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高韧性、可循环再生的交联超分子聚脲材料

       热固性塑料因其共价交联的网络结构而具有优异的力学性能和尺寸稳定性,已在高性能涂层和航空材料等领域展现出重要的应用价值。然而,共价交联的网络结构也使得热固性塑料难以再加工及循环利用,使用后废弃的热固性塑料造成了严重的资源浪费和环境污染。如何构筑可循环再生的交联聚合物材料仍是有待解决的重要问题。聚脲材料

       在国家自然科学基金委的支持下,清华大学化学系张希教授、徐江飞副研究员课题组通过超分子单体的共聚合,向交联聚合物的主链中引入低含量的四重氢键基元,成功地制备了高力学性能、可多次循环再生的交联超分子聚脲材料。通过四重氢键连接的超分子二胺单体、共价二胺单体、三胺交联剂与异氰酸酯单体共聚合,制备了交联超分子聚脲。其中,三胺交联剂用以保证材料的力学强度和交联网络的完整性。四重氢键基元的引入则使得交联网络在加热时得以动态重组,具备了可循环再生的性能。此外,低含量的四重氢键基元不仅几乎不影响材料的耐溶剂性,并且显著地提升了材料的韧性。

 

 

       含有9.7%摩尔量四重氢键基元的交联超分子聚脲具有74.17 MJ/m3的高韧性,相较于共价交联聚脲提升了近120倍,同时依然保持了对多种溶剂的耐受性。更重要的是,该材料在经过5次粉碎-热压再加工循环后,其断裂应力、断裂伸长率、杨氏模量等力学性能均保持在初始性能的95%以上,展现出优异的可循环再生性能。

        a) 共价交联聚脲和交联超分子聚脲的韧性; b) 共价交联聚脲和CSPU-0.097UPy的耐溶剂性能; c) CSPU-0.097UPy多次循环再生的应力-应变曲线

       交联超分子聚脲材料融合了交联聚合物的优良力学性能与超分子聚合物的动态可逆性质。这一引入非共价键基元的策略为交联聚合物材料的循环再利用提供了新的思路,未来有望应用于橡胶、环氧树脂等热固性材料,发展可再生的交联超分子聚合物材料体系。