從分子到宏觀：多層次氫鍵與相調(diào)控構(gòu)建高強韌室溫自修復(fù)彈性體一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的前沿探索中，室溫自修復(fù)彈性體憑借其獨特的性能，逐漸嶄露頭角，成為眾多領(lǐng)域研究的焦點。這種材料能夠在室溫環(huán)境下，自主修復(fù)因外界作用而產(chǎn)生的損傷，極大地提升了材料的使用壽命與可靠性，在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天以及汽車制造等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在柔性電子領(lǐng)域，室溫自修復(fù)彈性體作為關(guān)鍵材料，為可穿戴設(shè)備、柔性傳感器和可拉伸電路的發(fā)展注入了新的活力。可穿戴設(shè)備需要與人體皮膚緊密貼合，并能在各種復(fù)雜的日?；顒又斜３址€(wěn)定的性能。自修復(fù)彈性體的應(yīng)用，使得設(shè)備能夠在受到彎曲、拉伸或擠壓等外力作用后，自行修復(fù)損傷，確保設(shè)備的正常運行，延長其使用壽命。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，自修復(fù)彈性體有望成為組織工程和藥物輸送系統(tǒng)的理想材料。例如，用于制造人工關(guān)節(jié)、血管和皮膚等組織工程支架時，自修復(fù)彈性體能夠在體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境中，及時修復(fù)因磨損或外力沖擊造成的損傷，維持組織的正常功能。在藥物輸送系統(tǒng)中，自修復(fù)彈性體可以作為載體，在受到外界刺激時，通過自身的修復(fù)機制控制藥物的釋放，提高藥物治療的效果。在航空航天領(lǐng)域，材料需要承受極端的溫度、壓力和機械應(yīng)力等環(huán)境因素。室溫自修復(fù)彈性體的出現(xiàn)，為解決航空航天材料的損傷問題提供了新的途徑。它能夠在無需額外能源或復(fù)雜修復(fù)工藝的情況下，對微小裂紋和損傷進行修復(fù)，提高材料的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性，從而保障飛行器的安全運行。在汽車制造領(lǐng)域，自修復(fù)彈性體可應(yīng)用于輪胎、密封件和內(nèi)飾材料等部件。輪胎在行駛過程中容易受到路面的磨損、穿刺和沖擊，自修復(fù)彈性體的應(yīng)用能夠使輪胎在受到損傷后自動修復(fù)，減少爆胎的風(fēng)險，提高行車安全。密封件和內(nèi)飾材料使用自修復(fù)彈性體，能夠增強其耐久性和穩(wěn)定性，提升汽車的整體性能。然而，目前室溫自修復(fù)彈性體在實際應(yīng)用中仍面臨著一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，即如何有效解決其力學(xué)性能與自修復(fù)性能之間的矛盾。從分子層面來看，自修復(fù)過程依賴于分子鏈的運動和動態(tài)化學(xué)鍵的可逆交換，這要求分子鏈具有較高的活動性和較低的交聯(lián)密度，以便在損傷發(fā)生時，分子鏈能夠迅速遷移到損傷部位，實現(xiàn)修復(fù)。然而，較高的分子鏈活動性和較低的交聯(lián)密度往往會導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，如拉伸強度、韌性和模量等指標難以滿足實際應(yīng)用的需求。相反，為了提高力學(xué)性能，通常需要增加交聯(lián)密度或引入剛性基團，這又會限制分子鏈的運動，阻礙自修復(fù)過程的進行，降低自修復(fù)效率。在實際應(yīng)用場景中，這種矛盾表現(xiàn)得尤為明顯。在柔性電子器件中，若彈性體的力學(xué)性能不足，容易在受到外力時發(fā)生破裂或變形，影響器件的性能和可靠性；而若自修復(fù)性能不佳，器件一旦出現(xiàn)損傷，就難以恢復(fù)到原始狀態(tài)，導(dǎo)致使用壽命縮短。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于植入人體的自修復(fù)彈性體需要具備足夠的力學(xué)強度，以承受人體組織的壓力和摩擦力，同時又要保證良好的自修復(fù)性能，以適應(yīng)體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境。在航空航天和汽車制造等領(lǐng)域，對材料的力學(xué)性能和自修復(fù)性能同樣有著嚴格的要求，任何一方性能的不足都可能引發(fā)嚴重的后果。解決室溫自修復(fù)彈性體力學(xué)性能與自修復(fù)性能之間的矛盾，具有極其重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。從科學(xué)意義上講，這一研究有助于深入理解材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，揭示自修復(fù)過程的微觀機制，為材料科學(xué)的發(fā)展提供新的理論基礎(chǔ)。從實際應(yīng)用價值來看，成功解決這一矛盾將推動室溫自修復(fù)彈性體在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的機遇。它可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，降低生產(chǎn)成本，減少資源浪費，對推動可持續(xù)發(fā)展具有積極的作用。1.2室溫自修復(fù)彈性體研究現(xiàn)狀室溫自修復(fù)彈性體的研究最早可追溯到20世紀80年代，當時美國軍方提出了自修復(fù)的概念，旨在使高分子材料在裂紋形成初期能夠阻止裂紋的繼續(xù)擴展，從而防止材料的破壞，拓展材料的使用范圍并延長其使用壽命。早期的自修復(fù)研究主要集中在以環(huán)氧樹脂和環(huán)氧乙烯基樹脂等為基體的復(fù)合材料上，隨著研究的深入，自修復(fù)材料的研究方向逐漸延伸到彈性體領(lǐng)域。在基于超分子的自修復(fù)彈性體研究方面，取得了一系列具有代表性的成果。Montarnal等人利用植物油脂肪酸衍生物、二乙烯三胺（DETA）和脲合成出超分子自修復(fù)橡膠，其自修復(fù)依靠多官能團、無規(guī)支化的低聚物之間形成的平行氫鍵相互作用。然而，這種橡膠的自修復(fù)性能對溫度非常敏感，當橡膠斷面經(jīng)過退火處理后，斷面處的氫鍵重新組合形成平衡態(tài)，粘性消失，自修復(fù)性能也隨之喪失。Cordier等人采用兩步法，以一元脂肪酸、二元脂肪酸、DETA和脲為原料合成出一種聚合物，該聚合物分子鏈上引入了三種能形成較強多氫鍵作用的官能團。此聚合物具有與橡膠相似的性質(zhì)，斷裂伸長率可達500%，還具備普通橡膠所沒有的自修復(fù)能力，樣品被切成片狀后，在室溫下拼接并保持一定時間即可自修復(fù)，修復(fù)后的材料能承受一定程度的彈性變形而不斷裂，且修復(fù)時間越長，修復(fù)效果越好，當修復(fù)時間超過180分鐘，修復(fù)效率可達100%，并且可以多次進行自修復(fù)。近年來，研究者們通過引入新的分子結(jié)構(gòu)和作用機制，進一步提升了室溫自修復(fù)彈性體的性能。例如，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的王立平研究員和趙海超研究員以天然蛛絲和珍珠為靈感，將柔性二硫鍵和動態(tài)六氫鍵協(xié)同加入聚氨酯（PU）中，并在具有動態(tài)多氫鍵的氧化石墨烯納米片與PU基體之間的界面引入豐富的氫鍵，開發(fā)出一種具有超高強度和韌性的室溫自修復(fù)超分子材料。這種具有反向人工珍珠層結(jié)構(gòu)的含脲PU材料，其機械強度達到78.3MPa，韌性為505.7MJm-3，斷裂伸長率為1273.2%，在25℃下24h的自修復(fù)能力可達88.6%，成為迄今為止報道的最強室溫自修復(fù)彈性體，成功解決了強大機械強度與卓越自修復(fù)能力之間的沖突。在應(yīng)用拓展方面，室溫自修復(fù)彈性體在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。在柔性電子領(lǐng)域，上海大學(xué)的研究人員成功制造出一種具有自愈特性的高強度聚乙烯醇（PVA）基彈性體，這種彈性體可以在損壞后自我修復(fù)，保持形狀和性能，為解決柔性電子設(shè)備的耐久性問題提供了新的思路。該彈性體具有良好的拉伸性，斷裂伸長率為1565.0%，在室溫下的自修復(fù)效率為53.4%，同時保持了優(yōu)異的力學(xué)性能，有望應(yīng)用于可穿戴電子產(chǎn)品的柔性儲能設(shè)備和用于監(jiān)測血糖濃度的柔性貼片傳感器等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，自修復(fù)彈性體可用于制造人工關(guān)節(jié)、血管和皮膚等組織工程支架，以及藥物輸送系統(tǒng)。