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  吸能纖維（SAFs）因其卓越的沖擊能量吸收能力，在安全防護等領域扮演著關鍵角色。SAFs的吸能能力來源于纖維形變過程中因聚合物鏈段滑移和分子間作用力打開帶來的高效能量耗散。因而，高性能的吸能纖維通常通過高密度的作用力交聯低柔性的聚合物鏈段來制備。這就導致高性能SAFs通常呈現塑料形態，因而在形變后難以恢復其初始的形狀。因此，現有高性能SAFs往往只能“一次性”使用。在使用安全性方面，塑性的纖維通常不具有耐損傷能力。一旦纖維受損，應力極易在傷口處集中，從而引發斷裂，嚴重威脅其服役安全性。為解決上述問題，一些能夠通過水刺激消除不可逆形變從而能夠被重復使用的水凝膠基吸能纖維被成功制備。這些纖維能夠消除塑性變形，原因在于它們在吸水后會發生玻璃化轉變。但水凝膠纖維不可避免的水蒸發以及復雜的后處理過程限制了這些材料的實際使用。另外，隨著纖維基聚合物制品的大量使用，由纖維報廢造成的資源浪費和白色污染問題也日益嚴重，因而亟需賦予纖維循環利用性能。

  為解決上述問題，吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室的孫俊奇教授和王曉晗助理教授團隊成功制備了耐損傷能力創紀錄、具有卓越吸能能力并可多次循環利用的彈性體SAFs。該彈性體SAFs經歷吸能變形后，可以不經過任何處理自發恢復原始形狀，從而可以被連續多次使用。彈性體SAFs是通過將金屬配位鍵交聯的聚己內酯（PCL）鏈段和聚四氫呋喃（PTMG）鏈段構成的多嵌段聚氨酯，在正己烷凝固浴中采用濕法紡絲制備而成。它卓越的性能來源于其獨特的相分離結構，其中氫鍵、配位鍵和結晶性的PCL鏈段聚集形成的多層級硬相具有“硬而韌”的特點，它們沿著纖維方向取向排列交聯柔性的聚四氫呋喃鏈段。這些相分離結構充當納米粒子可以有效提升纖維的力學強度，其真實應力達908.8 MPa。更為重要的是，“硬而韌”的硬相可以在外力作用下變形乃至瓦解，其內部的氫鍵和配位鍵隨之瓦解來高效耗散能量，從而賦予SAFs以卓越的吸能能力、韌性、和抗損傷能力。其韌性高達442.6 MJ m^-3、阻尼效率高達87%，其斷裂能達4042 kJ m^-2，斷裂能的數值創造了聚合物斷裂能的記錄。待應力撤去后，形變和瓦解的相分離結構可以隨動態的氫鍵和配位鍵的重建而恢復它們的原始形態，從而賦予彈性體SAFs以不需任何處理的彈性回復能力。基于氫鍵和配位鍵的動態性，彈性體SAFs經過溶解-重紡處理后即可循環利用，循環利用后的SAFs具有和原始樣品相同的結構和力學性質。

【彈性體SAFs的合成制備】

  圖1a為所制備的彈性體SAFs的化學結構，它們是由PCL和PTMG鏈段構成的多嵌段聚氨酯，嵌段之間鏈接由吡啶基團（圖1a）。多嵌段聚氨酯經鋅離子配位交聯后，通過以正己烷為凝固浴的濕法紡絲，即可得到彈性體纖維（圖1b, c）。纖維在偏振光顯微鏡暗場下清晰可見，它們的小角X射線散射（SAXS）顯示特征性的梭狀散射環（圖1e），證明了纖維內部存在的硬相結構沿著纖維方向取向分布（圖1d, e）。

圖1. 彈性體纖維的制備。（a）纖維化學結構的分子式。（b）濕法紡絲過程纖維結構變化示意圖。（c）纖維的實物照片。（d）纖維的偏振光顯微鏡照片；明場（i）；暗場（ii）。(e) 纖維的2D-SAXS圖像。

