Delayed crystallization response-inspired waterborne polyurethane with high performance

聚氨酯 结晶 弹性体 韧性 热塑性聚氨酯 单体 位阻效应 材料科学 机械强度 水溶液 限制 化学工程 高分子科学 聚合物 热塑性弹性体 艾氏冲击强度试验 断裂强度 热塑性塑料 高分子化学 石墨烯 生物高聚物 氢键 增韧 水介质 结晶水 复合材料 结晶度
作者
Chenxi Huyan,Dong Liu,Xiang Han,Dongjie Liu,Dongjie Liu,Ophelia K. C. Tsui,Lei Su,Xuan Qin,Chuncheng Pan,Fei Chen,Liqun Zhang,Fei Chen,Liqun Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 9546-9546 被引量:10
标识
DOI:10.1038/s41467-025-64573-x
摘要

Waterborne polyurethane elastomers (WPUE), synthesized in aqueous solutions, represent a revolutionary sustainable alternative to thermoplastic polyurethane elastomers (TPUE), which are typically produced using organic solvent. This shift significantly reduces VOC emissions. However, WPUE often lacks the mechanical strength of TPUE produced through traditional synthetic methods, limiting its potential as a sustainable option. Here, we introduce a high-performance waterborne polyurethane elastomer that not only aligns with green chemistry principles but also achieves impressive toughness of 0.959GJ/m³ and strength of 81.8 MPa. This breakthrough is made possible by a self-reinforcement mechanism known as the delayed crystallization response, which arises from a dynamic biphase structure engineered with symmetrical monomers and hierarchical hydrogen bonds. During stretching, steric hindrance from hydrophilic segments delays crystallization until a stretch ratio of ~13, causing hard domains to fragment into isolated segments. Once the stretch ratio exceeds 20, co-crystallization occurs as hard and soft segments align, significantly enhancing both strength and toughness. This development offers a promising green and sustainable alternative to TPUE. Waterborne polyurethane elastomers eliminate the organic solvent emissions encountered in conventional polyurethane production. Here, a high strength and high toughness waterborne polyurethane elastomer was developed, where mechanical properties were enhanced via a delayed crystallisation response process.
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