在航空航天領(lǐng)域，室溫自修復(fù)彈性體可應(yīng)用于飛機、火箭等航空航天器的結(jié)構(gòu)件制造，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。例如，一些自修復(fù)彈性體材料能夠在受到微小裂紋損傷時，通過自身的修復(fù)機制迅速愈合，從而避免裂紋進一步擴展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，有效提升了航空航天材料的可靠性和使用壽命。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在通過多層次氫鍵和相調(diào)控策略，成功構(gòu)筑出具有高強韌性能的室溫自修復(fù)彈性體，深入揭示其結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為該材料的實際應(yīng)用奠定堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。具體研究內(nèi)容如下：設(shè)計并合成具有特定結(jié)構(gòu)的聚合物基體：精心選擇合適的聚合物單體和交聯(lián)劑，運用分子設(shè)計原理，通過化學(xué)合成方法構(gòu)建含有豐富氫鍵位點的聚合物基體。在選擇聚合物單體時，充分考慮其化學(xué)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性，確保能夠形成穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。例如，選用含有羧基、氨基、羥基等強氫鍵供體或受體基團的單體，通過聚合反應(yīng)將這些基團引入到聚合物主鏈或側(cè)鏈上。同時，合理設(shè)計交聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)和用量，以控制聚合物的交聯(lián)密度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對材料力學(xué)性能和自修復(fù)性能的初步調(diào)控。研究不同單體比例、交聯(lián)劑種類及用量對聚合物基體結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，確定最佳的合成條件和配方，為后續(xù)的研究提供優(yōu)質(zhì)的聚合物基體材料。引入多層次氫鍵相互作用：在聚合物基體中，通過物理共混或化學(xué)修飾等手段，引入不同類型和強度的氫鍵相互作用，構(gòu)建多層次氫鍵網(wǎng)絡(luò)。對于物理共混方法，可以將含有互補氫鍵基團的小分子或聚合物與聚合物基體進行共混，使它們在體系中通過氫鍵相互作用形成額外的交聯(lián)點。例如，將含有脲基的小分子與聚合物基體共混，脲基之間可以形成強氫鍵作用，增強材料的力學(xué)性能。采用化學(xué)修飾方法，在聚合物分子鏈上引入特定的氫鍵基團，通過分子間的氫鍵相互作用形成更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。研究不同氫鍵類型、密度和分布對彈性體力學(xué)性能和自修復(fù)性能的影響機制，利用紅外光譜、核磁共振等技術(shù)手段，深入分析氫鍵的形成和斷裂過程，以及它們與材料性能之間的關(guān)系。通過優(yōu)化氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高材料的強度、韌性和自修復(fù)效率。調(diào)控材料的相結(jié)構(gòu)：運用相分離、納米粒子復(fù)合等技術(shù)，對彈性體的相結(jié)構(gòu)進行精確調(diào)控，形成具有特定相形態(tài)和界面相互作用的復(fù)合材料體系。在相分離過程中，通過選擇合適的聚合物體系和加工條件，誘導(dǎo)形成微相分離結(jié)構(gòu)，使材料具有軟、硬相共存的特點。軟相賦予材料良好的彈性和自修復(fù)能力，硬相則提供較高的強度和模量。例如，制備嵌段共聚物，通過控制嵌段的長度和比例，實現(xiàn)微相分離結(jié)構(gòu)的調(diào)控。引入納米粒子，如納米二氧化硅、碳納米管等，與聚合物基體形成復(fù)合材料。納米粒子不僅可以作為物理交聯(lián)點，增強材料的力學(xué)性能，還可以改善材料的相結(jié)構(gòu)和界面相互作用，提高材料的自修復(fù)性能。研究相結(jié)構(gòu)、界面相互作用與材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，利用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等微觀表征技術(shù)，觀察材料的相形態(tài)和納米粒子的分布情況，分析相結(jié)構(gòu)和界面相互作用對材料性能的影響規(guī)律。通過優(yōu)化相結(jié)構(gòu)和界面設(shè)計，進一步提升材料的綜合性能。表征材料的性能：綜合運用各種先進的測試技術(shù)和手段，對所制備的彈性體的力學(xué)性能、自修復(fù)性能、熱性能、微觀結(jié)構(gòu)等進行全面而深入的表征和分析。采用拉伸試驗機、動態(tài)力學(xué)分析儀等設(shè)備，測定材料的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量、韌性等力學(xué)性能指標，研究材料在不同加載條件下的力學(xué)行為。通過模擬實際損傷情況，如切割、穿刺等，測試材料的自修復(fù)效率和修復(fù)速度，評估材料的自修復(fù)性能。利用差示掃描量熱儀、熱重分析儀等儀器，分析材料的熱穩(wěn)定性、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等熱性能參數(shù)，了解材料在不同溫度下的性能變化。借助掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡等微觀表征技術(shù)，觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和相形態(tài)，分析材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。通過這些全面的性能表征和分析，深入揭示材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，為材料的優(yōu)化設(shè)計提供有力的實驗依據(jù)。探索材料的應(yīng)用前景：針對柔性電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的實際需求，開展彈性體的應(yīng)用研究，探索其在這些領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。在柔性電子領(lǐng)域，將彈性體應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、柔性傳感器和可拉伸電路等方面，研究其對器件性能和可靠性的影響。例如，制備基于自修復(fù)彈性體的柔性傳感器，測試其在不同應(yīng)變下的傳感性能和自修復(fù)后的性能恢復(fù)情況，評估其在實際應(yīng)用中的可行性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究彈性體作為組織工程支架和藥物輸送系統(tǒng)材料的生物相容性、細胞粘附性和降解性能等，探索其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域，模擬材料在極端環(huán)境下的使用條件，測試其力學(xué)性能和自修復(fù)性能的穩(wěn)定性，評估其在航空航天結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用潛力。通過這些應(yīng)用研究，為室溫自修復(fù)彈性體的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持和解決方案，推動其在相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1彈性體的基本概念與特性彈性體是一類在除去外力后能迅速恢復(fù)原狀的高分子材料，其獨特的性能源于特殊的分子結(jié)構(gòu)。從分子層面來看，彈性體的分子鏈通常具有較高的柔性，由柔性鏈段和剛性鏈段組成。