開發(fā)具有自我修復能力的高分子材料，使受損的材料能夠有效地自我自修復和再生利用，是緩解“白色污染”的手段之一。然而，玻璃態(tài)高分子的分子堆砌密度大和分子鏈運動被凍結網絡，很難實現(xiàn)常溫自修復。盡管，近年玻璃態(tài)自修復的高分子材料已經取得了突破性進展，但較低的力學性能、復雜的修復方法和冗長的修復時間使其難以得到實際應用。因此，開發(fā)能夠在玻璃態(tài)下快速修復的高性能高分子材料無疑是一項重大挑戰(zhàn)。
近日，學院吳錦榮教授團隊報道了一種室溫下能快速修復的玻璃態(tài)超支化聚氨酯（UGPU）。在這項工作中，研究人員通過偶聯(lián)單體法反應得到了具有無環(huán)雜原子鏈和超支化結構的聚氨酯材料（圖1）。這種獨特的分子結構將超支化聚合物的高分子運動性與聚氨酯的多重氫鍵相結合，構成了基于脲鍵、氨基甲酸酯鍵和支化末端羥基的高密度氫鍵網絡。UGPU的拉伸強度高達70
MPa，儲能模量2.5 GPa，玻璃化轉變溫度遠高于室溫（53 ℃），因此，UGPU是一種剛性的透明玻璃態(tài)塑料。
圖1 剛性透明玻璃態(tài)塑料（UGPU）的合成路徑
UGPU具有優(yōu)異自修復能力，其在受壓下可以實現(xiàn)玻璃態(tài)自修復。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，極其微量的水分（16
μg/mm2）作用于UGPU的斷面，即可以顯著加速修復速度（圖2），使UGPU在一分鐘內恢復26.4
MPa的抗拉強度和超過80%的楊氏模量，這創(chuàng)下了自修復材料的歷史記錄。而且修復后的樣品可抵抗10
MPa的蠕變測試，足以滿足結構件受損后快速修復并繼續(xù)服役的應用需求。
圖2 UGPU的室溫超快速修復性能
為了揭示UGPU的快速修復的機理，研究人員通過寬頻介電松弛譜、X射線光電子能譜、二維紅外光譜、時間相關紅外光譜和顯微紅外光譜等一系列手段，解析UGPU超快速修復的內在機制（圖3），該機制主要體現(xiàn)在:
1.超支化UGPU的支化鏈端、末端鏈段和其氫鍵基團，即使在凍結的玻璃態(tài)網絡中依然具有很高的運動性。
2.在UGPU的破損斷面上，動態(tài)氫鍵網絡被破壞，暴露出了大量非絡合態(tài)的親水氫鍵基團。
3.微量水分子快速在UGPU的親水斷面上形成了活化層，通過“水橋”促進了兩個斷面間氫鍵網絡的快速重組，并以結合水的形態(tài)保留在網絡中。
圖3 UGPU的自修復機制研究
該工作以“Ultra-Fast-Healing Glassy Hyperbranched
Plastics Capable of Restoring 26.4 MPa Tensile Strength within One Minute at
Room Temperature”為題發(fā)表在《Angew.
Chem.》期刊上。文章第一作者為四川大學碩士研究生李維航（現(xiàn)復旦大學博士生），吳錦榮教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委的大力資助。
