高延展性和強度超高分子材料的研制及工業(yè)應用技術研究

　　【引言】

　　實現(xiàn)高強度、大延展性和韌性是高分子材料實現(xiàn)工業(yè)應用的重要因素。但是，目前為止，在使用材料設計策略改善這些屬性時存在共同的相反趨勢，這仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。在自然界中，貽貝的角質(zhì)層表現(xiàn)出高達100％的斷裂應變，這是由蛋白質(zhì)基質(zhì)內(nèi)的建筑顆粒狀微相分離結構引起的。本文報道了一種簡便的仿生顆粒狀納米結構聚合物薄膜。與其他聚乙烯醇膜相比，這種仿生納米結構聚合物膜顯示了122（±6.1）J·g -1的超高韌性，斷裂應變高達205％，抗拉強度高達91.2MPa，優(yōu)于大多數(shù)工程塑料。這種出色的性能組合歸因于這種材料的獨特的納米級粒狀相分離結構。這些仿生設計的聚合物膜有望應用于組織工程和生物材料領域，如人造皮膚和腱，為開創(chuàng)一系列創(chuàng)新于未來應用的聚合物材料提供了一種新方法。

　　【成果簡介】

　　如今，由于其輕質(zhì)且不錯的機械性能，聚合物材料在汽車、電氣電子、航空航天和組織工程等領域加速發(fā)展，具有很大的潛力，并將以更快的速度取代傳統(tǒng)的金屬和陶瓷材料。這些領域的應用條件促進了新材料所需強度、韌性和延展性的發(fā)展。盡管最近通過模仿天然珍珠層的層狀分層結構，基于石墨烯氧化物納米片制造了超強度和剛性的聚合物納米復合材料，但是它們大部分非常脆，具有很低的斷裂應變（通常小于10％）。這主要是因為強度、韌性和延展性由不同的機械機制控制，通常是相互排斥的。另一方面，傳統(tǒng)上引入納米級或微尺度改性劑以賦予具有增強的韌性和延展性的聚合物，通常導致聚合物基質(zhì)的拉伸強度的顯著降低。因此，到目前為止，創(chuàng)造結合高拉伸強度、大延展性和高斷裂韌性的先進聚合物材料仍然是棘手的難題。

　　近期，來自澳大利亞迪肯大學的Qipeng Guo教授和浙江農(nóng)林大學的PinganSong教授（共同通訊作者）等人在Adv.Mater上發(fā)表了一篇題為“Granular Nanostructure: A Facile Biomimetic Strategy for the Design of Supertough Polymeric Materials with High Ductility and Strength”的文章。以其解決如何制造具有所需水平的高強度、高延展性以及韌性更大的先進聚合物材料。在這項工作中，通過加入磺化苯乙烯 - 乙烯/丁烯 - 苯乙烯三嵌段共聚物（SSEBS）的顆粒狀納米體團，開發(fā)了具有高強度的超耐磨和高韌性聚乙烯醇（PVA）膜。 對于含有10wt％的SSEBS的顆粒狀納米結構PVA膜，具有91.2MPa的高拉伸強度， 122±6.1J·g -1的韌性，破壞時的破裂應變高達205％。 這些機械性能好、超耐磨和延性聚合物材料預計將在航空航天、柔性人造肌肉和組織工程方面發(fā)揮很大的應用前景。

　　【圖文導讀】

　　圖1 SSEBS的合成路線方案及其性能

　　A）海洋貽貝角質(zhì)層的微結構和形態(tài)的示意圖，其結合了高于110MPa的硬度和高達100％的斷裂應變。

　　B）水分散型SSEBS的合成路線圖示。

　　C）PVA / 10wt％SSEBS膜。

　　D）顯示散布的粒狀SSEBS納米域的PVA膜的AFM圖像，SSEBS通過多個氫鍵與PVA相互作用。

　　E）通過由競爭性親水-疏水相互作用驅(qū)動的自組裝，SSEBS的相分離域的TEM圖像。

　　F）a）PVA和b）PVA / 10wt％SSEBS的拉伸應力 - 應變曲線，

　　G）機械斷裂后對應的數(shù)字圖像。

　　圖2 PVA、SSEBS及其混合物的衰減全反射傅立葉變換紅外光譜

　　A） O-H和   B）C-O或S-O伸縮振動的變化：a）PVA，b）SSEBS-1，c）SSBS-2，d）SSEBS-5，e）SSEBS-10，f）SSEBS-20和g）SSEBS。

　　C）PVA膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）作為SSEBS負載水平的函數(shù)。

　　D）PVA與SSEBS之間分子間多重氫鍵相互作用的示意圖。