科研進(jìn)展
蘭州化物所形狀記憶聚氨酯分子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和功能化集成研究獲系列進(jìn)展
聚氨酯（PU）被譽(yù)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(shí)際應(yīng)用需求。
近年來，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心聚合物自潤(rùn)滑復(fù)合材料課題組對(duì)聚氨酯材料的分子設(shè)計(jì)、性能突破和功能化集成進(jìn)行了深入研究，開發(fā)出了多種具有巧妙分子設(shè)計(jì)的多功能形狀記憶聚氨酯材料。
眾所周知，強(qiáng)化學(xué)交聯(lián)賦予高力學(xué)性能但犧牲了動(dòng)態(tài)性與可修復(fù)性，而柔性設(shè)計(jì)利于功能實(shí)現(xiàn)卻往往導(dǎo)致強(qiáng)度或者可拉伸性不足。針對(duì)這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)穩(wěn)定分子網(wǎng)絡(luò)。這種分子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不僅在提升聚氨酯材料強(qiáng)度的同時(shí)，沒有以犧牲彈性為代價(jià)，還能賦予聚氨酯動(dòng)態(tài)特性，能實(shí)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(jì)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(duì)聚氨酯材料內(nèi)部分子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和功能化進(jìn)行深入研究。為實(shí)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(fù)性，C-F鍵的強(qiáng)靜電性質(zhì)會(huì)增強(qiáng)進(jìn)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(yuǎn)，在聚合物內(nèi)部移動(dòng)更自由?；诖耍芯咳藛T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(dú)立的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。通過引入含氟擴(kuò)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(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，氟的高電負(fù)性不僅與封端劑形成離子鍵增強(qiáng)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(cè)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(jì)以及極地環(huán)境中的應(yīng)用示意圖
針對(duì)極地等極端環(huán)境的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)測(cè)試了材料的低溫耐受性。在-40℃時(shí)，材料仍能保持較高的強(qiáng)度、韌性、可拉伸性和離子電導(dǎo)率。此外，該材料表現(xiàn)出負(fù)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(dá)8.05% ℃-1，且在連續(xù)熱循環(huán)測(cè)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(cè)方面表現(xiàn)卓越。實(shí)驗(yàn)證明，它能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)手指、手腕、肘部等關(guān)節(jié)的不同彎曲動(dòng)作，并區(qū)分深、淺不同的呼吸模式。尤為關(guān)鍵的是，當(dāng)用作心電圖監(jiān)測(cè)電極時(shí)，它采集的信號(hào)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(cè)中的應(yīng)用
這一巧妙的分子設(shè)計(jì)為極端環(huán)境下柔性電子設(shè)備的設(shè)計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。
