《Science》子刊：利用分子滑轮交联剂制备高韧性、透明弹性体

弹性体具有交联三维网络，在小外力的作用下可以发生大形变，并在外力被移除时返回其初始状态。弹性体因其柔性和可逆形变的特点，常被用于汽车，飞机，建筑物中。弹性体的研究对于未来的医疗产品、柔性显示器、软体机器人的开发至关重要。除了柔性和弹性之外，韧性也是弹性体满足产品需求的重要性能指标之一。

通常，对于具有常规交联结构的弹性体，提高其韧性势必影响其延展性和弹性，为达到材料的需求，必须权衡多种性能。例如，将大量填料（炭黑等）引入弹性体中，能有效提升其韧性，但会损害材料的透明度，限制了该材料在柔性显示器和软体机器人中的使用。

近期，日本名古屋大学分子与高分子化学系的Yukikazu Takeoka课题组与东京大学先进材料科学系的Koichi Mayumi、Kohzo Ito课题组通过使用由环状分子和线性聚合物组成的聚轮烷（PR）作为交联剂，成功地制备了易于制造且具备良好延展性和高韧性的光学透明弹性体，并通过原位小角X射线散射（SAXS）技术首次观察到由于PR交联剂的滑动引起的构象变化。

研究者向聚乙二醇和α-环糊精组成的PR上引入大量乙烯基，成功获得PR交联剂，并利用该交联点可滑动的多官能度交联剂与MEO2MA单体进行聚合，制备了不同交联度的透明高韧性弹性体。

通常，具有常规交联结构的弹性体由于在高交联密度下失去伸长性而易于破裂。研究者发现，与通过常规交联剂（EGDMA）制得的弹性体相比，随着交联密度的增加，使用PR交联剂制备的透明弹性体的韧性随其杨氏模量而增强，这表明PR交联的弹性体与传统交联弹性体结构是完全不同的。由于可移动的轮烷结构的存在，弹性体中的聚合物链更易移动，使得形变过程中更大比例的能量用于材料的塑性流动中。

图文速读

图1 使用聚轮烷交联剂和通用交联剂制备的弹性体的机械性能对比。

（A）用HPR-C和EGDMA作为交联剂制备的MEO2MA弹性体的应力-伸长率曲线；（B）由1A图转换的曲线；（C）用HPR-C和EGDMA作为交联剂制备的MEO2MA弹性体的应力-伸长率滞后回线。

表1 1.0 wt％HPR-C和EGDMA弹性体的断裂能

图2 使用聚轮烷交联剂和通用交联剂制备的弹性体的热性质对比。

（A）DSC曲线；（B）TGA曲线；（C）动态粘弹性测量得到的储能模量，损耗弹性模量和tan 的温度依赖性。

图3  SAXS分析聚轮烷在弹性体中的行为。

通过SAXS测量用HPR-C和EGDMA作为交联剂制备MEO2MA弹性体获得的散射曲线：（A）用不同量的HPR-C或EGDMA制备的弹性体；（B）将（A）中含有不同量的HPR-C弹性体的散射曲线归一化为HPR-C的浓度；（C）在用2wt％HPR-C作为交联剂制备的MEO2MA弹性体的单轴拉伸过程中获得的2D SAXS图案；（D）平均散射分布I（Q），其方向平行于用2wt％HPR-C制备的MEO2MA弹性体变形方向；（E）由弹性体伸长引起的PR构象变化的示意图。 图中的箭头表示弹性体的伸长方向。

图4聚轮烷交联弹性体在各种聚轮烷浓度下的机械性能。

（A）单轴拉伸试验和撕裂试验的结果；。（B）储能模量的温度依赖性；（C）损耗模量的温度依赖性；（D）tan的温度依赖性。

表2用不同量的HPR-C作为交联剂制备MEO2MA弹性体的单轴试验机械性能。

图5  使用的交联剂（HPR-C和EGDMA）和单体（MEO2MA）的化学结构。

原文链接：

http://advances.sciencemag.org/content/4/10/eaat7629

来源：高分子科学前沿