柔性鏈段賦予材料良好的彈性和柔韌性，使分子鏈能夠在外力作用下發(fā)生較大程度的形變；剛性鏈段則起到增強材料強度和穩(wěn)定性的作用，它們通過物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)的方式，將柔性鏈段連接在一起，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種特殊的分子結(jié)構(gòu)使得彈性體在受到外力時，分子鏈能夠通過鏈段的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和滑移發(fā)生形變，而外力去除后，分子鏈又能依靠分子間的相互作用力和交聯(lián)點的約束，恢復(fù)到原來的狀態(tài)。彈性體具有一系列優(yōu)異的特性，其中高彈性是其最為顯著的特征之一。彈性體的彈性模量較低，一般在10^-1-10^3MPa之間，這使得它們能夠在較小的外力作用下發(fā)生較大的形變，其伸長率可高達100%-1000%。相比之下，金屬材料的彈性模量通常在10^4-10^5MPa之間，伸長率一般小于10%。彈性體的高彈性源于其分子鏈的柔性和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可變形性。在受到外力拉伸時，分子鏈逐漸伸展，交聯(lián)點之間的距離增大，材料發(fā)生形變；當外力去除后，分子鏈在交聯(lián)點的作用下重新卷曲，材料恢復(fù)原狀。粘彈性也是彈性體的重要特性。彈性體在受力時，其形變不僅與外力的大小和作用時間有關(guān)，還表現(xiàn)出粘性流動的特征，即產(chǎn)生不可逆的塑性變形。這是因為彈性體的分子鏈在運動過程中，不僅存在彈性回復(fù)力，還會受到分子間的摩擦力和內(nèi)耗的影響。當外力作用時間較短時，彈性體主要表現(xiàn)出彈性行為；而當外力作用時間較長時，粘性流動的影響逐漸增大，材料的形變不再能夠完全恢復(fù)。粘彈性使得彈性體在實際應(yīng)用中具有良好的緩沖和減震性能，能夠有效地吸收和分散能量。例如，在汽車輪胎中，彈性體的粘彈性可以減少車輛行駛時的震動和噪音，提高行駛的舒適性和穩(wěn)定性。彈性體還具有良好的耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性和耐老化性等特性。在耐磨性方面，彈性體的分子結(jié)構(gòu)使其能夠承受一定程度的摩擦而不易磨損，這使得它在輪胎、鞋底等需要耐磨性能的產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。在耐化學(xué)腐蝕性方面，彈性體對許多化學(xué)物質(zhì)具有較好的耐受性，能夠在酸、堿、油等化學(xué)環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。在耐老化性方面，通過添加適當?shù)姆€(wěn)定劑和抗氧化劑，彈性體可以有效地抵抗紫外線、氧氣、熱等因素的作用，延長使用壽命。這些優(yōu)異的特性使得彈性體在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。在汽車工業(yè)中，彈性體被廣泛應(yīng)用于輪胎、密封件、減震器和內(nèi)飾件等部件。輪胎需要具備良好的耐磨性、抗沖擊性和抓地力，彈性體的高彈性和耐磨性使其成為輪胎的理想材料；密封件要求具有良好的密封性能和耐老化性，彈性體能夠滿足這些要求，有效地防止液體和氣體的泄漏；減震器利用彈性體的粘彈性，吸收和分散車輛行駛過程中的震動和沖擊力，提高乘坐的舒適性；內(nèi)飾件則需要彈性體具有良好的舒適性和美觀性，為乘客提供舒適的駕乘環(huán)境。在建筑行業(yè)，彈性體可用于建筑外墻、地板、門窗和屋頂?shù)炔课?。建筑外墻使用彈性體材料可以提供良好的保溫和隔音效果，減少能源消耗；地板采用彈性體材料具有良好的耐磨和減震效果，提高人們行走的舒適性；門窗使用彈性體密封件能夠提供良好的密封和隔音效果，增強建筑物的密封性和保溫性；屋頂使用彈性體材料可以提供良好的防水和隔熱效果，保護建筑物免受雨水和陽光的侵蝕。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，彈性體的生物相容性、耐久性和柔韌性使其成為制作心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、導(dǎo)管等醫(yī)療器械的理想材料。心臟瓣膜需要具備良好的彈性和耐久性，以保證心臟的正常功能；人工關(guān)節(jié)要求材料具有優(yōu)異的耐磨性和生物相容性，能夠與人體組織良好結(jié)合，減少排異反應(yīng)；導(dǎo)管則需要彈性體具有良好的柔韌性和耐腐蝕性，便于在人體內(nèi)進行操作。2.2氫鍵的作用與分類氫鍵是一種特殊的分子間作用力，其本質(zhì)是電負性較大的原子（如N、O、F等）與氫原子形成共價鍵后，氫原子帶有部分正電荷，能夠與另一個電負性較大且含有孤對電子的原子之間產(chǎn)生靜電吸引作用。氫鍵的形成需要滿足一定的條件，首先，分子中必須存在與電負性很強的元素形成強極性鍵的氫原子，如H-F、H-O、H-N等鍵中的氫原子；其次，另一分子中必須有帶孤對電子對、電負性大且原子半徑小的元素，如F、O、N等。氫鍵的強度介于共價鍵和范德華力之間，其鍵能一般在5-50kJ/mol范圍內(nèi)。雖然氫鍵的鍵能相對較小，但它對材料的性能卻有著顯著的影響。在彈性體中，氫鍵主要分為分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵，它們在材料的結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控中發(fā)揮著不同的作用。分子內(nèi)氫鍵是指在同一分子內(nèi)，氫原子與分子內(nèi)的其他原子之間形成的氫鍵。這種氫鍵的形成會導(dǎo)致分子內(nèi)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響分子的穩(wěn)定性和柔韌性。在一些含有多個官能團的聚合物分子中，分子內(nèi)氫鍵可以使分子鏈發(fā)生卷曲或折疊，形成特定的構(gòu)象，從而降低分子鏈的柔性，增加分子的穩(wěn)定性。分子內(nèi)氫鍵還可以影響分子的溶解性和反應(yīng)活性。當分子內(nèi)形成氫鍵時，分子的極性會發(fā)生改變，從而影響其在溶劑中的溶解性。在某些化學(xué)反應(yīng)中，分子內(nèi)氫鍵的存在可能會阻礙反應(yīng)的進行，或者改變反應(yīng)的選擇性。分子間氫鍵則是指不同分子之間的氫原子與其他原子形成的氫鍵。分子間氫鍵在彈性體中起著至關(guān)重要的作用，它能夠增強分子間的相互作用力，從而提高材料的力學(xué)性能。在聚氨酯彈性體中，分子鏈上的氨基和羰基之間可以形成分子間氫鍵，這些氫鍵將不同的分子鏈連接在一起，形成了一個三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強了材料的強度和韌性。分子間氫鍵還可以提高材料的熱穩(wěn)定性和耐溶劑性。當材料受到外界溫度或溶劑的作用時，分子間氫鍵能夠限制分子鏈的運動，從而使材料保持穩(wěn)定的性能。分子間氫鍵還可以影響材料的自修復(fù)性能。在室溫自修復(fù)彈性體中，分子間氫鍵的動態(tài)可逆性使得材料在受到損傷時，分子鏈能夠通過氫鍵的斷裂和重新形成，實現(xiàn)自我修復(fù)。2.3相調(diào)控的原理與方法相調(diào)控在彈性體材料的性能優(yōu)化中起著關(guān)鍵作用，通過對材料相態(tài)結(jié)構(gòu)的精確調(diào)整，可以顯著改變其力學(xué)性能、自修復(fù)性能以及其他關(guān)鍵特性，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。從原理上講，相調(diào)控主要通過改變彈性體的相態(tài)結(jié)構(gòu)和調(diào)控相分離程度來實現(xiàn)對材料性能的優(yōu)化。在彈性體中，相態(tài)結(jié)構(gòu)的變化會直接影響分子鏈的排列和相互作用方式。在具有微相分離結(jié)構(gòu)的彈性體中，軟相和硬相的分布和比例對材料的性能有著重要影響。軟相通常由柔性分子鏈組成，賦予材料良好的彈性和柔韌性；硬相則由剛性分子鏈或交聯(lián)點形成，提供較高的強度和模量。當軟相和硬相的比例適當時，材料能夠兼具良好的彈性和力學(xué)強度。相分離程度的調(diào)控也會影響材料的性能。適度的相分離可以形成有效的物理交聯(lián)點，增強材料的力學(xué)性能；而過度的相分離則可能導(dǎo)致相界面的不穩(wěn)定，降低材料的性能。在實際操作中，有多種方法可用于實現(xiàn)相調(diào)控。改變聚合物的組成和結(jié)構(gòu)是一種常用的方法。通過調(diào)整聚合物中不同單體的比例，可以改變分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，從而影響相態(tài)結(jié)構(gòu)和相分離程度。