Biomineralization-Inspired Ultra-tough and Robust Self-healing Waterborne Polyurethane Elastomers

生物矿化 弹性体 聚氨酯 结晶 韧性 材料科学 纳米复合材料 纳米晶 原位聚合 制作 复合材料 延伸率 化学工程 断裂韧性 纳米技术 高分子 粘附 Crystal(编程语言) 混合材料 纳米颗粒 压力(语言学) 材料设计 原位 矿物 位阻效应 聚合物
作者
Chaoqun Wu,De‐xiang Sun,Xiaodong Qi,Jing‐hui Yang,Sheng Dai,Yong Wang
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:58 (19): 10567-10579 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.5c01664
摘要

Creating materials that exhibit properties analogous to biological muscles, such as toughness, strength, elasticity, and self-healing capabilities, presents a significant challenge. Here, inspired by the biomineralization process in which macromolecules regulate mineral crystal assembly, we propose a strategy to induce in situ crystallization and assembly of minerals using ice-controlled media. This approach enables the fabrication of waterborne polyurethane (WPU) elastomers with exceptional mechanical performance (including an unprecedented toughness of approximately 1.9 GJ m–3, remarkably high fracture stress of around 65 MPa, and extraordinary elongation at break reaching 6215%), as well as rapid self-healing capability (with matrix recovery and mineral reconstruction occurring within only 4 min). During the crystallization and assembly of minerals, the steric hindrance provided by WPU and tannic acid (TA) effectively regulates mineral crystal growth, while the cross-linking interaction between WPU and TA facilitates the in situ assembly of inorganic mineral nanocrystals into flower-like architectures. This synergistic process ultimately results in the formation of an organic–inorganic embedded structure within the WPU matrix. Moreover, this unique structural design establishes a novel theoretical framework for understanding the stress dissipation mechanisms of WPU elastomers under external forces. In summary, this work presents an innovative strategy for fabricating WPU elastomers with high mechanical performance and offers in-depth insights into the structural principles that underpin their exceptional mechanical performance.
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