高韌性、可循環(huán)再生的交聯(lián)超分子聚脲材料
熱固性塑料因其共價交聯(lián)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的力學性能和尺寸穩(wěn)定性，已在高性能涂層和航空材料等領域展現(xiàn)出重要的應用價值。然而，共價交聯(lián)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也使得熱固性塑料難以再加工及循環(huán)利用，使用后廢棄的熱固性塑料造成了嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。如何構(gòu)筑可循環(huán)再生的交聯(lián)聚合物材料仍是有待解決的重要問題。
圖1 交聯(lián)超分子聚脲的制備與循環(huán)再生示意圖
在國家自然科學基金委的支持下，清華大學化學系張希教授、徐江飛副研究員課題組通過超分子單體的共聚合，向交聯(lián)聚合物的主鏈中引入低含量的四重氫鍵基元，成功地制備了高力學性能、可多次循環(huán)再生的交聯(lián)超分子聚脲材料。如圖1a所示，通過四重氫鍵連接的超分子二胺單體、共價二胺單體、三胺交聯(lián)劑與異氰酸酯單體共聚合，制備了交聯(lián)超分子聚脲。其中，三胺交聯(lián)劑用以保證材料的力學強度和交聯(lián)網(wǎng)絡的完整性。四重氫鍵基元的引入則使得交聯(lián)網(wǎng)絡在加熱時得以動態(tài)重組，具備了可循環(huán)再生的性能（圖1b）。此外，低含量的四重氫鍵基元不僅幾乎不影響材料的耐溶劑性，并且顯著地提升了材料的韌性。如圖2a所示，含有9.7%摩爾量四重氫鍵基元的交聯(lián)超分子聚脲具有74.17 MJ/m3的高韌性，相較于共價交聯(lián)聚脲提升了近120倍，同時依然保持了對多種溶劑的耐受性（圖2b）。更重要的是，該材料在經(jīng)過5次粉碎-熱壓再加工循環(huán)后，其斷裂應力、斷裂伸長率、楊氏模量等力學性能均保持在初始性能的95%以上（圖2c），展現(xiàn)出優(yōu)異的可循環(huán)再生性能。
圖2 a) 共價交聯(lián)聚脲和交聯(lián)超分子聚脲的韌性; b) 共價交聯(lián)聚脲和CSPU-0.097UPy的耐溶劑性能; c) CSPU-0.097UPy多次循環(huán)再生的應力-應變曲線
交聯(lián)超分子聚脲材料融合了交聯(lián)聚合物的優(yōu)良力學性能與超分子聚合物的動態(tài)可逆性質(zhì)。這一引入非共價鍵基元的策略為交聯(lián)聚合物材料的循環(huán)再利用提供了新的思路，未來有望應用于橡膠、環(huán)氧樹脂等熱固性材料，發(fā)展可再生的交聯(lián)超分子聚合物材料體系。參見Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000096.
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000096
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