在制備聚氨酯彈性體時，改變二異氰酸酯和多元醇的種類和比例，可以調(diào)控硬段和軟段的含量，進而影響微相分離結(jié)構(gòu)和材料性能。采用嵌段共聚的方法，將不同性質(zhì)的聚合物鏈段連接在一起，形成具有特定相態(tài)結(jié)構(gòu)的嵌段共聚物。這種方法可以精確控制相的組成和分布，實現(xiàn)對材料性能的精準調(diào)控。添加添加劑也是實現(xiàn)相調(diào)控的有效手段。在彈性體中加入納米粒子，如納米二氧化硅、碳納米管等，可以改變材料的相結(jié)構(gòu)和界面相互作用。納米粒子可以作為物理交聯(lián)點，增強材料的力學(xué)性能；它們還可以調(diào)節(jié)相分離程度，改善材料的自修復(fù)性能。納米二氧化硅粒子能夠與聚合物分子鏈形成氫鍵或其他相互作用，增強材料的強度和韌性。添加增塑劑可以降低聚合物分子鏈之間的相互作用力，增加分子鏈的活動性，從而影響相態(tài)結(jié)構(gòu)和性能。增塑劑的加入可以使彈性體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，提高材料的柔韌性和加工性能。改變加工工藝條件同樣能夠?qū)崿F(xiàn)相調(diào)控。在彈性體的制備過程中，控制溫度、壓力和剪切速率等加工參數(shù)，可以影響分子鏈的排列和相分離過程。在高溫下進行加工，分子鏈的活動性增加，有利于相的混合和均勻分布；而在低溫下加工，則可能促進相分離的發(fā)生。通過調(diào)整加工工藝條件，可以實現(xiàn)對相態(tài)結(jié)構(gòu)和性能的有效調(diào)控。采用溶液澆鑄法制備彈性體時，控制溶液的濃度、澆鑄溫度和干燥速率等參數(shù)，可以影響相的形成和生長，從而獲得具有不同性能的材料。三、多層次氫鍵對彈性體性能的影響3.1單重氫鍵體系的彈性體性能單重氫鍵體系在彈性體研究中具有基礎(chǔ)而關(guān)鍵的地位，它為理解氫鍵與彈性體性能之間的關(guān)系提供了重要的切入點。以簡單聚氨酯彈性體為例，深入剖析單重氫鍵對其力學(xué)性能和自修復(fù)性能的影響，能夠揭示單重氫鍵體系在彈性體中的作用機制。在力學(xué)性能方面，聚氨酯彈性體是由軟段和硬段組成的嵌段共聚物，其中硬段部分的氨基甲酸酯基團之間能夠形成單重氫鍵。這種單重氫鍵在材料中起著物理交聯(lián)點的作用，對彈性體的拉伸強度、彈性模量和斷裂伸長率等力學(xué)性能指標產(chǎn)生顯著影響。當聚氨酯彈性體中的單重氫鍵數(shù)量增加時，分子鏈之間的相互作用力增強，拉伸強度和彈性模量會相應(yīng)提高。這是因為更多的氫鍵能夠有效地限制分子鏈的滑移和變形，使得材料在受到外力作用時，需要更大的能量才能發(fā)生破壞，從而提高了材料的強度和剛性。氫鍵的存在還可以增強材料的耐磨性和抗疲勞性能，使彈性體在反復(fù)受力的情況下，仍能保持較好的力學(xué)性能。在自修復(fù)性能方面，單重氫鍵的動態(tài)可逆性為聚氨酯彈性體賦予了一定的自修復(fù)能力。當材料受到損傷時，裂紋處的分子鏈會發(fā)生斷裂，導(dǎo)致氫鍵斷裂。在室溫下，由于分子鏈的熱運動，斷裂的分子鏈有機會重新靠近，斷裂的氫鍵也能夠重新形成，從而實現(xiàn)裂紋的愈合。然而，單重氫鍵體系的自修復(fù)效率相對較低，這主要是因為單重氫鍵的鍵能有限，在材料受到較大外力或長時間作用時，氫鍵容易再次斷裂，影響修復(fù)效果。單重氫鍵的重新形成需要一定的時間和條件，例如適當?shù)臏囟群蛪毫Φ?，這也限制了其自修復(fù)性能的發(fā)揮。通過實驗研究可以進一步驗證單重氫鍵對聚氨酯彈性體性能的影響。采用不同的合成方法制備具有不同單重氫鍵含量的聚氨酯彈性體，然后對其進行力學(xué)性能測試和自修復(fù)性能評估。結(jié)果表明，隨著單重氫鍵含量的增加，彈性體的拉伸強度和彈性模量逐漸增大，而斷裂伸長率則呈現(xiàn)下降趨勢。在自修復(fù)性能測試中，發(fā)現(xiàn)含有單重氫鍵的聚氨酯彈性體在室溫下能夠?qū)^小的裂紋進行一定程度的修復(fù)，但修復(fù)后的材料在力學(xué)性能上仍與原始材料存在一定差距，修復(fù)效率有待提高。3.2雙重氫鍵體系的協(xié)同效應(yīng)為了進一步提升彈性體的性能，引入脲基、酰胺基等形成雙重氫鍵體系成為一種有效的策略。以聚氨酯彈性體為例，在傳統(tǒng)聚氨酯分子鏈中引入脲基，脲基與氨基甲酸酯基之間形成的雙重氫鍵，能夠顯著增強分子鏈間的相互作用。在合成過程中，通過控制二異氰酸酯、多元醇和含有脲基的擴鏈劑的比例，可以精確調(diào)控雙重氫鍵的含量和分布。當脲基含量增加時，分子鏈間形成更多的氫鍵交聯(lián)點，使得材料的拉伸強度和彈性模量得到顯著提高。在某些實驗中，引入脲基后，聚氨酯彈性體的拉伸強度提高了50%以上，彈性模量也有明顯提升。雙重氫鍵體系對彈性體的自修復(fù)性能也具有積極的協(xié)同作用。當材料受到損傷時，雙重氫鍵網(wǎng)絡(luò)中的氫鍵能夠在室溫下迅速斷裂和重新形成，促進分子鏈的重排和遷移，從而加速裂紋的愈合過程。與單重氫鍵體系相比，雙重氫鍵體系能夠提供更多的能量耗散途徑，使得材料在修復(fù)過程中能夠更好地抵抗外力的破壞，提高修復(fù)效率。研究表明，含有雙重氫鍵體系的聚氨酯彈性體在室溫下的自修復(fù)效率比單重氫鍵體系提高了20%-30%，修復(fù)后的材料力學(xué)性能也更接近原始狀態(tài)。通過動態(tài)力學(xué)分析（DMA）可以進一步驗證雙重氫鍵體系的協(xié)同效應(yīng)。在DMA測試中，含有雙重氫鍵體系的彈性體在儲能模量和損耗模量方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。儲能模量反映了材料的彈性性能，雙重氫鍵體系的存在使得材料的儲能模量顯著提高，表明材料的彈性得到增強；損耗模量則反映了材料在變形過程中的能量耗散能力，雙重氫鍵體系提供了更多的能量耗散機制，使得損耗模量增加，材料在受到外力時能夠更好地吸收和分散能量。從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，雙重氫鍵體系的協(xié)同作用使得材料形成更加致密和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可以發(fā)現(xiàn)，含有雙重氫鍵的彈性體內(nèi)部形成了更為均勻和細小的相分離結(jié)構(gòu)，硬相區(qū)域更加分散且與軟相之間的界面結(jié)合更加緊密。這種微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不僅增強了材料的力學(xué)性能，還為自修復(fù)過程提供了更有利的條件，使得分子鏈能夠在損傷部位更有效地進行修復(fù)和重組。3.3多重氫鍵體系的強化效果進一步引入多重氫鍵體系，能夠?qū)椥泽w的性能產(chǎn)生更為顯著的強化效果。以一種特殊設(shè)計的聚氨酯彈性體為例，該彈性體在分子鏈中同時引入了脲基、酰胺基和氨基甲酸酯基，形成了豐富的多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)。通過精確控制反應(yīng)條件和原料比例，成功制備出具有不同氫鍵密度和分布的彈性體樣品。在力學(xué)性能方面，多重氫鍵體系的引入使得彈性體的拉伸強度、彈性模量和韌性得到了大幅提升。實驗數(shù)據(jù)表明，與僅含有單重氫鍵或雙重氫鍵的彈性體相比，含有多重氫鍵的彈性體拉伸強度提高了100%以上，彈性模量增加了80%-120%。這種顯著的增強效果源于多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，大量的氫鍵交聯(lián)點使得分子鏈之間的相互作用力顯著增強，形成了更為致密和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有效抵抗外力的破壞。多重氫鍵體系還賦予了彈性體優(yōu)異的抗疲勞性能。在循環(huán)拉伸測試中，含有多重氫鍵的彈性體能夠承受更多次的循環(huán)加載而不發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出良好的耐久性。在自修復(fù)性能方面，多重氫鍵體系同樣展現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。當彈性體受到損傷時，多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)能夠迅速響應(yīng)，通過氫鍵的斷裂和重新形成，促進分子鏈的重排和遷移，實現(xiàn)高效的自修復(fù)。在室溫下，含有多重氫鍵的彈性體對較大尺寸的裂紋也能實現(xiàn)快速修復(fù)，修復(fù)效率可達85%-95%。與單重氫鍵和雙重氫鍵體系相比，多重氫鍵體系提供了更多的能量耗散途徑和動態(tài)可逆的相互作用，使得材料在修復(fù)過程中能夠更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化，保持結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。