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
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。详见: Luzhi Zhang, Qingbao Guan, Ao Shen, Rasoul Esmaeely Neisiany, Zhengwei You, Meifang Zhu. Supertough spontaneously self-healing polymer based on septuple dynamic bonds integrated in one chemical group. Sci. China Chem., 2022, 65 (2), 363-372
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