Room-temperature self-healing supramolecular polyurethanes based on the synergistic strengthening of biomimetic hierarchical hydrogen-bonding interactions and coordination bonds

材料科学 氢键 自愈 韧性 超分子化学 超分子聚合物 聚合物 自愈材料 弹性体 复合材料 纳米技术 模数 化学工程 合理设计 分子 化学 有机化学 医学 工程类 病理 替代医学
作者
Jing Xu,Xiaoyue Wang,Xinrui Zhang,Yaoming Zhang,Zenghui Yang,Li Song,Liming Tao,Qihua Wang,Tingmei Wang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:451: 138673-138673 被引量:273
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.138673
摘要

Developing a new generation of polymeric materials that integrate robust mechanical properties with ultra-high self-healing efficiency at ambient temperature remains a formidable challenge due to the proverbial trade-offs among strength, toughness, and self-healing ability. Herein, inspired by biological systems (titin protein molecular structure and Nereis jaws), a series of updated supramolecular polyurethanes have been successfully synthesized by incorporating hierarchical hydrogen-bonding motifs into the polymer matrix and subsequently coordinated with Zn2+ ions. Relying on collaborative reinforcement of optimized hierarchical hydrogen bonds and metal-ligand coordination bonds, the resulted supramolecular elastomers exhibited a robust strength of ∼14.15 MPa, an excellent toughness of ∼47.57 MJ m−3, and Young’s modulus of ∼146.92 MPa. Benefiting from the rational design of hard domains, high mobility of chains, and the synergistic effect of multiple non-covalent interactions, the mechanical properties are far superior to the previously reported room‐temperature self‐healing materials. In addition, with the structural design of “inner soft and external hard” model, we also fabricated a bilayer polymer film with a gradient distribution that can achieve rapid self-healing, with an unexpectedly high self-healing efficiency of 95% at ambient temperature in 24 h. This work opens up a new avenue for fabricating room-temperature self-healing materials with robust mechanical strength and toughness at the same time.
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