熱固性塑料因其共價交聯的網絡結構而具有優異的力學性能和尺寸穩定性，已在高性能塗層和航空材料等領域展現出重要的應用價值。然而，共價交聯的網絡結構也使得熱固性塑料難以再加工及循環利用，使用後廢棄的熱固性塑料造成了嚴重的資源浪費和環境汙染。如何構築可循環再生的交聯聚合物材料仍是有待解決的重要問題。
在國家自然科學基金委的支持下，清華大學化學系張希教授、徐江飛副研究員課題組通過超分子單體的共聚合，向交聯聚合物的主鏈中引入低含量的四重氫鍵基元，成功地製備了高力學性能、可多次循環再生的交聯超分子聚脲材料。參見Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000096.
圖1 交聯超分子聚脲的製備與循環再生示意圖
如圖1a所示，通過四重氫鍵連接的超分子二胺單體、共價二胺單體、三胺交聯劑與異氰酸酯單體共聚合，製備了交聯超分子聚脲。其中，三胺交聯劑用以保證材料的力學強度和交聯網絡的完整性。四重氫鍵基元的引入則使得交聯網絡在加熱時得以動態重組，具備了可循環再生的性能（圖1b）。此外，低含量的四重氫鍵基元不僅幾乎不影響材料的耐溶劑性，並且顯著地提升了材料的韌性。如圖2a所示，含有9.7%摩爾量四重氫鍵基元的交聯超分子聚脲具有74.17 MJ/m3的高韌性，相較於共價交聯聚脲提升了近120倍，同時依然保持了對多種溶劑的耐受性（圖2b）。更重要的是，該材料在經過5次粉碎-熱壓再加工循環後，其斷裂應力、斷裂伸長率、楊氏模量等力學性能均保持在初始性能的95%以上（圖2c），展現出優異的可循環再生性能。
圖2 a) 共價交聯聚脲和交聯超分子聚脲的韌性; b) 共價交聯聚脲和CSPU-0.097UPy的耐溶劑性能; c) CSPU-0.097UPy多次循環再生的應力-應變曲線
交聯超分子聚脲材料融合了交聯聚合物的優良力學性能與超分子聚合物的動態可逆性質。這一引入非共價鍵基元的策略為交聯聚合物材料的循環再利用提供了新的思路，未來有望應用於橡膠、環氧樹脂等熱固性材料，發展可再生的交聯超分子聚合物材料體系。
來源：清華大學
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000096