近年來(lái)，高強(qiáng)度可修復(fù)聚氨酯彈性體領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，但其制備過程難以避免使用大量的有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境造成極大的負(fù)擔(dān)。通過向聚氨酯分子鏈中引入親水單體可以賦予其良好的水分散性，制得的水性聚氨酯是一種以水作為主要分散介質(zhì)的環(huán)保材料。推動(dòng)水性聚氨酯彈性體材料的研發(fā)可減少有機(jī)溶劑的使用，對(duì)降低環(huán)境污染具有重要意義。然而，賦予聚氨酯材料水分散性的獲取常以犧牲其力學(xué)性能為代價(jià)，難以滿足潛在應(yīng)用需求。因此，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)力學(xué)性能可與溶劑型聚氨酯彈性體相媲美的新型水性聚氨酯彈性體具有非常重要的意義。
扇貝足絲是一種具有高強(qiáng)度高韌性的天然材料，它獨(dú)特的多級(jí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)高強(qiáng)度水性聚氨酯彈性體提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路。最近的研究表明，其卓越的力學(xué)性能源于扇貝足絲上Sbp5-2 蛋白內(nèi)動(dòng)態(tài)共價(jià)相互作用和動(dòng)態(tài)非共價(jià)相互作用的協(xié)同配合。Sbp5-2 蛋白中含有豐富的氫鍵相互作用，可有效誘導(dǎo) β-納米晶的產(chǎn)生。Sbp5-2 蛋白上的扭曲二硫鍵還可有效調(diào)節(jié)鏈段構(gòu)象，優(yōu)化氫鍵化程度及其結(jié)合能，從而顯著提高扇貝足絲的力學(xué)性能。此外，扇貝足絲中含負(fù)電官能團(tuán)（如羧基）與海水中的金屬離子還可發(fā)生配位作用，增強(qiáng)超分子相互作用和提高可逆交聯(lián)程度，也有助于進(jìn)一步提高扇貝足絲的力學(xué)性能。
受扇貝足絲多級(jí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，大連理工大學(xué)蹇錫高院士團(tuán)隊(duì)通過協(xié)同整合動(dòng)態(tài)二硫鍵、?；被澹ˋSC ）和配位鍵，構(gòu)筑了一種拉伸強(qiáng)度為52.07 MPa ，韌性為 257.40 MJ m-3 的高強(qiáng)度超分子水性聚氨酯彈性體（SWPU-DESH-Zn）。通過向ASC片段中插入二硫鍵有效優(yōu)化了聚氨酯分子鏈間的氫鍵化程度和結(jié)合能，避免了超分子作用的過度堆積，有效地提高了聚氨酯彈性體的能量耗散能力和力學(xué)性能。SWPU-DESH-Zn分子鏈中大量的羧基不僅賦予其良好的水溶性，而且羧基還可作為配體與鋅離子配位，從而進(jìn)一步交聯(lián)和強(qiáng)化彈性體。SWPU-DESH-Zn鏈段間豐富的超分子相互作用不僅有效提高材料的強(qiáng)度和韌性，而且其還賦予彈性體良好的可修復(fù)、可再加工性能。在DMF輔助下，將切斷的樣品在50℃條件下加熱6小時(shí)，材料即基本回復(fù)原始力學(xué)強(qiáng)度。將破碎的樣品在110℃下熱壓15分鐘，樣品即可回復(fù)原狀。這種超分子水性聚氨酯彈性體可與導(dǎo)電離子液體混合形成高度敏感的離子皮膚，也可與碳纖維織物層壓復(fù)合制備高強(qiáng)度、可回收的電磁屏蔽材料，在實(shí)際應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。本文的仿生策略為構(gòu)筑高強(qiáng)度可修復(fù)的超分子水性聚合物提供了有益的借鑒。
圖1 (a) 扇貝足絲的多級(jí)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu), (b) 超分子水性聚氨酯彈性體的化學(xué)結(jié)構(gòu)
圖2 超分子水性聚氨酯分散體及其彈性體的結(jié)構(gòu)表征
圖3 超分子彈性體的力學(xué)性能表征
圖4 SWPU-DESH-Zn的強(qiáng)韌化機(jī)理
圖5 SWPU-DESH-Zn的修復(fù)和再加工
圖6 聚氨酯基離子皮膚的應(yīng)變傳感性能
圖7 將SWPU-DESH-Zn與碳纖維織物復(fù)合制備高性能電磁屏蔽材料
