沪公网安备31011202002187号
开发具有自我修复能力的高分子材料，使受损的材料能够有效地自我自修复和再生利用，是缓解“白色污染”的手段之一。然而，玻璃态高分子的分子堆砌密度大和分子链运动被冻结网络，很难实现常温自修复。尽管，近年玻璃态自修复的高分子材料已经取得了突破性进展，但较低的力学性能、复杂的修复方法和冗长的修复时间使其难以得到实际应用。因此，开发能够在玻璃态下快速修复的高性能高分子材料无疑是一项重大挑战。
近日，学院吴锦荣教授团队报道了一种室温下能快速修复的玻璃态超支化聚氨酯（UGPU）。在这项工作中，研究人员通过偶联单体法反应得到了具有无环杂原子链和超支化结构的聚氨酯材料（图1）。这种独特的分子结构将超支化聚合物的高分子运动性与聚氨酯的多重氢键相结合，构成了基于脲键、氨基甲酸酯键和支化末端羟基的高密度氢键网络。UGPU的拉伸强度高达70 MPa，储能模量2.5 GPa，玻璃化转变温度远高于室温（53 ℃），因此，UGPU是一种刚性的透明玻璃态塑料。
图1 刚性透明玻璃态塑料（UGPU）的合成路径
UGPU具有优异自修复能力，其在受压下可以实现玻璃态自修复。同时，研究人员发现，极其微量的水分（16 μg/mm2）作用于UGPU的断面，即可以显著加速修复速度（图2），使UGPU在一分钟内恢复26.4 MPa的抗拉强度和超过80%的杨氏模量，这创下了自修复材料的历史记录。而且修复后的样品可抵抗10 MPa的蠕变测试，足以满足结构件受损后快速修复并继续服役的应用需求。
图2 UGPU的室温超快速修复性能
为了揭示UGPU的快速修复的机理，研究人员通过宽频介电松弛谱、X射线光电子能谱、二维红外光谱、时间相关红外光谱和显微红外光谱等一系列手段，解析UGPU超快速修复的内在机制（图3），该机制主要体现在:
1.超支化UGPU的支化链端、末端链段和其氢键基团，即使在冻结的玻璃态网络中依然具有很高的运动性。
2.在UGPU的破损断面上，动态氢键网络被破坏，暴露出了大量非络合态的亲水氢键基团。
3.微量水分子快速在UGPU的亲水断面上形成了活化层，通过“水桥”促进了两个断面间氢键网络的快速重组，并以结合水的形态保留在网络中。
图3 UGPU的自修复机制研究
该工作以“Ultra-Fast-Healing Glassy Hyperbranched Plastics Capable of Restoring 26.4 MPa Tensile Strength within One Minute at Room Temperature”为题发表在《Angew. Chem.》期刊上。文章第一作者为四川大学硕士研究生李维航（现复旦大学博士生），吴锦荣教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委的大力资助。
内容来源：四川大学高分子科学与工程学院
