彈性體材料是一種兼具塑性和彈性的聚合物網絡，其在學術界和工業(yè)界都受到了廣泛關注。在許多關鍵領域，例如汽車工程、航空航天和醫(yī)療保健等行業(yè)，功能性彈性體的研發(fā)在很大程度上決定了新技術的發(fā)展高度以及人類的生活水平。因此，學術界和工業(yè)界對具有增強機械性能的彈性體材料一直存在強烈需求，其中彈性體的楊氏模量和斷裂伸長率是兩個關鍵參數。然而，若嘗試提高彈性體的延伸性，總會不可避免地降低其楊氏模量，反之亦然。
美國橡樹嶺國家實驗室曹鵬飛研究員等人基于交聯聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 網絡，提出了可以同時改進彈性體楊氏模量和斷裂伸長率的策略，打破了其剛度-延展性之間的權衡。作者通過引入合理排列的氫鍵單元脲基嘧啶酮 (UPy)，同時將楊氏模量和延展性分別提高了158倍和3倍。此外，作者通過掌握UPy簇的分布/拓撲進一步提高了彈性體網絡的楊氏模量，而不會影響其延展性。該策略有望轉移到其他類型的彈性體中，以顯著提高彈性體材料的機械韌性。鑒于彈性體材料在日常生活中的廣泛應用，該策略將大大提高彈性體相關產品的機械性能。該研究以題為“Surpassing the stiffness-extensibility trade-off of elastomers via mastering the hydrogen-bonding clusters”的論文發(fā)表在《Matter》上。隨著在學術界和工業(yè)界的廣泛應用，PDMS因其良好的化學穩(wěn)定性、安全性和優(yōu)異的生物相容性而被選為形成彈性網絡的聚合物。作者通過兩種方法展示了在模板彈性網絡 (ECN) 上同時提高楊氏模量和斷裂伸長率的設計原理：(1) 結合氫鍵網絡以形成物理化學互穿網絡 (pc-IPN)； (2) 在ECN上化學接枝高效氫鍵單元UPy (cg-ECN)，并隨后控制UPy單元的分布和尺寸/拓撲結構。其中，pc-IPN是通過將UPy功能化的PDMS物理結合到ECN中制備的，目的是為現有的彈性化學網絡引入了另一個強大的氫鍵網絡。cg-ECN是通過在胺官能化的AMS-PDMS的側鏈上化學接枝不同數量的UPy單元，然后與丙烯酰氧基封端的AE-PDMS/EO化學交聯來制備的。所獲得的ECN和cg-ECN的彈性薄膜清晰透明，表明聚合物系統的均勻性以及UPy單元的均勻分布。作者對ECN、pc-IPN和cg-ECN薄膜進行了拉伸測試，以評估它們的楊氏模量、斷裂伸長率和韌性。對于pc-IPN，其斷裂伸長率、楊氏模量和韌性相比ECN分別提高了1.5倍、13倍和10倍。對于cg-ECN，cg-ECN2.5UPy的楊氏模量增加了158倍，cg-ECN1.0UPy的斷裂伸長率增加了3倍。此外，cg-ECN1.5UPy的楊氏模量、斷裂伸長率和韌性分別同時增加了31倍、2.5倍和33倍。兩者均表明氫鍵單元的加入可以顯著提高機械性能，而cg-ECN顯示出更高的模量。研究發(fā)現，同時增加的楊氏模量和斷裂伸長率是由氫鍵相互作用和重排的協同作用以及氫鍵簇的形成及其聚集造成的。因此，作者歸納了幾種模量增強機制：（1） 氫鍵增加交聯密度； (2) 氫鍵簇增加了類似于聚合物納米復合材料中納米顆粒的模量； (3) 這些簇周圍的聚合物形成了一個具有顯著更高模量的界面層。作者預計在UPy單元總濃度保持不變的情況下，UPy單元的分布和簇大小也會影響彈性網絡的力學性能。為了研究UPy分布的影響，作者選擇性地在部分AMS-PDMS上接枝更多的UPy單元，而不是將它們相對均勻地分布在每個PDMS鏈上。對cg-ECN1.5UPy和cg-ECN1.5UPy?進行了拉伸試驗，結果cg-ECN1.5UPy?的楊氏模量比具有相同數量的UPy單元但接枝分布不同的cg-ECN1.5UPy的楊氏模量高約4倍，且這種增強并沒有犧牲彈性體的延展性。因此作者得出結論，彈性網絡的機械性能在很大程度上受氫鍵簇的分布、聚集行為和大小的影響，而不僅僅是受引入系統的氫鍵單元數量的影響。總結：作者提出了有效的策略來規(guī)避彈性體剛度和延展性之間的權衡。與大多數僅改進其中一個而不犧牲另一個的工作相比，該方法實現了楊氏模量和延展性的同時改進，可分別提高158倍和3倍。彈性體機械性能的提高是由于氫鍵對的有效相互作用和重排，以及氫鍵簇的形成及其聚集的協同作用。此外，通過控制UPy簇的形成、分布和尺寸/拓撲結構，彈性體的楊氏模量可以進一步提高4倍，而不會影響其斷裂伸長率。該策略可為設計用于各種應用的彈性體材料提供指導。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005695
來源：高分子科學前沿
