Multifunctional Polyurethane Networks Combining Strength, Toughness, and Fast Autonomous Self-Healing via the Synergy of Multiple Dynamic Bonds

自愈 韧性 材料科学 弹性体 复合材料 聚氨酯 烯烃纤维 聚合物 医学 替代医学 病理
作者
Mohamed Alaa Mohamed,Clayton L. Rumsey,Martin Trebbin,Stelios T. Andreadis
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:35 (16): 6332-6345 被引量:71
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c00914
摘要

Polymeric materials exhibiting concomitant toughness, strength, and autonomous self-healing at room temperature are attractive in many applications. However, the mechanical strength often compromises the self-healing capability, making development of such materials challenging. Here, we developed multifunctional supramolecular polyurethane (PU) based elastomers of high toughness and fast autonomous self-healing capacity at ambient conditions via the synergy of quadruple H-bonds and dynamic boronic ester bonds. The design involves the use of reversible quadruple H-bonding ureido-pyrimidinone (UPy) motifs and soft olefin side chains to endow the elastomer with toughness and chain flexibility to support self-healing. Further cross-linking of the photoreactive olefin groups via dynamic boronic ester bonds by thiol-ene chemistry provided strength while maintaining self-healing at ambient conditions. The resulting elastomers (PU-Ene x ) showed high toughness (42.8 MJ m –3 ), strength (11.1 MPa), notch insensitivity, and high fracture energy (23.6 kJ cm –2 ). Notably, PU-Ene x demonstrated fast self-healing at room temperature, recovering almost 90% of their original toughness within 6 h postinjury. Finally, they also exhibited remarkable adhesive strength (1.0 MPa), high optical transparency, and strong blue fluorescence upon UV irradiation. The work demonstrates the development of a novel, multifunctional PU with outstanding mechanical properties and enhanced self-healing at ambient conditions, enabling an exciting range of new applications.
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