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南林徐徐教授/中國林科院劉鶴研究員 Angew：基于sp2雜化的超強可拉伸的高彈超分子彈性體

2025-03-13 來源：高分子科技

彈性體，是現代工業和日常生活中不可或缺的材料。隨著科技進步，人們對彈性體的綜合性能提出了更高要求。因此，開發兼具高強度、高韌性等優異綜合性能的彈性體材料，是材料科學領域的研究熱點之一。

近日，南京林業大學徐徐教授課題組和中國林業科學院劉鶴研究員合作，以苯硼酸作為擴鏈劑，開發了一種新型基于sp²雜化硼的彈性體材料，該材料表現出超高的真實應力、優異的韌性和出色的彈性恢復力。

研究團隊發現，與傳統連接在sp³雜化碳上的氨基甲酸酯相比，連接在sp²雜化硼原子上的氨基甲酸酯鍵之間形成的氫鍵作用更強，其歸因于平面結構的sp²硼原子增強了鏈段空間構象的致密性和緊湊性，從而促進了基團間形成更強的氫鍵作用（圖1）。該研究展示了一種新型彈性體的設計和開發思路，強調了分子結構在材料性能中的重要性。

圖1. 新型聚氨酯彈性體的設計靈感

該研究以異佛爾酮二異氰酸酯、聚四亞甲基醚二醇和苯硼酸為原料，合成了新型聚氨酯彈性體。其中，苯硼酸中sp²雜化硼原子連接的氨基甲酸酯鍵之間形成了致密且強大的氫鍵作用，有效地耗散能量，顯著地提升彈性體的力學性能。通過拉伸測試、斷裂能、抗撕裂和抗穿刺等一系列的力學性能測試（圖2），研究人員發現，該新型彈性體材料表現出優異的力學性能。材料的真實斷裂應力高達1.30 GPa，與蜘蛛絲的強度相當，意味著該材料能夠承受極大的拉力而不發生斷裂；韌性達到442.2 MJ·m^-3，遠超普通彈性體材料；即使拉伸至原始長度的16倍，也能迅速恢復原狀，表明該材料具有優異的拉伸性能和彈性恢復能力；在連續拉伸循環中（>350次）表現出良好的性能，該材料在長期使用過程中不易發生損壞；超強的抗穿刺強度可達167.8 N·mm^-1，能夠承受較大的穿刺力而不破裂，表明該材料具有良好的抗破壞能力。

圖2. 新型聚氨酯彈性體的力學性能測試

為了深入了解材料的性能，作者還對其微觀結構進行了分析。通過原子力顯微鏡（AFM）表征（圖3），發現該材料具有明顯的微相分離結構，即硬段和軟段相互分離。硬段由異佛爾酮二異氰酸酯和苯硼酸組成，可形成硬疇，賦予材料良好的強度；軟段是由聚四亞甲基醚二醇組成，具有較好的彈性。這種微相分離結構有助于提高材料的綜合性能。此外，該研究還利用小角X射線散射（SAXS）和廣角X射線衍射（WAXD）等手段，發現該材料具有良好的長程有序性和結晶性，有助于提高材料的強度和韌性。

圖3. 新型聚氨酯彈性體微觀結構分析

研究發現該材料還具有良好的可回收性（圖4）。通過溶劑輔助或熱壓等方法，可將廢棄的彈性體材料回收再利用，且不會降低其機械性能。

圖4. 新型聚氨酯彈性體的回收

本研究成功開發了一種基于sp²雜化硼的新型聚氨酯彈性體材料，該研究通過分子結構和分子間相互作用力的協同調控實現材料綜合性能的提升，為高性能彈性體的設計提供了新思路，同時拓展了彈性體材料在柔性電子設備和高應力環境等領域的應用。

該工作以“An ultra robust tough, stretchable, and super high elastic recovery supramolecular elastomer resulting from hydrogen-bond interaction by sp² hybridized boron-urethane bonds”為題發表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI:10.1002/anie.202421099）。文章第一作者是南京林業大學博士研究生錢約翰，通訊作者為南京林業大學徐徐教授和中國林業科學院劉鶴研究員。該研究得到國家自然科學基金委的支持（32171722）。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202421099

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（責任編輯：xu）

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