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四川大学金勇教授课题组在室温可见光自修复水性聚氨酯材料上取得新进展
2020-04-01  来源:高分子科技

  自修复高分子材料的开发能够提高合成高分子材料的可靠性、耐久性和服用周期,在可穿戴电子皮肤、人工肌肉、柔性电子器件、锂离子电池、组织工程和涂料等领域具有广泛的应用。自修复高分子材料室温化和快速化修复及其力学高性能化和水性化是其当前的重要发展趋势,但目前已报道的自修复高分子材料在兼具快速室温自修复性能与高力学性能方面仍需进一步提高,同时其环保性也是亟待解决的问题。光修复具有简单易得、来源广泛、可操控性强和可远程定点投送等优点,可通过光或光热转化来诱发动态化学键的可逆反应,进而实现高分子材料的自修复。其中,可见光修复由于不存在紫外光修复时高分子的潜在降解问题,也不存在红外光修复时的显著光热效应,有望成为一种更有前景的室温修复方式。


  为了在水性高分子材料中实现其室温自修复和高力学性能的良好平衡,金勇教授团队开发了一种具有可见光动态响应特性的芳香席夫碱(ASB)键,并将其引入到水性聚氨酯的分子结构中,赋予了水性聚氨酯材料(ASB-WPU)良好的室温可见光自修复性能(24 h修复效率为83.8%)和高力学性能(拉伸强度14.32 MPa 、韧性64.80 MJ m-3),在水性高分子膜材料中实现了室温自修复和高力学性能的良好平衡。同时,还通过可见光实现了ASB-WPU膜材料的室温可见光再加工。


图1.(a)含动态ASB键水性聚氨酯的室温可见光自修复机理和修复样品的拉伸及承重;(b)含动态ASB键水性聚氨酯的室温可见光再加工示意图


  该团队还利用具有可见光动态响应特性的双碲键(126 KJ /mol),通过在水性聚氨酯的分子主链同时引入动态双碲键和2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)四重氢键作用,合成出具有的室温可见光自修复特性的超分子水性聚氨酯(DTe-WSPs)。通过调节DTe-WSPs中的双碲含量和UPy含量,在DTe-WSPs中同时实现了快速室温可见光自修复(光照10 min修复效率85.6%)和高力学性能(拉伸强度、断裂伸长率和韧性分别为19.47 MPa、1144.3%和105.2 MJ m-3),且其韧性达到目前已报道的室温自修复高分子材料的最高水平


图2。 基于动态双碲键水性聚氨酯材料的室温可见光自修复机理及其与已报道室温自修复高分子材料的修复时间和韧性对比图


  此外,该团队还利用具有可见光动态响应特性的双硒键(172 KJ/mol),通过在水性聚氨酯的分子主链引入动态双硒键,并在其侧链引入UPy四重氢键作用,合成出具有的室温可见光自修复特性的超分子水性聚氨酯(DSe-WSPs)。通过调节DSe-WSPs中的双硒含量和UPy含量,在水性高分子膜材料中同时实现了快速室温可见光自修复(10 min修复效率超过95.0%)和高力学性能(拉伸强度、断裂伸长率和韧性分别为15.34 MPa、762.3% 和69.1 MJ m-3),在很大程度上克服了当前自修复高分子材料中室温快速自修复和高力学性能难以兼具的瓶颈问题。


图3. 兼具快速室温可见光自修复和高力学性能的含双硒键超分子水性聚氨酯


  以上相关成果分别发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2020, Advance Article), ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 6383-6395.)和Polymer (Polymer, 2020, 190, 122199-122210.)上。论文的第一作者为四川大学轻工科学与工程学院博士生樊武厚,通讯作者为金勇教授


  论文链接:

  https://doi。org/10。1039/C9TA13928A

  https://doi.org/10.1021/acsami.9b18985

  https://doi。org/10。1016/j。polymer。2020。122199

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