【摘要】 山东大学王旭教授团队在《Advanced Materials》发表研究，通过错配超分子相互作用开发高性能热固性弹性体，实现1245.2 MJ m⁻³韧性突破。科学指南针提供DFT计算支持，助力结合能分析与机理研究。

山东大学王旭教授课题组在《Advanced Materials》发表创新研究成果，通过引入错配超分子相互作用（MMSIs），成功开发出兼具高强度、高韧性和优异可再加工性的热固性弹性体。科学指南针为本研究提供密度泛函理论计算支持，助力结合能计算与机理分析。

 

研究背景与热固性材料挑战

热固性高分子材料在全球年产量超过6500万吨的规模下，广泛应用于现代工业和日常生活领域。这类材料通过共价交联网络结构赋予材料高强度和稳定性，但同时也带来显著的性能局限。

​核心技术瓶颈：​​

  • 传统热固性材料最大拉伸韧性不足400 MJ m⁻³，低于热塑性材料（500-1200 MJ m⁻³）

  • 固化后永久形状难以改变，再加工性能差

  • 动态共价键或非共价相互作用引入效果有限

  • 高机械性能与可回收性之间存在固有矛盾

 

创新方法：错配超分子相互作用设计

受DNA错配现象启发，研究团队创新性地将错配超分子基元引入热固性弹性体体系，通过分子工程精准调控材料性能。

​技术突破要点：​​

  • 在动态酰基氨基脲脲基元共价交联聚氨酯脲网络中引入MMSIs

  • 错配作用调节能量耗散能力和网络动态性

  • 形成可逆超分子网络，增强界面相互作用

  • 实现温和条件下高效解离重排

热固性弹性体的结构设计及MMSIs的作用机理及效果

 

材料性能与实验结果

SPUUN-IE弹性体展现出卓越的综合性能，在强度、韧性和再加工性方面实现突破性进展。

​性能卓越表现：​​

  • 拉伸强度达110.8 MPa，韧性高达1245.2 MJ m⁻³

  • 耐化学性、抗蠕变和抗损伤能力显著提升

  • 四次循环再加工后韧性恢复率保持高水平

  • 抗冲击性能优于凯夫拉和超高分子量聚乙烯材料

热固性弹性体的力学性能

 

理论计算与机理分析

科学指南针支持的密度泛函理论计算深入揭示错配超分子相互作用机制，为性能优化提供理论依据。

​计算研究发现：​​

  • DFT计算I、E二聚体和四聚体结合能ΔE值

  • 错配作用促进能量耗散和界面稳定性

  • 结合能分析证实MMSIs增强作用

  • 理论计算指导分子结构设计

 

再加工性能与循环利用

SPUUN-IE弹性体展现出优异的热可逆性和循环利用性能，突破传统热固性材料限制。

​循环性能突破：​​

  • 110°C温和条件下实现高效回收

  • 四次循环后性能保持率显著高于对比样品

  • 回收效率提升2.7倍，能耗显著降低

  • 动态ASC基元与MMSIs协同增强可再加工性

热固性弹性体的循环利用性能

 

应用前景与总结

MMSIs技术为高性能热固性材料开发提供新范式，推动可持续材料发展。

​创新价值总结：​​

  • 错配超分子作用平衡强度与可再加工性矛盾

  • 实现热固性材料韧性突破（1245.2 MJ m⁻³）

  • 温和回收条件提升材料可持续性

  • 科学指南针计算支持为机理解析提供关键支撑

​应用前景：​​

  • 高端运动装备材料

  • 柔性电子器件封装

  • 防护装备制造

  • 航空航天复合材料

论文信息：Advanced Materials, 2024

DOI：10.1002/adma.202311758

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