近年來,聚脲材料因其優(yōu)異的理化性能和結構可設計性而成為高分子領域的研究熱點,特別是在柔性電子器件、工程防護涂層等領域展現(xiàn)出了廣闊的應用前景。在實際服役過程中,材料難免會遭受機械損傷,導致其性能劣化并引發(fā)安全隱患。因此,增強聚脲材料的機械穩(wěn)健性,特別是強度和韌性這兩項核心指標,是確保其服役穩(wěn)定性的關鍵所在。與此同時,基于動態(tài)化學的自修復機制為解決這一工程難題提供了新的思路。盡管如此,將高強度、高韌性與卓越的自修復功能同時整合到聚脲材料中,仍是一項極具挑戰(zhàn)性的任務,因為這些性能的實現(xiàn)依賴于截然不同的分子作用機制。要破解這一難題,關鍵在于探索并發(fā)展出創(chuàng)新的分子工程設計策略。
為了因應防護工程和某些特種設施設備的需求,西北工業(yè)大學化學與化工學院朱光明教授團隊近年來系統(tǒng)性地研究了聚脲材料結構與性能之間關系(Journal of Applied Polymer Science, 139(41), e52992;Industrial and Engineering Chemistry Research, 62(27), 10444-10453;63(44), 19350-19358;Journal of Polymer Science, 63(7), 1546–1555),并在此基礎上對高強高韌自修復聚脲的最新研究進展進行了評述,著重介紹了為實現(xiàn)綜合性能最優(yōu)化而采用的多種分子工程策略,包括硬域增強、動態(tài)共價交聯(lián)、模塊化域構建、納米粒子增強等策略。此外,文中還歸納了這些高性能自修復聚脲在多個關鍵領域的潛在應用,并指出了當前研究所面臨的機遇與挑戰(zhàn)。該工作以“The Latest Advances in Mechanically Robust Self-Healing Polyurea Based on Dynamic Chemistry”為題發(fā)表在《Advanced Science》上(Adv.Sci.2025,2414788)。文章第一作者是西北工業(yè)大學郝瑜佳博士。
圖1 高性能自修復聚脲的分子工程策略及潛在應用
作者們首先介紹了聚脲的化學合成路徑及其獨特的結構特征,從分子設計的角度分析了諸多因素對聚脲性能表現(xiàn)的影響,系統(tǒng)總結了異氰酸酯、擴鏈劑、軟鏈段等原料的選擇在構建聚脲結構-性能關系中的關鍵作用。隨后,本文重點對高強高韌的自修復聚脲材料的最新研究進展進行論述,歸納并提煉了一系列前沿的分子工程策略,諸如多層次非共價交聯(lián)、硬域強化、相鎖定機制、應變誘導結晶機制、動態(tài)共價交聯(lián)以及基于模塊化域的仿生設計等創(chuàng)新方法。此外,本文亦展望了這類先進材料在傳感技術、防護裝備以及材料回收等領域的廣闊應用前景。最后,作者們也指出了當前在開發(fā)機械穩(wěn)健性自修復聚脲材料過程中遭遇的若干挑戰(zhàn),包括大規(guī)模的技術難題、溶劑合成帶來的污染性,以及自修復過程依賴高能量輸入的不便之處。展望,研究應當致力于:探索更加環(huán)保且高效的合成路徑;設計兼具卓越綜合力學性能與室溫自修復特性的聚脲新材料;融合形狀記憶等先進技術以輔助裂紋的自我修復過程;并借助更尖端的技術表征工具和計算模擬方法,深入分子層面的事件分析,以期揭示高性能聚合物結構與性能之間的深層聯(lián)系,從而實現(xiàn)對材料性能的精準預測與優(yōu)化。
論文信息:
The Latest Advances in Mechanically Robust Self-Healing Polyurea Based on Dynamic Chemistry
Yujia Hao, Guangming Zhu*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.202414788
原文鏈接:http://doi.org/10.1002/advs.202414788
下載:The Latest Advances in Mechanically Robust Self-Healing Polyurea Based on Dynamic Chemistry
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