【彈性體纖維的力學性能和抗損傷能力】

  通過調控多嵌段聚氨酯中PCL鏈段的百分比，可以實現纖維力學性能的調控。其中PCL鏈段質量分數70%的SAFs （PU-PCL₇₀）具有最佳的力學性能，其斷裂強度和韌性分別為75.5 MPa和298.2 MJ m^-3。值得注意的是PU-PCL₇₀的力學性能隨拉伸速率的增加而增加該材料在500 mm min^-1高速拉伸條件下，其斷裂強度、斷裂韌性及真實應力進一步提升至113.6 MPa、442.6 MJ m^-3和908.8 MPa（圖2a）。與現有纖維材料對比，PU-PCL₇₀纖維在斷裂伸長率與韌性等力學指標上均展現出顯著優勢（圖2b）。尤為突出的是，含預制缺口（模擬材料缺陷）的PU-PCL₇₀纖維仍能實現450%的極限伸長率，其斷裂能創下聚合物斷裂能記錄，為4042 kJ m^-2（圖2c-e）。PU-PCL₇₀在韌性，斷裂伸長率和斷裂能等多個維度均超越天然蛛絲，斷裂強度亦可達到這一標桿生物材料的同等水平（圖2f）。

圖2. PU-PCL₇₀纖維的力學性能和抗損傷能力。（a）不同拉伸速率下的工程應力-應變曲線。（b）斷裂伸長率與韌性與已報道纖維對比。（c）含預制缺口纖維的偏振光顯微鏡暗場圖像：拉伸前（i）與拉伸后（ii）。（d）完整試樣與含缺口試樣的工程應力-應變曲線。（e）斷裂能與現有材料對比。（f）力學強度、韌性及斷裂能等多參數性能雷達圖（天然蛛絲為參照系）。

【PU-PCL₇₀纖維的吸能與重復使用性】

  PU-PCL₇₀纖維的取向的多層級相分離結構賦予其能量耗散特性：硬相內氫鍵與配位鍵的可逆解離使其阻尼效率達87%（圖3a-b），綜合阻尼能力優于已報道的SAFs材料（圖3c）。沖擊測試表明，負載50 g砝碼從10 cm高度墜落的振動可在4秒內被完全抑制，且可耐受多次沖擊（圖d-e）。由該纖維編織的防護網可有效吸收200g蘋果從35 cm高度墜落的沖擊動能，實現零回彈捕獲。形變的網絡可以自發揮發原始狀態，捕獲過程至少可以被連續重復三次，表明材料可不經任何處理重復吸能的優勢(圖3f)。

圖3. PU-PCL₇₀纖維吸能與重復使用性。（a）工程應力-應變加載-卸載曲線。（b）阻尼效率與耗散能量相對于伸長率函數曲線。（c）阻尼效率與斷裂伸長率與現有材料對比。（d）墜落沖擊試驗過程實物照片。（e）三次墜落沖擊實驗加速度-時間曲線。（f）人工蛛網重復耐受沖擊測試。

【PU-PCL₇₀纖維溶劑回收】

  收集使用后的PU-PCL₇₀纖維并將其重新溶解在THF溶劑中，經過再次濕紡（圖4a），得到回收纖維的力學性能（圖4b）和相分離結構（圖4c）均與原始樣品保持高度一致，證實動態鍵的可逆性賦予材料優異循環加工特性。

圖4. PU-PCL₇₀纖維溶劑回收。（a）溶劑循環再生流程。（b）初始與回收纖維的工程應力-應變曲線。（c）初始與回收纖維的2D-SAXS圖像。

  綜上所述，本研究基于取向的多層級相分離結構，成功開發出兼具高力學強度、優異阻尼性能、抗損傷能力及可不經任何處理而重復使用的彈性體纖維，其可通過THF溶劑溶解實現高效循環利用。相關研究以“Engineering Oriented Hierarchical Phase-Separated Nanodomains for Recyclable Shock-Absorbing Elastic Fibers with Exceptional Damage Tolerance and Damping Capacity”為題發表在《ACS materials letters》上，第一作者為該團隊的博士研究生康靜，吉林大學王曉晗助理教授為本文通訊作者，研究工作得到了孫俊奇教授的悉心指導。研究工作受到了國家自然科學基金和吉林省自然科學基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c00495