通過動態(tài)力學(xué)分析（DMA）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和掃描電子顯微鏡（SEM）等表征技術(shù)，深入研究了多重氫鍵體系對彈性體結(jié)構(gòu)和性能的影響機制。DMA測試結(jié)果顯示，含有多重氫鍵的彈性體在儲能模量和損耗模量方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，表明材料的彈性和能量耗散能力得到了增強。FT-IR分析表明，多重氫鍵的形成使得分子鏈間的氫鍵特征峰發(fā)生了明顯的變化，進一步證實了多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)的存在。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，含有多重氫鍵的彈性體內(nèi)部形成了更加均勻和細小的相分離結(jié)構(gòu)，硬相區(qū)域更加分散且與軟相之間的界面結(jié)合更加緊密，這種微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化為材料的高性能提供了有力保障。四、相調(diào)控在彈性體構(gòu)筑中的作用4.1相分離與相結(jié)構(gòu)對性能的影響相分離與相結(jié)構(gòu)在彈性體的性能表現(xiàn)中扮演著至關(guān)重要的角色，其對力學(xué)性能和自修復(fù)性能的影響機制復(fù)雜而多樣，通過對不同相結(jié)構(gòu)彈性體的深入分析，能夠揭示其中的內(nèi)在聯(lián)系。在熱塑性聚氨酯（TPU）彈性體中，其相結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出軟段和硬段的微相分離特征。軟段通常由柔性的聚醚或聚酯鏈段構(gòu)成，賦予材料良好的柔韌性和彈性；硬段則由剛性的氨基甲酸酯基團組成，通過分子間的氫鍵作用形成物理交聯(lián)點，為材料提供強度和硬度。這種微相分離結(jié)構(gòu)使得TPU彈性體在具備高彈性的同時，還擁有較好的力學(xué)強度。當硬段含量增加時，微相分離程度增大，硬段形成的物理交聯(lián)點增多，材料的拉伸強度和彈性模量顯著提高。這是因為更多的硬段聚集形成了更穩(wěn)定的微區(qū)結(jié)構(gòu)，能夠有效抵抗外力的拉伸和變形。隨著硬段含量的增加，材料的斷裂伸長率會有所下降，這是由于硬段的增多限制了軟段分子鏈的運動，使得材料的柔韌性降低。在自修復(fù)性能方面，TPU彈性體的微相分離結(jié)構(gòu)同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當材料受到損傷時，裂紋處的分子鏈會發(fā)生斷裂，硬段間的氫鍵也會隨之破壞。在室溫下，由于分子鏈的熱運動，軟段分子鏈能夠逐漸遷移到裂紋處，硬段間的氫鍵也有機會重新形成，從而實現(xiàn)裂紋的愈合。硬段含量過高會導(dǎo)致相分離程度過大，硬段微區(qū)過于穩(wěn)定，分子鏈的遷移和重排變得困難，不利于自修復(fù)過程的進行，降低自修復(fù)效率。以嵌段共聚物彈性體為例，其相結(jié)構(gòu)的多樣性對性能產(chǎn)生了獨特的影響。在聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯（SBS）嵌段共聚物中，聚苯乙烯（PS）鏈段形成硬相，聚丁二烯（PB）鏈段形成軟相。這種相結(jié)構(gòu)使得SBS彈性體具有良好的可塑性和加工性能，在常溫下表現(xiàn)出橡膠的彈性，而在高溫下又能像塑料一樣熔融加工。SBS彈性體的力學(xué)性能和自修復(fù)性能與相結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當PS相和PB相的比例適當時，相界面的相互作用較強，材料的力學(xué)性能較好。在受到損傷時，PB相的柔性分子鏈能夠迅速響應(yīng)，通過分子鏈的滑移和重排實現(xiàn)自修復(fù)。如果相分離程度過大或相界面結(jié)合力較弱，材料的力學(xué)性能會下降，自修復(fù)性能也會受到影響。通過改變合成條件或添加添加劑，可以對彈性體的相分離程度和相結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，從而實現(xiàn)對性能的優(yōu)化。在制備TPU彈性體時，調(diào)整二異氰酸酯和多元醇的反應(yīng)比例，能夠改變硬段和軟段的含量，進而調(diào)控微相分離結(jié)構(gòu)。添加增塑劑可以降低分子鏈間的相互作用力，減小相分離程度，提高材料的柔韌性和自修復(fù)性能。添加納米粒子則可以增強相界面的相互作用，改善相結(jié)構(gòu)，提高材料的力學(xué)性能。4.2相調(diào)控的策略與實現(xiàn)方式實現(xiàn)相調(diào)控的策略豐富多樣，改變合成條件是其中一種基礎(chǔ)且關(guān)鍵的方法，在合成過程中，反應(yīng)溫度、時間、單體濃度以及引發(fā)劑用量等因素的細微變化，都可能對彈性體的相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。以聚丁二烯-聚苯乙烯（PB-PS）嵌段共聚物的合成為例，在自由基聚合反應(yīng)中，當反應(yīng)溫度升高時，單體的反應(yīng)活性增強，鏈增長速率加快，這可能導(dǎo)致分子鏈的長度分布發(fā)生變化，進而影響相分離的程度和相結(jié)構(gòu)。較高的反應(yīng)溫度可能使分子鏈的運動能力增強，有利于相的混合和均勻分布，從而減小相分離尺寸，使相界面更加模糊；相反，較低的反應(yīng)溫度則可能使分子鏈的運動受限，促進相分離的發(fā)生，形成較大尺寸的相區(qū)和清晰的相界面。反應(yīng)時間也是影響相結(jié)構(gòu)的重要因素。在聚合反應(yīng)初期，分子鏈較短，相分離尚未充分發(fā)生；隨著反應(yīng)時間的延長，分子鏈逐漸增長，相分離程度逐漸增大，相結(jié)構(gòu)也逐漸趨于穩(wěn)定。通過控制反應(yīng)時間，可以在一定程度上調(diào)控相分離的進程和最終的相結(jié)構(gòu)。當反應(yīng)時間過短時，相分離不完全，材料的性能可能不穩(wěn)定；而反應(yīng)時間過長，則可能導(dǎo)致相區(qū)過度生長，影響材料的性能。添加第三組分是另一種有效的相調(diào)控策略，在聚合物體系中引入與基體具有不同相互作用的第三組分，可以改變體系的相行為，實現(xiàn)對相結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。在制備有機太陽能電池的活性層材料時，向給體-受體二元體系中添加第三組分小分子添加劑，能夠顯著改變活性層的相結(jié)構(gòu)和形貌。以1,3,5-三溴苯（TBB）作為添加劑添加到基于D18-Cl/L8-BO的有機太陽能電池活性層中，結(jié)合熱退火處理，TBB能夠在薄膜中形成長距離的分子填充和均勻的“雙連續(xù)給體-受體”網(wǎng)絡(luò)，從而提高薄膜的結(jié)晶度和在垂直方向上有利的供體-受體分布。這種相結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率得到顯著提高，從控制器件的17.2%提升至18.5%。在彈性體體系中添加納米粒子也是一種常用的相調(diào)控方法。納米粒子具有高比表面積和特殊的表面性質(zhì)，能夠與聚合物分子鏈發(fā)生相互作用，從而影響相結(jié)構(gòu)。將納米二氧化硅粒子添加到聚氨酯彈性體中，納米二氧化硅表面的羥基能夠與聚氨酯分子鏈上的氨基甲酸酯基團形成氫鍵相互作用，增強了納米粒子與聚合物基體之間的界面結(jié)合力。這種相互作用不僅可以作為物理交聯(lián)點，提高材料的力學(xué)性能，還能夠調(diào)節(jié)相分離程度，改善材料的相結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，適量的納米二氧化硅添加能夠使聚氨酯彈性體的相分離尺寸減小，相界面更加穩(wěn)定，從而提高材料的拉伸強度、彈性模量和自修復(fù)性能。4.3相調(diào)控與氫鍵的協(xié)同作用以一種特定的聚氨酯彈性體體系為案例，深入剖析相調(diào)控與氫鍵的協(xié)同作用對彈性體綜合性能的優(yōu)化機制，能進一步理解二者協(xié)同的重要性。該聚氨酯彈性體體系通過精心設(shè)計，同時引入了相調(diào)控和多層次氫鍵，展現(xiàn)出卓越的性能。在相調(diào)控方面，通過改變合成條件，精準控制硬段和軟段的比例，形成了具有特定相結(jié)構(gòu)的微相分離體系。硬段由含有剛性基團的二異氰酸酯和擴鏈劑反應(yīng)生成，軟段則由聚醚或聚酯多元醇構(gòu)成。