自修復(fù)彈性體在受損后能夠全部或部分修復(fù)其性能，在航空航天、交通運輸、可穿戴電子器件和傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為了實現(xiàn)自修復(fù)性能，需要在彈性體中構(gòu)筑氫鍵、配位鍵、離子鍵和π-π作用等動態(tài)鍵，這些動態(tài)鍵雖然可以賦予彈性體較高的自修復(fù)效率，但是其鍵能較低，使得彈性體的力學(xué)性能較差（拉伸強度往往低于4MPa，斷裂韌性往往低于1kJ/m2）。
學(xué)習(xí)高強度水凝膠設(shè)計的思想，可以在自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)中引入共價鍵網(wǎng)絡(luò)，提高彈性體的力學(xué)性能，但是動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的極性通常較大，而共價鍵網(wǎng)絡(luò)的極性通常較小，二者在沒有共溶劑的條件下會發(fā)生相分離。
為了克服這個問題，四川大學(xué)吳錦榮副教授與哈佛大學(xué)蔡歷恒博士和David A. Weitz教授合作，設(shè)計并制備出一種分子鏈上帶酰胺鍵，端基為氨基或羧酸基的超支化分子，將該超支化分子的端氨基和端羧酸反應(yīng)交聯(lián)，獲得一種彈性體。
圖1. 高性能自修復(fù)彈性體的分子設(shè)計。a, 合成過程。b, 超支化分子的示意圖。c, 雜化網(wǎng)絡(luò)的示意圖。d, DSC熱流曲線。
該彈性體中酰胺鍵形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，支化點形成共價鍵網(wǎng)絡(luò)。氫鍵網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)力作用下優(yōu)先斷鍵，耗散能量，并且賦予彈性體較高的自修復(fù)性能，而共價鍵網(wǎng)絡(luò)則賦予材料較高的力學(xué)性能。此外，該彈性體在拉伸作用下出現(xiàn)特殊的“宏觀銀紋”。與塑料中觀察到的銀紋不同，“宏觀銀紋”的尺度為1μm—1000μm，斷裂面之間由多層薄片連接，而且“宏觀銀紋”遍及整個樣條！昂暧^銀紋”的產(chǎn)生進(jìn)一步耗散能量，使得材料的斷裂韌性達(dá)13.5 kJ/m2，拉伸強度達(dá)19.5MPa，與天然橡膠相當(dāng)。優(yōu)異的性能使得該自修復(fù)彈性體可望在高性能阻尼材料和結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
圖2. 力學(xué)性能和拉伸過程中的形貌演變. a, 拉伸過程中樣品的光學(xué)照片。b, 拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。c, 拉伸過程中在線SEM觀測“宏觀銀紋”。
以上工作近期發(fā)表在《Advance Materials》上(Adv. Mater. 2017, 1702616)，該工作得到國家自然科學(xué)基金委、高分子材料工程國家重點實驗室、美國自然科學(xué)基金委和美國國立衛(wèi)生研究院的支持。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702616/full
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