高强度、水增强修复硅烷齐聚物的多相组装

硅基聚合物材料由于其特殊的防水性、耐溶剂性和生物相容性而被广泛应用于汽车、建筑、食品和柔性电子等领域。但是聚合物材料在使用过程中不可避免地会受到损伤或破坏，这将影响材料的机械性能，进而缩短其使用周期。为了增强硅基聚合物材料的稳定性及其使用寿命，科学家们通过往其中引入活性添加剂或设计动态共价键、氢键相互作用及金属配位相互作用等制备得到了一系列可以修复的硅基聚合物材料。但是这些材料的机械强度普遍偏低，如何实现硅基材料的良好修复性能，并保证其较高的机械强度成为了一大挑战。

最近，香港城市大学姚希教授课题组在《德国应化》发表了题为“Multiphase-Assembly of Siloxane Oligomers with Improved Mechanical Strength and Water-Enhanced Healing” 的文章，并被选为当期的VIP论文。为了同时实现良好修复性能及较高力学强度，研究人员通过引入2-脲基-4[H] 啶酮 (UPy) 的四重氢键将硅烷齐聚物进行多相组装得到具有三维网络结构的硅基超分子聚合物材料 (UP)3T。所制备材料的拉伸断裂强度可达 47.49 ± 1.03 MPa，动态热机械分析 (DMA) 得到的室温储存模量高达 151.4 ± 10.7 MPa；受损材料在70°C修复12 h后修复效率可达到90%以上。不同于常规的氢键辅助的可修复材料，该材料具有水增强修复的特性，即在70°C水中修复5 min后其拉伸断裂强度是原始材料拉伸断裂强度的98%。通过与其他具有修复性能的硅基材料相比，硅基超分子聚合物材料 (UP)3T兼具良好的修复性能及较高的机械强度。其中材料的力学强度主要归因于通过多重氢键交联形成的三维网络结构及材料的半结晶性；而材料的水增强修复性能主要是由于对于置于水中的材料，水分子将透过材料与其中的UPy部分相互作用，从而加速聚集态UPy的解离，最终实现水增强修复。

图1. 具有修复性能硅基超分子聚合物材料 (UP)3T的多相设计。

图2. 硅基超分子聚合物材料 (UP)3T的修复性能。

研究人员通过衰减全反射红外光谱 (ATR-IR) 揭示了材料和水分子之间的相互作用，并通过示差扫描量热法 (DSC) 和原子力显微镜 (AFM) 等进一步证实了材料在水中将变软，表面粘附力将增大，这都将增强材料在水中的修复性能。

本项研究得到了国家自然科学基金 (NSFC)，香港政府大学研究基金(GRF) 和香港城市大学的资助。

姚希教授课题组链接:

http://staffweb1.cityu.edu.hk/xiyao7

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201805206

来源：高分子科学前沿