3）。切断的Fe-PPOU样条，在室温下自愈合后的韧性可达134.3 ± 20.6 MJ m^-3，愈合效率接近100%。

图3 （a）Fe-PPOU自愈合照片及示意图。（b-c）Fe-PPOU的自愈合后的拉伸曲线和愈合率。

该工作的分子设计具有一定的通用性，利用镧系金属离子和生物活性相关金属离子代替中心金属离子，有望将光电磁及生物特性赋予聚合物；而将有机配体基团进行改变，可进一步调控其性能。本工作为高性能功能聚合物材料的设计提供了一种新策略。

本研究工作获得了国家自然科学基金委、国家重点研发计划等项目资助。

 

文章链接：

https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-021-1157-9?slug=fulltext

作者简介：

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游正伟，教授、博导，现任东华大学材料科学与工程学院复合材料系主任、中国纺织工程学会柔性电子生物医用纺织材料科研基地主任。本科和博士分别就读于上海交通大学和中国科学院上海有机化学研究所，后于佐治亚理工学院从事博士后研究；曾任匹兹堡大学访问研究助理教授、拜耳材料科技创新经理等职。2013年加入东华大学纤维材料改性国家重点实验室。长期从事生物医用弹性体研究。近五年在Nat. Med.、Nat. Commun., Adv. Mater.，Natl. Sci. Rev.,等国际期刊发表通讯作者论文40多篇（IF>10的20篇）。授权中国发明专利27项。成果被国家自然科学基金委员会、国家新材料产业发展战略咨询委员会、《中国科学报》头版等专题报道。在欧洲材料研究学会年会等重要学术会议上做主旨和邀请报告40余次。担任国际学术期刊《Smart Materials in Medicine》副主编、《Bioactive Materials》编委、《Advanced Fiber Materials》和《中国材料进展》青年编委。

朱美芳，博士、教授，中国科学院院士、发展中国家科学院院士，现任东华大学材料科学与工程学院院长、纤维材料改性国家重点实验室主任，兼任中国材料研究学会副理事长、中国纺织工程学会副理事长、中国女科技工作者协会副会长、《Advanced Fiber Materials》主编等职。1989年硕士毕业后留校工作至今，1998年破格晋升教授。在纤维材料复合化、功能化与智能化研究领域取得了系统性和创造性成果，发表论文500余篇，出版著作10部（章），获授权发明专利300余件。获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖、首届全国创新争先奖状、国家教学成果二等奖、上海市教学成果一等奖、上海市自然科学一等奖等20余项奖励。2009年获国家杰出青年科学基金，2012年入选教育部创新团队发展计划（2016年获滚动支持），2013年入选教育部长江学者特聘教授，2017年入选全国高校首批黄大年式教师团队负责人及“万人计划”科技创新领军人才。

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