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  可修復(fù)水性聚合物因其環(huán)保特性備受關(guān)注，但差的機械性能阻礙其推廣。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，構(gòu)筑具有高強度的水性聚合物材料，對推廣水性聚合物的應(yīng)用，并且降低環(huán)境污染具有重要意義。

  穿山甲鱗片是一種具有高強度和高韌性的天然物質(zhì)，可幫助穿山甲有效抵御外部傷害，它奇特的結(jié)構(gòu)與性能為高強高韌水性聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新思路。穿山甲鱗片中富含中細胞間脂質(zhì)和角蛋白，其中細胞間脂質(zhì)作為彈性蛋白，賦予鱗片優(yōu)異的韌性和輕微損傷后的自修復(fù)能力；鱗片中的角蛋白（主要為α-角蛋白和β-角蛋白）作為硬化蛋白，可通過氫鍵與靜電作用與其他物質(zhì)交聯(lián)，從而提升鱗片強度。

  受穿山甲鱗片獨特微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，大連理工大學(xué)蹇錫高院士團隊設(shè)計了一種名為SWPUMA-SPPEK10的高強高韌超分子水性聚合物網(wǎng)絡(luò)（SWPN）。

  該材料是通過將本團隊自主研發(fā)的磺化雜萘聯(lián)苯聚芳醚酮（SPPEK）與含酰基氨基脲（ASC）的陽離子超分子水性聚氨酯（SWPUMA）在水溶液中復(fù)合，再經(jīng)過離心和熱壓工藝制備而成。得益于ASC、靜電相互作用與剛性SPPEK納米粒子的協(xié)同效應(yīng)，SWPUMA-SPPEK10展現(xiàn)出卓越的機械性能，其拉伸強度達55.19 MPa，韌性高達305.93 MJ/m3。其力學(xué)性能甚至超過了常見的商用水溶性聚合物（如PVP、PVA等）。聚合物鏈中豐富的動態(tài)超分子相互作用還賦予其優(yōu)異的自修復(fù)性和可回收性。這種仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計為構(gòu)建兼具高強度與可回收性的高性能水性聚合物提供了新的思路。

圖1 (a) 穿山甲鱗片的組成結(jié)構(gòu), (b) 超分子水性聚合物網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖2 超分子水性分散體及水性聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)表征

圖3 超分子水性聚合物網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)性能表征

圖4 SWPUMA-SPPEK10的強韌化機理

圖5 SWPUMA-SPPEK10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 SWPUMA-SPPEK10作為碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的增韌層

  該工作以“Pangolin scale inspired healable, recyclable, and mechanically robust supramolecular waterborne polymer networks”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，論文的第一作者是大連理工大學(xué)的張明光，論文的通訊作者是陳友汜研究員。本工作得到重點研發(fā)計劃項目課題、中央高校基本科研專項資金的支持。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202501512