科研進展
蘭州化物所形狀記憶聚氨酯分子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和功能化集成研究獲系列進展
聚氨酯（PU）被譽為“第五大塑料”，因其卓越的性能譜系，是不可或缺的“關(guān)鍵材質(zhì)基礎(chǔ)”。然而，現(xiàn)有聚氨酯材料的發(fā)展，越來越受到其功能性單一，難以平衡高力學(xué)性能與多功能性之間的矛盾以及極端苛刻環(huán)境下不穩(wěn)定的限制，無法滿足實際應(yīng)用需求。
近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心聚合物自潤滑復(fù)合材料課題組對聚氨酯材料的分子設(shè)計、性能突破和功能化集成進行了深入研究，開發(fā)出了多種具有巧妙分子設(shè)計的多功能形狀記憶聚氨酯材料。
眾所周知，強化學(xué)交聯(lián)賦予高力學(xué)性能但犧牲了動態(tài)性與可修復(fù)性，而柔性設(shè)計利于功能實現(xiàn)卻往往導(dǎo)致強度或者可拉伸性不足。針對這個問題，研究團隊將兩者相結(jié)合，通過引入物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)，在聚氨酯內(nèi)部構(gòu)筑交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（ACS Appl. Mater. Interfaces.?16(35) (2024)046822–46833）。具體來說，四重氫鍵能有效的耗散能量，而交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則能在外力作用時穩(wěn)定分子網(wǎng)絡(luò)。這種分子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不僅在提升聚氨酯材料強度的同時，沒有以犧牲彈性為代價，還能賦予聚氨酯動態(tài)特性，能實現(xiàn)諸如形狀記憶、自修復(fù)和可回收等功能特性。
圖1.?具有交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚氨酯材料分子設(shè)計與性能平衡策略
為探索聚氨酯材料的應(yīng)用潛力，基于上述研究，研究人員對聚氨酯材料內(nèi)部分子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和功能化進行深入研究。為實現(xiàn)材料的導(dǎo)電性，引入更多具有額外極性的極性鍵是一種可能的策略，如碳-氟（C-F）鍵。由于F原子的高電負性，C-F鍵的強靜電性質(zhì)會增強進入體系的電子極性，這樣陰離子和陽離子可彼此分布得更遠，在聚合物內(nèi)部移動更自由。基于此，研究人員提出了一種分子工程范式，利用氟的雙重功能在聚氨酯基質(zhì)中構(gòu)建空間相關(guān)但功能獨立的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。通過引入含氟擴鏈劑和多氫鍵單元，構(gòu)建了氟-陽離子相互作用與高密度氫鍵協(xié)同的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，氟的高電負性不僅與封端劑形成離子鍵增強網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，還通過偶極相互作用固定陽離子，構(gòu)建陰離子傳輸通道，保障離子高效遷移。從而成功制備了一種具備超敏感多參數(shù)監(jiān)測功能，可用于極地可穿戴設(shè)備形狀記憶聚氨酯材料。
圖2.?材料的分子設(shè)計以及極地環(huán)境中的應(yīng)用示意圖
針對極地等極端環(huán)境的挑戰(zhàn)，團隊重點測試了材料的低溫耐受性。在-40℃時，材料仍能保持較高的強度、韌性、可拉伸性和離子電導(dǎo)率。此外，該材料表現(xiàn)出負溫度系數(shù)行為，在-40℃至-30℃超低溫區(qū)間的溫度系數(shù)電阻高達8.05% ℃-1，且在連續(xù)熱循環(huán)測試中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，彰顯了其在深冷環(huán)境下可靠應(yīng)用的潛力。
圖3.?材料的耐低溫性能
作為高靈敏、可自修復(fù)的“離子皮膚”，該材料在健康監(jiān)測方面表現(xiàn)卓越。實驗證明，它能精準監(jiān)測手指、手腕、肘部等關(guān)節(jié)的不同彎曲動作，并區(qū)分深、淺不同的呼吸模式。尤為關(guān)鍵的是，當用作心電圖監(jiān)測電極時，它采集的信號質(zhì)量符合臨床要求。
圖4.?材料的傳感性能及在健康監(jiān)測中的應(yīng)用
這一巧妙的分子設(shè)計為極端環(huán)境下柔性電子設(shè)備的設(shè)計提供了新的聚合物工程策略，突破了傳統(tǒng)材料的性能權(quán)衡限制。相關(guān)成果以“Shape-memory polyurethanes for polar wearables with ultrasensitive multi-monitoring”為題發(fā)表在Nature Communications上，蘭州化物所陳天澤博士為論文第一作者，張新瑞研究員和徐靜博士后為共同通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。