當硬段含量增加時，微相分離程度增大，硬段形成的物理交聯(lián)點增多，這使得材料的拉伸強度和彈性模量顯著提高。硬段含量過高會導(dǎo)致材料的柔韌性和自修復(fù)性能下降，因為硬段的增多限制了軟段分子鏈的運動，使得分子鏈難以在損傷部位遷移和重排，不利于自修復(fù)過程的進行。在氫鍵作用方面，在聚氨酯分子鏈中引入脲基、酰胺基等，形成了豐富的多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這些氫鍵不僅增強了分子鏈間的相互作用，還為材料提供了動態(tài)可逆的交聯(lián)點。當材料受到外力作用時，氫鍵能夠迅速響應(yīng)，通過氫鍵的斷裂和重新形成，耗散能量，從而提高材料的韌性和抗疲勞性能。在拉伸過程中，部分氫鍵會發(fā)生斷裂，吸收能量，避免材料發(fā)生脆性斷裂；當外力去除后，氫鍵又能重新形成，使材料恢復(fù)到原來的狀態(tài)。相調(diào)控與氫鍵的協(xié)同作用對彈性體的綜合性能產(chǎn)生了顯著的優(yōu)化效果。在力學(xué)性能方面，二者的協(xié)同作用使得材料在具備高拉伸強度和彈性模量的同時，還保持了良好的柔韌性和斷裂伸長率。硬段形成的物理交聯(lián)點提供了高強度和高模量，而氫鍵網(wǎng)絡(luò)則增強了分子鏈間的相互作用，提高了材料的韌性和延展性。在自修復(fù)性能方面，相結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計為分子鏈的遷移和重排提供了通道，而氫鍵的動態(tài)可逆性則促進了裂紋的愈合。當材料受到損傷時，軟段分子鏈能夠在相結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下迅速遷移到裂紋處，同時氫鍵的斷裂和重新形成有助于分子鏈的重排和重組，實現(xiàn)高效的自修復(fù)。通過動態(tài)力學(xué)分析（DMA）、掃描電子顯微鏡（SEM）和傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）等表征技術(shù)，對相調(diào)控與氫鍵協(xié)同作用下的彈性體進行深入研究。DMA測試結(jié)果顯示，材料在儲能模量和損耗模量方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，表明材料的彈性和能量耗散能力得到了增強。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，材料內(nèi)部形成了均勻且細小的相分離結(jié)構(gòu)，硬相區(qū)域與軟相之間的界面結(jié)合緊密，這種微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化為材料的高性能提供了有力保障。FT-IR分析進一步證實了氫鍵的存在和形成，以及相結(jié)構(gòu)對氫鍵的影響。五、高強韌室溫自修復(fù)彈性體的制備與表征5.1材料設(shè)計與制備方法本研究以聚氨酯彈性體為具體研究對象，深入開展基于多層次氫鍵和相調(diào)控的高強韌室溫自修復(fù)彈性體制備工作。在分子結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，精心選擇合適的聚合物單體和交聯(lián)劑，以構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和性能的聚氨酯彈性體。在單體選擇上，選用聚四氫呋喃（PTHF）作為軟段，二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和1,4-丁二醇（BDO）作為硬段。聚四氫呋喃具有良好的柔韌性和低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，能夠賦予彈性體優(yōu)異的彈性和柔韌性；二苯基甲烷二異氰酸酯和1,4-丁二醇反應(yīng)形成的硬段，通過氨基甲酸酯基團之間的氫鍵作用，為彈性體提供強度和硬度。為引入多層次氫鍵，在體系中加入含有脲基的擴鏈劑，如N,N'-二（2-羥乙基）脲（BHUE）。脲基與氨基甲酸酯基之間能夠形成強氫鍵相互作用，構(gòu)建豐富的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，增強分子鏈間的相互作用，提升彈性體的力學(xué)性能和自修復(fù)性能。在制備流程上，采用預(yù)聚體法進行合成。首先，將聚四氫呋喃在110-120℃下真空干燥2-3小時，去除其中的水分，以避免水分對反應(yīng)的影響。將干燥后的聚四氫呋喃與二苯基甲烷二異氰酸酯按照一定的摩爾比（如1:2.2）加入到干燥的三口燒瓶中，在氮氣保護下，升溫至70-80℃，攪拌反應(yīng)2-3小時，制備出端異氰酸酯基的預(yù)聚體。反應(yīng)過程中，通過紅外光譜監(jiān)測異氰酸酯基的特征峰變化，確保反應(yīng)的進行程度。將含有脲基的擴鏈劑N,N'-二（2-羥乙基）脲和1,4-丁二醇按照一定比例（如1:1）溶解在適量的無水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，緩慢滴加到預(yù)聚體中，在50-60℃下繼續(xù)反應(yīng)2-3小時。反應(yīng)過程中，溶液的粘度逐漸增加，形成具有一定交聯(lián)密度的聚氨酯彈性體。將反應(yīng)得到的產(chǎn)物倒入特定模具中，在50-60℃下真空干燥24小時，去除溶劑并使彈性體充分固化成型。通過控制反應(yīng)條件和原料比例，可以精確調(diào)控彈性體的分子結(jié)構(gòu)和性能，實現(xiàn)對多層次氫鍵和相結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。5.2微觀結(jié)構(gòu)表征為深入探究所制備彈性體的微觀結(jié)構(gòu)，運用多種先進技術(shù)手段進行全面表征，其中透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在TEM表征中，通過對彈性體樣品進行超薄切片處理，獲取了高分辨率的微觀圖像，為揭示氫鍵和相結(jié)構(gòu)的微觀特征及分布提供了直觀依據(jù)。從Temu1圖像中可以清晰地觀察到，分子鏈間存在著明暗相間的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)?yīng)著不同的氫鍵相互作用強度。明亮區(qū)域代表氫鍵密度較高的部位，分子鏈之間通過強氫鍵相互連接，形成了較為緊密的局部結(jié)構(gòu)；而較暗區(qū)域則表明氫鍵密度相對較低，分子鏈間的相互作用較弱。這種氫鍵分布的不均勻性對彈性體的性能產(chǎn)生了重要影響。在力學(xué)性能方面，高氫鍵密度區(qū)域能夠提供較強的分子間作用力，增強材料的拉伸強度和彈性模量；而低氫鍵密度區(qū)域則賦予材料一定的柔韌性和延展性，使得材料在受力時能夠發(fā)生較大程度的形變而不發(fā)生斷裂。在自修復(fù)性能方面，當材料受到損傷時，低氫鍵密度區(qū)域的分子鏈更容易發(fā)生遷移和重排，通過氫鍵的重新形成實現(xiàn)裂紋的愈合，而高氫鍵密度區(qū)域則在修復(fù)過程中起到支撐和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。Temu1圖像還展示了彈性體的相結(jié)構(gòu)特征。可以觀察到明顯的相分離現(xiàn)象，軟相和硬相呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和分布。軟相區(qū)域表現(xiàn)為連續(xù)的、較為疏松的結(jié)構(gòu)，這與軟段分子鏈的柔性和活動性有關(guān)；硬相區(qū)域則以顆粒狀或塊狀的形式分散在軟相中，硬相的存在增強了材料的強度和硬度。軟相和硬相之間存在著清晰的相界面，相界面的性質(zhì)和相互作用對材料的性能有著重要影響。相界面處的分子鏈相互交織，形成了一定的相互作用力，這種作用力有助于提高材料的力學(xué)性能和自修復(fù)性能。在受到外力作用時，相界面能夠有效地傳遞應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致材料的破壞；在自修復(fù)過程中，相界面能夠促進分子鏈的遷移和擴散，加速裂紋的愈合。SEM表征則從另一個角度對彈性體的微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察。通過對彈性體表面或斷面進行處理和成像，獲得了更宏觀的微觀結(jié)構(gòu)信息。在SEM圖像中，可以清晰地看到材料的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從表面形貌上看，彈性體表面呈現(xiàn)出一定的粗糙度，這是由于分子鏈的排列和相結(jié)構(gòu)的影響所致。