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玻璃態(tài)超分子聚合物網(wǎng)絡問世

前言：為何關注玻璃態(tài)SPNs？

超分子聚合物網(wǎng)絡（SPNs）因其動態(tài)交聯(lián)特性，一直是高分子領域的研究熱點。然而，這類材料在實現(xiàn)高壓縮強度與自恢復能力的同時，常因交聯(lián)點解離速率過快而導致性能局限。

英國劍橋大學Melville高分子合成實驗室的研究者們提出了一種延緩交聯(lián)點解離的材料設計新策略，他們通過調控交聯(lián)點的解離動力學（kd<1s-1），成功將SPNs從橡膠態(tài)推向玻璃態(tài)。與傳統(tǒng)橡膠態(tài)SPNs相比，玻璃態(tài)SPNs在室溫下展現(xiàn)出更高的模量與更優(yōu)異的耐壓性能，填補了領域內的一大空白。

一

制備方法

玻璃態(tài)超分子聚合物網(wǎng)絡（SPNs）的制備通過精確的分子設計與控制完成。

首先，采用葫蘆[8]脲作為主客體作用的核心，設計全氟苯基（5FBVI）和功能化取代苯基（RBVI）交聯(lián)劑。即通過在水相介質中將丙烯酰胺（95 mol%）與2.5 mol%的非共價交聯(lián)劑（5FBVI-CB[8]-RBVI）混合，加入光引發(fā)劑I-2959，形成均勻溶液。然后，將溶液注入特制的玻璃模具，在氮氣保護下去除溶解氧，以避免聚合過程中自由基的猝滅。在紫外光（波長350 nm，光強4.8 mW/cm2）照射下，經(jīng)過6小時的光聚合反應，生成具有高分子量且均勻的SPNs。將聚合物網(wǎng)絡小心移出模具后，用特定切割工具加工成實驗所需的形狀和尺寸，如圓柱體或啞鈴形試樣。

這種制備工藝不僅確保了SPNs的高質量和可重復性，還為后續(xù)力學表征與應用測試奠定了基礎。

a. RBVI二級客體分子結構。
b. NVI、ClBVI和BVI滴定至5FBVI-CB[8]的典型ITC曲線
c. NVI與5FBVI-CB[8]結合的kinITC曲線及擬合
d. log Keq 與 log P 的關系圖
e. log kd 與 log P 的關系圖
f. α-CD、β-CD雙元復合物與CB[8]-三元復合物log Keq 和 log kd 的比較

二

性能表征

動力學與熱力學分析

通過等溫滴定量熱法（ITC）測量發(fā)現(xiàn)RBVI的疏水性增強可顯著降低解離速率，并提高結合常數(shù)。實驗結果表明，材料的粘彈性及模量與交聯(lián)點的動力學特性呈顯著相關性。

動態(tài)機械性能

采用時間-動力學超疊加（TKS）分析，得出了SPNs在頻率-模量關系上的玻璃態(tài)特性。與傳統(tǒng)橡膠態(tài)SPNs相比，玻璃態(tài)SPNs展現(xiàn)出顯著提升的存儲模量（G′）和損耗模量（G′′）。

壓縮強度測試

單次壓縮實驗：SPNs在93%應變下表現(xiàn)出高達100 MPa的壓縮強度，且無斷裂現(xiàn)象。

多循環(huán)壓縮實驗：通過12次循環(huán)測試，材料實現(xiàn)快速自恢復（恢復時間小于120秒），應力-應變曲線幾乎完全重疊，體現(xiàn)其優(yōu)異的耐久性。

實際應用展示

車輪壓縮測試：以1,200 kg的車輛進行反復碾壓，材料無任何斷裂或不可逆變形。

壓力傳感器性能：設計基于SPNs的穹頂狀結構傳感器，展現(xiàn)了2.5 MPa范圍內的高靈敏度與實時響應能力。

三

總結與展望

玻璃態(tài)超分子聚合物網(wǎng)絡的問世，不僅解決了現(xiàn)有SPNs在壓縮性能上的瓶頸，也為高性能軟材料的設計提供了理論和方法上的指導。憑借其動態(tài)可調的機械性能，這一材料有望在以下領域大放異彩：

軟體機器人：作為柔性驅動與支撐材料。

組織工程：應用于人工軟骨與肌肉替代。

柔性電子：在可穿戴設備與智能傳感領域具有重要潛力。

參考文獻：Huang, Zehuan, et al. "Highly compressible glass-like supramolecular polymer networks." Nature materials 21.1 (2022): 103-109.