成果简介
具有自愈合功能的人造弹性体因其修复受损缺陷的能力而备受青睐。然而，如何在机械强度、拉伸性和快速室温自愈合能力之间取得平衡是一项重大挑战。本文，中国科学院宁波材料技术与工程研究所赵海超 研究员、王立平 研究员等在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Ultra-robust, highly stretchable and ambient temperature rapid self-healing polyurethane/graphene elastomers enabled by multi-type hydrogen bonds”的论文，研究基于核碱基非共价组装，提出了一种具有蜘蛛丝般反向人工珍珠岩结构的坚固且高度可拉伸的自愈合弹性体。
具体来说，在聚氨酯中引入了含胸腺嘧啶的侧链氢（H）键和高密度六元H键阵列，以提高分子链的运动活性并调节机械性能。腺嘌呤修饰的氧化石墨烯纳米片被嵌入到这些弹性体中，以提供丰富的界面非共价 H 键。多类型 H 键的协同作用有效地解决了上述矛盾特性，在室温自愈合 2 小时内（自愈合效率 = 85.62%）创造出一种具有最佳机械性能（46.60 兆帕的优异强度和 1736.89% 的拉伸性）的弹性体。有趣的是，仿生聚氨酯/石墨烯即使在低温和水环境下也能表现出抗腐蚀和爬行功能，从而实现快速自愈，这为构建坚韧的自愈柔性复合材料提供了一种新策略。
图文导读
图1、 (a) T-AMPD/AD-PU 弹性体中的分子链和多类型动态 H 键结构。(b) 具有反向人造珍珠层结构和类似蜘蛛丝的可逆应变诱导结晶网络的仿生 PU/G 网络示意图。(c) T/AGs-0.5%-PU 中多种类型的动态 H 键相互作用。
图2、 (a) A/rGO 纳米片的 TEM-EDS 和 (b) SPM 图像。(c) T/AGs-0.5%-PU 的截面 SEM 照片。(d) 聚氨酯复合材料的微红外光谱：400-3500 和 1500-1800 cm-1。T/AGs-0.5%-PU 在 25-200 °C 范围内的 VTIR 光谱：(e) 1520-1780 和 (f) 3100-3500 cm-1。改性前（g）和改性后（h）聚氨酯与纳米片之间的电子密度差和结合能，其中黄色（蓝色）区域代表电子积聚（耗尽），等面级设定为 0.001 e bohr-3。
图3、 (a) 不同拉伸释放应变下 T/AGs-0.5%-PU 的二维 WAXS 图样、(b) 二维 SAXS 图样和 (c) 一维 (1D) SAXS 积分曲线。(d) 不同聚氨酯复合材料的拉伸应力-应变结果和 (e) 韧性/杨氏模量值。(f) T/AGs-0.5%-PU 的承重照片和 (g) T/AGs-0.5%-PU 的机械性能增强机制示意图。
图4、 (a) 不同聚氨酯复合材料在 25 °C 下自愈 2 小时的拉伸应力-应变结果和 (b) η 值。T/AGS-0.5%-聚氨酯在 25 °C 下不同自愈持续时间的特性：(c) 应力-应变结果，(d) η 值，(e) 0、1 和 2 小时后的微红外图像，(f) 微红外光谱，以及 (g) 0、1 和 2 小时后的扫描电镜图像。(h) T/AGs-0.5%-PU 在冰盐水（∼2 °C）中自愈 0、0.5、2 和 12 小时后的 LEIS 图像。(j) 拟议的 T/AGs-0.5%-PU 弹性体与其他已报道的在室温下 2 小时内具有自愈合能力的聚合物的比较。
图5、 (a) 在引入表面缺陷后立即对聚氨酯复合材料进行 LEIS 成像。(b) 聚氨酯复合材料的阻抗值和 (c) OTR。(d) T/AGs-0.5%-PU 在不同溶剂中的稳定性测试照片。(e) 近红外辐射驱动的自修复机器人爬行行为的照片和示意图。
小结
综上所述，基于A=T驱动组件，我们开发了一种超韧且对水不敏感的自修复弹性体，具有协同柔性侧链H键、动态六重 H 键和仿生应变诱导的晶体可逆 PU/G 网络。柔性侧链 H 键调节弹性体分子链的活性和迁移率，而动态六重 H 键阵列和高密度界面 H 键充当强且可逆的交联键和牺牲键，以实现高效能量耗散。T/AGs-0.5%-PU 在强度 （46.60 MPa）、韧性 （337.19 MJ m ） 之间表现出极好的平衡−3）、拉伸性 （1736.89%） 和室温下快速自修复 （25 °C 持续 2 小时η = 85.62%），同时在低温 （∼2 °C） 和水性条件下表现出自修复。此外，T/AGs-0.5%-PU 涂层具有非凡的气体渗透性和耐腐蚀性。使用这种复合材料组装的机器人成功地实现了室温 NIR 辐射驱动的爬行功能辅助自我修复。PU/G 网络的这种精心设计的分子和结构设计为制备超韧自愈复合材料提供了一种通用方法，可用于适用于复杂海洋环境的人造电子皮肤、柔性机器人和可穿戴电子设备。
文献：https://doi.org/10.1039/D4TA05090H
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