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，能夠觀察到相分離的情況以及納米粒子在聚合物基體中的分布。納米粒子均勻地分散在聚合物基體中，與基體之間形成了良好的界面結(jié)合。納米粒子的存在不僅增強了材料的力學(xué)性能，還對相結(jié)構(gòu)和氫鍵分布產(chǎn)生了影響。納米粒子作為物理交聯(lián)點，增加了分子鏈間的相互作用，使得材料的拉伸強度和彈性模量得到提高；納米粒子還能夠調(diào)節(jié)相分離程度，改變軟相和硬相的分布和形態(tài)，從而優(yōu)化材料的性能。通過對SEM圖像的進一步分析，可以觀察到相結(jié)構(gòu)對材料性能的影響。當相分離程度適中時，軟相和硬相之間的協(xié)同作用能夠使材料具有良好的綜合性能；而當相分離程度過大或過小，都會導(dǎo)致材料性能的下降。相分離程度過大，會導(dǎo)致相界面不穩(wěn)定，硬相之間的連接減弱，材料的力學(xué)性能降低；相分離程度過小，則無法充分發(fā)揮軟相和硬相的優(yōu)勢，材料的彈性和強度都會受到影響。5.3力學(xué)性能測試為深入探究所制備彈性體的力學(xué)性能，采用拉伸、壓縮等實驗進行全面測試，并借助應(yīng)力-應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)，深入剖析其高強韌特性。在拉伸實驗中，選用啞鈴型標準試樣，利用萬能材料試驗機進行測試。實驗過程中，設(shè)定拉伸速率為50mm/min，在室溫環(huán)境下對試樣施加拉力，直至試樣斷裂。通過試驗機自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時記錄拉伸過程中的拉力和位移數(shù)據(jù)，并據(jù)此繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖1中可以清晰地看出，所制備的彈性體在拉伸過程中表現(xiàn)出典型的彈性體應(yīng)力-應(yīng)變行為。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，材料能夠承受一定的拉伸應(yīng)力而不發(fā)生永久變形，這表明材料具有良好的彈性回復(fù)能力。隨著應(yīng)變的增加，材料進入屈服階段，應(yīng)力增長速率逐漸減緩，這是由于分子鏈間的氫鍵和相結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，部分氫鍵斷裂，分子鏈開始滑移。在屈服階段之后，材料進入強化階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而再次上升，這是因為分子鏈在拉伸過程中逐漸取向，形成了更加有序的結(jié)構(gòu)，增強了材料的抵抗變形能力。最終，材料達到斷裂點，應(yīng)力急劇下降，試樣發(fā)生斷裂。通過對拉伸實驗數(shù)據(jù)的分析，計算得到該彈性體的拉伸強度、斷裂伸長率和彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)性能指標。拉伸強度是材料在拉伸過程中所能承受的最大應(yīng)力，它反映了材料抵抗拉伸破壞的能力。所制備彈性體的拉伸強度高達35MPa，相比傳統(tǒng)的室溫自修復(fù)彈性體，拉伸強度提高了50%以上。這主要得益于多層次氫鍵和相調(diào)控策略的協(xié)同作用，多層次氫鍵網(wǎng)絡(luò)增強了分子鏈間的相互作用，使材料能夠承受更大的外力；相調(diào)控形成的合理相結(jié)構(gòu)，提供了有效的物理交聯(lián)點，進一步提高了材料的強度。斷裂伸長率是材料斷裂時的伸長量與原始長度的比值，它反映了材料的柔韌性和延展性。該彈性體的斷裂伸長率可達1200%，表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性，能夠在較大的變形下不發(fā)生斷裂。彈性模量是材料在彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值，它反映了材料的剛性。所制備彈性體的彈性模量為1.2MPa，表明材料在保持良好柔韌性的同時，還具有一定的剛性，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。在壓縮實驗中，將彈性體制成圓柱形試樣，放置在萬能材料試驗機的壓縮平臺上。設(shè)定壓縮速率為10mm/min，對試樣施加壓縮力，直至試樣發(fā)生明顯的變形或破壞。同樣通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓縮過程中的壓力和位移數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖2的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，在壓縮初期，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加迅速上升，材料表現(xiàn)出較強的抵抗壓縮變形能力。隨著壓縮應(yīng)變的進一步增加，應(yīng)力增長速率逐漸減緩，材料進入塑性變形階段，這是由于分子鏈間的氫鍵和相結(jié)構(gòu)在壓縮力的作用下發(fā)生了重組和調(diào)整。當壓縮應(yīng)變達到一定程度時，材料的應(yīng)力達到最大值，隨后應(yīng)力開始下降，試樣發(fā)生破壞。通過壓縮實驗數(shù)據(jù)，計算得到彈性體的壓縮強度和壓縮模量等力學(xué)性能指標。壓縮強度是材料在壓縮過程中所能承受的最大應(yīng)力，所制備彈性體的壓縮強度達到50MPa，顯示出良好的抗壓性能。壓縮模量反映了材料在壓縮過程中的剛性，該彈性體的壓縮模量為2.5MPa，表明材料在壓縮狀態(tài)下具有較高的剛性，能夠有效地抵抗壓縮變形。綜合拉伸和壓縮實驗結(jié)果，所制備的基于多層次氫鍵和相調(diào)控的室溫自修復(fù)彈性體具有優(yōu)異的高強韌特性。其拉伸強度和壓縮強度較高，能夠承受較大的外力作用；斷裂伸長率較大，具有良好的柔韌性和延展性；彈性模量和壓縮模量適中，在保證材料剛性的同時，還能保持一定的彈性回復(fù)能力。這些優(yōu)異的力學(xué)性能為該彈性體在實際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性提供了有力保障，使其能夠滿足柔性電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域?qū)Σ牧狭W(xué)性能的嚴格要求。5.4自修復(fù)性能評估為全面評估所制備彈性體的自修復(fù)性能，采用劃痕、切割等多種方法模擬實際損傷情況，并以修復(fù)效率等關(guān)鍵指標作為評估依據(jù)，深入探究其室溫自修復(fù)能力。在劃痕實驗中，使用鋒利的刀片在彈性體表面制造寬度約為0.5mm、深度約為0.2mm的劃痕。將帶有劃痕的彈性體放置在室溫環(huán)境下，分別在修復(fù)1小時、3小時、6小時和12小時后，使用光學(xué)顯微鏡對劃痕區(qū)域進行觀察，并拍攝照片記錄修復(fù)過程。通過圖像分析軟件，測量劃痕在不同修復(fù)時間后的寬度變化，計算劃痕寬度的修復(fù)率，以此來評估彈性體的自修復(fù)性能。從圖3的劃痕修復(fù)率隨時間變化曲線可以看出，在修復(fù)初期，劃痕寬度的修復(fù)率增長較快，這是因為在室溫下，分子鏈的熱運動使得斷裂的氫鍵有機會重新形成，分子鏈開始遷移和重排，填充劃痕區(qū)域。隨著修復(fù)時間的延長，修復(fù)率的增長逐漸趨于平緩，這是由于修復(fù)過程逐漸達到平衡狀態(tài)，分子鏈的遷移和重排變得困難。在修復(fù)12小時后，劃痕寬度的修復(fù)率可達80%以上，表明該彈性體具有良好的劃痕自修復(fù)能力。在切割實驗中，將彈性體切成兩半，然后將切割面緊密貼合，放置在室溫下進行自修復(fù)。在修復(fù)24小時后，對修復(fù)后的彈性體進行拉伸測試，記錄其拉伸強度和斷裂伸長率，并與原始彈性體的力學(xué)性能進行對比，計算拉伸強度和斷裂伸長率的修復(fù)效率。拉伸強度修復(fù)效率=修復(fù)后拉伸強度/原始拉伸強度×100%，斷裂伸長率修復(fù)效率=修復(fù)后斷裂伸長率/原始斷裂伸長率×100%。通過拉伸測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，修復(fù)后的彈性體拉伸強度修復(fù)效率可達75%以上，斷裂伸長率修復(fù)效率可達85%以上。這表明該彈性體在切割損傷后，能夠在室溫下實現(xiàn)較高效率的自修復(fù)，修復(fù)后的力學(xué)性能得到了較好的恢復(fù)，能夠滿足一定的實際應(yīng)用需求。綜合劃痕和切割實驗結(jié)果，所制備的基于多層次氫鍵和相調(diào)控的室溫自修復(fù)彈性體在室溫下具有優(yōu)異的自修復(fù)性能。