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南京理工基于动态硬畴设计的高强韧、自恢复和自愈性的透明弹性体
来源:网易号   发布时间:2021-09-26   浏览:5219
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超分子自修复聚合物(SSHPs)有能力恢复的宏观力学性能在损伤通过可逆拆卸/装配的动态主题基于氢键,金属配位,主客体作用,离子,π-π相互作用等。在过去的几十年里,人们付出了大量的努力来构思SSHPs的建设策略。此外,在阐明结构(超分子结构)-活性(自愈性能)关系和自愈机制方面也取得了重大突破。SSHPs固有的自愈特性具有理论上无限的自愈时间和无需外部能量输入的自愈能力等优点,在制备具有广泛工业应用的自愈功能聚合物方面具有潜在的应用前景。在这方面,恢复和保存功能以及使机械性能适应服务环境的能力是两个主要考虑因素。然而,同时优化室温愈合效率和机械性能如机械强度和自恢复性是一个挑战。

近期,南京理工大学傅佳骏和姜炜教授合作开发了一种新颖的设计理念,即“动态硬畴”基于微观相分离结构制造聚氨酯超分子弹性体,具有的独特组合的属性如透明度、较高的机械强度(弹性体可以承载7.5公斤的重量没有破坏,极好的韧性(韧性:65.49 MJ m3;断裂能:4650 J m2,是室温SSHPs中最高的报告值;极佳的抗穿刺和缺口拉伸非敏感性能,可重复变形恢复(伸长率300%变形恢复良好和室温自愈能力(弹性体时切成两块,重新接触后2min可承载400×自身重量,48h后完全恢复。在聚氨酯网络中加入动态硬畴是平衡愈合效率和力学性能的关键步骤。用不同强度的分级氢键组装动态硬畴。它们不仅提供了必要的机械强度和弹性,而且通过硬区域的连续断裂和网络的快速重排提供了异常的韧性和自主自愈能力。因此,所制备的超分子弹性体在制备抗冲击和吸能保护材料以及可拉伸和自愈合导体方面具有潜在的应用前景。值得注意的是,一步缩聚工艺操作简单,易于规模化。

具体来说,利用异佛尔二胺(IDA)和甲苯2,4-二异氰酸酯封端的聚丙二醇(PPGTD)和异佛尔二胺(IDA)进行缩聚反应(PPGTD:IDA molar ratio = 1:0.95)。通过溶剂浇铸法制得聚合体PPGTD-IDA。所示的光学照片描绘了PPGTD-IDA的高透明度。室温下可见光(400-750 nm)的平均透过率为>90%。采用原子力显微镜(AFM)和小角度x射线散射(SAXS)技术研究了PPGTD-IDA的微观相分离结构。AFM图像显示了柔软(聚丙二醇)之间的清晰边界;黑色区域)和硬质区域。SAXS剖面上只有一个宽峰(q = 1.56 nm1)对应非均匀的微相分离(图1h)。测定PPGTDIDA的玻璃化转变温度(Tg)在室温以下约50.1℃。值得注意的是,DSC曲线在- 80 ~ 200℃范围内均未观察到放热峰和吸热峰,因此表明了聚氨酯网络中的非晶硬畴。通过x射线衍射(XRD)进一步验证了非晶结构。

基于该材料的友谊性能,作为铝合金防护吸能减震涂层可以在受导批淮后快速的恢复防腐功能。与金属制备得到的复合材料具有优异的电导性,自修复和抗缺口拉伸性。

综上,本研究提出了一种基于“动态硬域”的设计概念,利用商业上可用的试剂,通过简单的一步缩聚过程,合成一种新型的室温自愈超分子弹性体PPGTD-IDA。该弹性体具有透明性、较高的抗拉强度、极高的韧性、突出的韧性和重复变形恢复能力。自愈合和最佳力学性能的集成是基于将由分级氢键组装的动态硬域纳入聚合物网络。因此,动态硬畴的贡献可以归纳为:(i)提供了合适的机械强度和弹性的硬畴结构;(ii)多强度氢键的相继断裂和网络的快速重排导致了超韧性和缺口不敏感性;(iii)动态氢键的快速重排使室温自愈成为可能。“动态硬域”的概念为解决动态自愈和机械性能之间的矛盾提供了一种很有前途的构造策略,并提供了SSHPs引人入胜的韧性和突出的抗缺口敏感性,有助于扩大应用范围。

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