近年來，高強度可修復(fù)聚氨酯彈性體領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了巨大的進展，但其制備過程難以避免使用大量的有機溶劑，對環(huán)境造成極大的負擔。通過向聚氨酯分子鏈中引入親水單體可以賦予其良好的水分散性，制得的水性聚氨酯是一種以水作為主要分散介質(zhì)的環(huán)保材料。推動水性聚氨酯彈性體材料的研發(fā)可減少有機溶劑的使用，對降低環(huán)境污染具有重要意義。然而，賦予聚氨酯材料水分散性的獲取常以犧牲其力學性能為代價，難以滿足潛在應(yīng)用需求。因此，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)力學性能可與溶劑型聚氨酯彈性體相媲美的新型水性聚氨酯彈性體具有非常重要的意義。
扇貝足絲是一種具有高強度高韌性的天然材料，它獨特的多級動態(tài)結(jié)構(gòu)為設(shè)計高強度水性聚氨酯彈性體提供結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路。最近的研究表明，其卓越的力學性能源于扇貝足絲上Sbp5-2 蛋白內(nèi)動態(tài)共價相互作用和動態(tài)非共價相互作用的協(xié)同配合。Sbp5-2 蛋白中含有豐富的氫鍵相互作用，可有效誘導 β-納米晶的產(chǎn)生。Sbp5-2 蛋白上的扭曲二硫鍵還可有效調(diào)節(jié)鏈段構(gòu)象，優(yōu)化氫鍵化程度及其結(jié)合能，從而顯著提高扇貝足絲的力學性能。此外，扇貝足絲中含負電官能團（如羧基）與海水中的金屬離子還可發(fā)生配位作用，增強超分子相互作用和提高可逆交聯(lián)程度，也有助于進一步提高扇貝足絲的力學性能。
受扇貝足絲多級動態(tài)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，大連理工大學蹇錫高院士團隊通過協(xié)同整合動態(tài)二硫鍵、?；被澹ˋSC ）和配位鍵，構(gòu)筑了一種拉伸強度為52.07 MPa ，韌性為 257.40 MJ m-3 的高強度超分子水性聚氨酯彈性體（SWPU-DESH-Zn）。通過向ASC片段中插入二硫鍵有效優(yōu)化了聚氨酯分子鏈間的氫鍵化程度和結(jié)合能，避免了超分子作用的過度堆積，有效地提高了聚氨酯彈性體的能量耗散能力和力學性能。SWPU-DESH-Zn分子鏈中大量的羧基不僅賦予其良好的水溶性，而且羧基還可作為配體與鋅離子配位，從而進一步交聯(lián)和強化彈性體。SWPU-DESH-Zn鏈段間豐富的超分子相互作用不僅有效提高材料的強度和韌性，而且其還賦予彈性體良好的可修復(fù)、可再加工性能。在DMF輔助下，將切斷的樣品在50℃條件下加熱6小時，材料即基本回復(fù)原始力學強度。將破碎的樣品在110℃下熱壓15分鐘，樣品即可回復(fù)原狀。這種超分子水性聚氨酯彈性體可與導電離子液體混合形成高度敏感的離子皮膚，也可與碳纖維織物層壓復(fù)合制備高強度、可回收的電磁屏蔽材料，在實際應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。本文的仿生策略為構(gòu)筑高強度可修復(fù)的超分子水性聚合物提供了有益的借鑒。
圖1 (a) 扇貝足絲的多級動態(tài)結(jié)構(gòu), (b) 超分子水性聚氨酯彈性體的化學結(jié)構(gòu)
圖2 超分子水性聚氨酯分散體及其彈性體的結(jié)構(gòu)表征
圖3 超分子彈性體的力學性能表征
圖4 SWPU-DESH-Zn的強韌化機理
圖5 SWPU-DESH-Zn的修復(fù)和再加工
圖6 聚氨酯基離子皮膚的應(yīng)變傳感性能
圖7 將SWPU-DESH-Zn與碳纖維織物復(fù)合制備高性能電磁屏蔽材料