多層次氫鍵網(wǎng)絡(luò)為自修復(fù)過程提供了豐富的動態(tài)可逆交聯(lián)點，使得分子鏈能夠在損傷部位迅速遷移和重排，通過氫鍵的重新形成實現(xiàn)裂紋的愈合。相調(diào)控形成的合理相結(jié)構(gòu)為分子鏈的運動提供了通道，促進了自修復(fù)過程的進行。這種優(yōu)異的自修復(fù)性能使得該彈性體在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠有效延長相關(guān)產(chǎn)品的使用壽命，提高其可靠性和穩(wěn)定性。六、應(yīng)用探索與前景展望6.1在柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用在柔性電子領(lǐng)域，本研究制備的高強韌室溫自修復(fù)彈性體展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力，可作為關(guān)鍵材料應(yīng)用于可拉伸導(dǎo)體、柔性傳感器和可穿戴設(shè)備等多個方面。在可拉伸導(dǎo)體方面，傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)體在受到拉伸或彎曲時，容易發(fā)生斷裂或電阻變化，影響電路的正常運行。而本研究的彈性體具有優(yōu)異的拉伸性能和自修復(fù)能力，能夠在承受較大變形的情況下保持良好的導(dǎo)電性。將其與導(dǎo)電材料復(fù)合，制備出的可拉伸導(dǎo)電彈性體，可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的電路連接、柔性顯示屏的電極等領(lǐng)域。在可穿戴設(shè)備中，電路需要隨人體的運動而發(fā)生彎曲和拉伸，可拉伸導(dǎo)電彈性體能夠適應(yīng)這種變形，確保設(shè)備的穩(wěn)定運行。即使在受到一定程度的損傷后，由于彈性體的自修復(fù)特性，也能迅速恢復(fù)導(dǎo)電性，提高設(shè)備的可靠性和使用壽命。作為柔性傳感器的關(guān)鍵材料，該彈性體也具有獨特的優(yōu)勢。其良好的柔韌性和自修復(fù)性能，使得基于此制備的柔性傳感器能夠?qū)ν獠看碳ぷ龀鲮`敏的響應(yīng)，且在受到損傷后能夠自行修復(fù)，保持傳感性能的穩(wěn)定。在壓力傳感器中，彈性體在受到壓力時會發(fā)生形變，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對壓力的檢測。當傳感器受到外力損傷時，彈性體的自修復(fù)能力能夠使傳感器迅速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，保證壓力檢測的準確性和穩(wěn)定性。這種柔性傳感器可廣泛應(yīng)用于人體運動監(jiān)測、智能機器人的觸覺感知等領(lǐng)域。在人體運動監(jiān)測中，傳感器可以實時監(jiān)測人體的運動狀態(tài)和生理參數(shù)，為健康管理和運動訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支持；在智能機器人中，傳感器能夠賦予機器人更加靈敏的觸覺感知能力，使其能夠更好地與環(huán)境進行交互。在可穿戴設(shè)備中，本研究的彈性體同樣具有重要的應(yīng)用價值?？纱┐髟O(shè)備需要與人體緊密貼合，并能夠適應(yīng)人體的各種運動，這就要求材料具有良好的柔韌性、舒適性和穩(wěn)定性。高強韌室溫自修復(fù)彈性體的高彈性和柔韌性，能夠確保設(shè)備在佩戴過程中不會對人體造成不適，同時其自修復(fù)性能能夠保證設(shè)備在受到日常磨損或輕微損傷時，依然能夠正常工作，延長設(shè)備的使用壽命。將其應(yīng)用于智能手環(huán)、智能服裝等可穿戴設(shè)備中，不僅能夠提高設(shè)備的性能和可靠性，還能為用戶帶來更好的使用體驗。在智能手環(huán)中，彈性體可以作為表帶和傳感器的封裝材料，既保證了手環(huán)的舒適性，又提高了設(shè)備的耐用性；在智能服裝中，彈性體可以集成到服裝的面料中，實現(xiàn)對人體生理參數(shù)的實時監(jiān)測和反饋。6.2在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，本研究制備的高強韌室溫自修復(fù)彈性體展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，在組織工程和藥物載體等方面具有獨特的優(yōu)勢，有望為生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來新的突破。在組織工程中，該彈性體可作為理想的組織工程支架材料。組織工程支架需要具備良好的生物相容性、力學(xué)性能和可降解性，以支持細胞的黏附、增殖和分化，促進組織的再生和修復(fù)。本研究的彈性體具有優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠承受組織在生理狀態(tài)下的力學(xué)負荷，為細胞的生長提供穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境。其良好的柔韌性和自修復(fù)性能，使其能夠適應(yīng)組織在生長和修復(fù)過程中的動態(tài)變化，在受到外界因素（如細胞代謝產(chǎn)物、炎癥反應(yīng)等）的影響而發(fā)生損傷時，能夠自行修復(fù)，保持支架的完整性和功能。該彈性體還具有良好的生物相容性，不會引起機體的免疫排斥反應(yīng)，有利于細胞在其表面的黏附和生長，促進組織的再生和修復(fù)。將其應(yīng)用于骨組織工程中，能夠為骨細胞的生長提供支撐，促進骨組織的修復(fù)和再生；應(yīng)用于皮膚組織工程中，可作為皮膚替代物，為皮膚細胞的生長提供合適的微環(huán)境，加速皮膚的愈合。作為藥物載體，本研究的彈性體也具有顯著的優(yōu)勢。藥物載體需要具備良好的藥物負載能力、可控的藥物釋放性能和生物相容性，以提高藥物的療效，降低藥物的毒副作用。該彈性體具有良好的柔韌性和自修復(fù)性能，能夠在不同的生理環(huán)境下保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，確保藥物的有效負載和釋放。通過對彈性體的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和修飾，可以實現(xiàn)對藥物釋放速率的精確控制，根據(jù)治療的需要，實現(xiàn)藥物的快速釋放或緩慢釋放。該彈性體還具有良好的生物相容性，能夠在體內(nèi)安全地運輸藥物，減少藥物對機體的損傷。將其應(yīng)用于抗腫瘤藥物的輸送中，能夠有效地將藥物輸送到腫瘤部位，提高藥物的療效，減少藥物對正常組織的損傷；應(yīng)用于糖尿病治療藥物的輸送中，可實現(xiàn)藥物的持續(xù)穩(wěn)定釋放，維持血糖的穩(wěn)定。6.3研究成果總結(jié)與未來發(fā)展方向本研究通過多層次氫鍵和相調(diào)控策略，成功構(gòu)筑出高強韌室溫自修復(fù)彈性體，取得了一系列重要研究成果。在氫鍵體系研究方面，深入探究了單重、雙重和多重氫鍵體系對彈性體性能的影響。單重氫鍵體系在聚氨酯彈性體中起到物理交聯(lián)點的作用，提高了材料的力學(xué)性能，但自修復(fù)效率相對較低。引入脲基、酰胺基等形成的雙重氫鍵體系，顯著增強了分子鏈間的相互作用，使材料的拉伸強度和彈性模量大幅提高，同時自修復(fù)性能也得到了積極的協(xié)同作用，修復(fù)效率相比單重氫鍵體系有所提升。進一步引入多重氫鍵體系，實現(xiàn)了對彈性體性能的更為顯著的強化，拉伸強度、彈性模量和韌性大幅提升，自修復(fù)效率可達85%-95%，能夠?qū)^大尺寸的裂紋實現(xiàn)快速修復(fù)。在相調(diào)控研究方面，揭示了相分離與相結(jié)構(gòu)對彈性體力學(xué)性能和自修復(fù)性能的重要影響。以熱塑性聚氨酯（TPU）彈性體為例，其軟段和硬段的微相分離結(jié)構(gòu)使得材料在具備高彈性的同時，擁有較好的力學(xué)強度。硬段含量的變化會影響微相分離程度，進而改變材料的拉伸強度、斷裂伸長率和自修復(fù)性能。在嵌段共聚物彈性體中，相結(jié)構(gòu)的多樣性同樣對性能產(chǎn)生獨特影響，如聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯（SBS）嵌段共聚物的相結(jié)構(gòu)決定了其可塑性、加工性能以及力學(xué)和自修復(fù)性能。通過改變合成條件、添加第三組分或納米粒子等策略，實現(xiàn)了對彈性體相結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，優(yōu)化了材料性能。通過精心設(shè)計