弹性体材料是一种兼具塑性和弹性的聚合物网络，其在学术界和工业界都受到了广泛关注。在许多关键领域，例如汽车工程、航空航天和医疗保健等行业，功能性弹性体的研发在很大程度上决定了新技术的发展高度以及人类的生活水平。因此，学术界和工业界对具有增强机械性能的弹性体材料一直存在强烈需求，其中弹性体的杨氏模量和断裂伸长率是两个关键参数。然而，若尝试提高弹性体的延伸性，总会不可避免地降低其杨氏模量，反之亦然。
美国橡树岭国家实验室曹鹏飞研究员等人基于交联聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 网络，提出了可以同时改进弹性体杨氏模量和断裂伸长率的策略，打破了其刚度-延展性之间的权衡。作者通过引入合理排列的氢键单元脲基嘧啶酮 (UPy)，同时将杨氏模量和延展性分别提高了158倍和3倍。此外，作者通过掌握UPy簇的分布/拓扑进一步提高了弹性体网络的杨氏模量，而不会影响其延展性。该策略有望转移到其他类型的弹性体中，以显著提高弹性体材料的机械韧性。鉴于弹性体材料在日常生活中的广泛应用，该策略将大大提高弹性体相关产品的机械性能。该研究以题为“Surpassing the stiffness-extensibility trade-off of elastomers via mastering the hydrogen-bonding clusters”的论文发表在《Matter》上。随着在学术界和工业界的广泛应用，PDMS因其良好的化学稳定性、安全性和优异的生物相容性而被选为形成弹性网络的聚合物。作者通过两种方法展示了在模板弹性网络 (ECN) 上同时提高杨氏模量和断裂伸长率的设计原理：(1) 结合氢键网络以形成物理化学互穿网络 (pc-IPN)； (2) 在ECN上化学接枝高效氢键单元UPy (cg-ECN)，并随后控制UPy单元的分布和尺寸/拓扑结构。其中，pc-IPN是通过将UPy功能化的PDMS物理结合到ECN中制备的，目的是为现有的弹性化学网络引入了另一个强大的氢键网络。cg-ECN是通过在胺官能化的AMS-PDMS的侧链上化学接枝不同数量的UPy单元，然后与丙烯酰氧基封端的AE-PDMS/EO化学交联来制备的。所获得的ECN和cg-ECN的弹性薄膜清晰透明，表明聚合物系统的均匀性以及UPy单元的均匀分布。作者对ECN、pc-IPN和cg-ECN薄膜进行了拉伸测试，以评估它们的杨氏模量、断裂伸长率和韧性。对于pc-IPN，其断裂伸长率、杨氏模量和韧性相比ECN分别提高了1.5倍、13倍和10倍。对于cg-ECN，cg-ECN2.5UPy的杨氏模量增加了158倍，cg-ECN1.0UPy的断裂伸长率增加了3倍。此外，cg-ECN1.5UPy的杨氏模量、断裂伸长率和韧性分别同时增加了31倍、2.5倍和33倍。两者均表明氢键单元的加入可以显著提高机械性能，而cg-ECN显示出更高的模量。研究发现，同时增加的杨氏模量和断裂伸长率是由氢键相互作用和重排的协同作用以及氢键簇的形成及其聚集造成的。因此，作者归纳了几种模量增强机制：（1） 氢键增加交联密度； (2) 氢键簇增加了类似于聚合物纳米复合材料中纳米颗粒的模量； (3) 这些簇周围的聚合物形成了一个具有显着更高模量的界面层。作者预计在UPy单元总浓度保持不变的情况下，UPy单元的分布和簇大小也会影响弹性网络的力学性能。为了研究UPy分布的影响，作者选择性地在部分AMS-PDMS上接枝更多的UPy单元，而不是将它们相对均匀地分布在每个PDMS链上。对cg-ECN1.5UPy和cg-ECN1.5UPyʹ进行了拉伸试验，结果cg-ECN1.5UPyʹ的杨氏模量比具有相同数量的UPy单元但接枝分布不同的cg-ECN1.5UPy的杨氏模量高约4倍，且这种增强并没有牺牲弹性体的延展性。因此作者得出结论，弹性网络的机械性能在很大程度上受氢键簇的分布、聚集行为和大小的影响，而不仅仅是受引入系统的氢键单元数量的影响。总结：作者提出了有效的策略来规避弹性体刚度和延展性之间的权衡。与大多数仅改进其中一个而不牺牲另一个的工作相比，该方法实现了杨氏模量和延展性的同时改进，可分别提高158倍和3倍。弹性体机械性能的提高是由于氢键对的有效相互作用和重排，以及氢键簇的形成及其聚集的协同作用。此外，通过控制UPy簇的形成、分布和尺寸/拓扑结构，弹性体的杨氏模量可以进一步提高4倍，而不会影响其断裂伸长率。该策略可为设计用于各种应用的弹性体材料提供指导。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005695
来源：高分子科学前沿
