科研進展
蘭州化物所形狀記憶聚氨酯分子網絡設計和功能化集成研究獲系列進展
聚氨酯（PU）被譽為“第五大塑料”，因其卓越的性能譜系，是不可或缺的“關鍵材質基礎”。然而，現有聚氨酯材料的發展，越來越受到其功能性單一，難以平衡高力學性能與多功能性之間的矛盾以及極端苛刻環境下不穩定的限制，無法滿足實際應用需求。
近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術創新中心聚合物自潤滑復合材料課題組對聚氨酯材料的分子設計、性能突破和功能化集成進行了深入研究，開發出了多種具有巧妙分子設計的多功能形狀記憶聚氨酯材料。
眾所周知，強化學交聯賦予高力學性能但犧牲了動態性與可修復性，而柔性設計利于功能實現卻往往導致強度或者可拉伸性不足。針對這個問題，研究團隊將兩者相結合，通過引入物理交聯和化學交聯，在聚氨酯內部構筑交織網絡結構（ACS Appl. Mater. Interfaces.?16(35) (2024)046822–46833）。具體來說，四重氫鍵能有效的耗散能量，而交織網絡結構則能在外力作用時穩定分子網絡。這種分子網絡設計不僅在提升聚氨酯材料強度的同時，沒有以犧牲彈性為代價，還能賦予聚氨酯動態特性，能實現諸如形狀記憶、自修復和可回收等功能特性。
圖1.?具有交織網絡結構的聚氨酯材料分子設計與性能平衡策略
為探索聚氨酯材料的應用潛力，基于上述研究，研究人員對聚氨酯材料內部分子網絡設計和功能化進行深入研究。為實現材料的導電性，引入更多具有額外極性的極性鍵是一種可能的策略，如碳-氟（C-F）鍵。由于F原子的高電負性，C-F鍵的強靜電性質會增強進入體系的電子極性，這樣陰離子和陽離子可彼此分布得更遠，在聚合物內部移動更自由。基于此，研究人員提出了一種分子工程范式，利用氟的雙重功能在聚氨酯基質中構建空間相關但功能獨立的動態網絡。通過引入含氟擴鏈劑和多氫鍵單元，構建了氟-陽離子相互作用與高密度氫鍵協同的動態網絡，氟的高電負性不僅與封端劑形成離子鍵增強網絡穩定性，還通過偶極相互作用固定陽離子，構建陰離子傳輸通道，保障離子高效遷移。從而成功制備了一種具備超敏感多參數監測功能，可用于極地可穿戴設備形狀記憶聚氨酯材料。
圖2.?材料的分子設計以及極地環境中的應用示意圖
針對極地等極端環境的挑戰，團隊重點測試了材料的低溫耐受性。在-40℃時，材料仍能保持較高的強度、韌性、可拉伸性和離子電導率。此外，該材料表現出負溫度系數行為，在-40℃至-30℃超低溫區間的溫度系數電阻高達8.05% ℃-1，且在連續熱循環測試中表現出良好的穩定性和可重復性，彰顯了其在深冷環境下可靠應用的潛力。
圖3.?材料的耐低溫性能
作為高靈敏、可自修復的“離子皮膚”，該材料在健康監測方面表現卓越。實驗證明，它能精準監測手指、手腕、肘部等關節的不同彎曲動作，并區分深、淺不同的呼吸模式。尤為關鍵的是，當用作心電圖監測電極時，它采集的信號質量符合臨床要求。
圖4.?材料的傳感性能及在健康監測中的應用
這一巧妙的分子設計為極端環境下柔性電子設備的設計提供了新的聚合物工程策略，突破了傳統材料的性能權衡限制。相關成果以“Shape-memory polyurethanes for polar wearables with ultrasensitive multi-monitoring”為題發表在Nature Communications上，蘭州化物所陳天澤博士為論文第一作者，張新瑞研究員和徐靜博士后為共同通訊作者。
以上工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院青年科學家基礎研究項目、中國科學院青年創新促進會、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。
