苏州大学严锋教授最新AM：阳离子-π相互作用可大幅增强聚离子液体双网络弹性体的抗冲击性能

抗冲击结构

在自然界中，许多生物体都进化出了可可适应冲击的结构和身体保护机制。抗冲击保护材料通常需要结合高强度和高韧性性能。其中，高模量和高强度可带来更好的承载能力，而高韧性和抗疲劳性则具有高能量吸收特点，直接影响材料的安全性和使用寿命。这两种特性相互作用才能实现优异的抗冲击性。有鉴于此，聚合物由于其重量轻、可加工性、灵活性和可控的韧性，已逐渐成为耐冲击材料的潜在候选者。这其中，双网络（DN）结构已被设计用于吸收和耗散能量。与单网络（SN）凝胶相比，DN具有显著提高的模量、强度和韧性。然而，目前来说DN弹性体的强度和韧性目前不足以抵抗大的冲击载荷。因此，应该设计更出色的增韧策略和能量耗散机制来开发能够抵抗高速冲击和大变形的DN弹性体。

新型机制增强双网络结构的抗冲击性能

近期，苏州大学严锋教授等人通过聚合物网络的多重交联和PIL链的阳离子-π相互作用，构建了坚韧且耐冲击的聚离子液体（PIL）/聚丙烯酸羟基乙酯（PHEA）双网络（DN）弹性体。得益于PIL链中阳离子-π相互作用所实现的强大非共价内聚力，所制备的PIL DN弹性体在高速冲击载荷（5000 s−1）下表现出非凡的抗压强度（95.24±2.49 MPa）和韧性（55.98±0.66 MJ m−3）。不仅如此，合成的PIL DN弹性体结合了强度和灵活性，可保护易碎物品免受冲击。这一策略为下一代安全防护材料领域提供了新的研究思路。相关工作以“Poly(Ionic Liquid) Double-Network Elastomers with High-Impact Resistance Enhanced by Cation-π Interactions”为题发表在Advanced Materials。

【文章要点】

一、阳离子-π相互作用

非共价相互作用在抗冲击聚合物材料中发挥着重要作用，作为消耗能量的牺牲键，赋予材料优越的性能。与氢键、疏水相互作用和离子对等更传统的非共价相互作用相比，阳离子-π相互作用是阳离子和π电子系统之间的静电吸引，越来越被认为是影响许多分子结构和功能的重要非共价结合力。近年来，阳离子-π相互作用被引入聚合物中，以提高其机械性能。基于这一优势，作者认为阳离子-π相互作用可以应用于抗冲击领域。

图1PIL DN的设计制备

因此，在本工作中，作者通过聚合物网络的多重交联和PIL链的阳离子-π相互作用，设计并构建了聚离子液体（PIL）/聚丙烯酸羟乙酯（PHEA）（PIL DN）弹性体（图1）。

二、PIL DN弹性体

在PIL DN中，通过离子单体1-苄基-3-乙烯基咪唑鎓氯化物（[BnIm]Cl）和交联剂聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEDGA）的光聚合制备了第一个交联的聚（离子液体）网络（S1N）。随后，将获得的S1N凝胶浸入在甲醇中的单体HEA（70wt%）的第二网络前体中，由于离子的渗透压，S1N凝胶可以在第二网络前体溶液中显著膨胀，导致最初交织的聚合物链逐渐展开，并在第二次光聚合后，与第二PHEA网络（S2N）相互渗透的，并进一步干燥形成PIL DN弹性体。在该DN结构中，硬脆的S1N提供抗拉强度，并在变形过程中充当内部断裂的“牺牲网络”，从而有效地耗散了能量。韧性S2N的存在则通过相互纠缠放大了S1N的断裂，防止了灾难性的裂纹扩展。更重要的是，在PIL DN弹性体中还观察到了阳离子-π相互作用，这是指[BnVIm]Cl中阳离子中心和相邻分子的苯环π电子云之间的静电相互作用和范德华力叠加。共价交联的S1N中的阳离子-π相互作用使材料表现出较强的非共价内聚力，耗散更多的断裂能，并显著提高共价键断裂阈值。同时，S2N是一种具有共价酯交联反应和氢键的柔性网络，赋予聚合物网络弹性和变形性。两种网络的协同作用使PIL-DN弹性体具有高抗冲击性（图2）。

图2PIL DN弹性体抗冲击作用机制

三、性能与应用

因此，非共价相互作用和DN结构之间的协同作用有助于改善PIL-DN弹性体较差的抗疲劳性能，并赋予材料增强的机械性能，从而耗散更多的能量。因此，PIL DN弹性体表现出高稳定性、拉伸强度（8±0.54 MPa）、韧性（70±2.4 MJ m−3）和抗压性。这些PIL DN弹性体表现出卓越的动态冲击性能，在高速冲击载荷（5000 s−1）下，冲击强度和冲击韧性分别达到了95.24±2.49 MPa和55.98±0.66 MJ m−3。当受到高速冲击时，它们能够耗散冲击能量并保持稳定性。因此，该策略为PIL DN弹性体在抗冲击领域的使用提供了强有力的支持（图3）。

图3PIL DN弹性体的抗冲击应用

结论与展望

在这项工作中，作者开发了集高强度、韧性、拉伸性和抗冲击性于一体的PIL DN弹性体，其由具有阳离子-π相互作用的第一个共价聚（[BnIm]Cl）和具有酯交联的第二个PHEA网络组成。研究显示，PIL DN弹性体优异的抗冲击性来自于阳离子-π相互作用，这增加了共价键断裂阈值。所制备的材料具有很强的非共价内聚力和断裂能耐受性，超过了目前大多数的缓冲材料。此外，作为不含液体的弹性体材料，PIL DN弹性体避免了凝胶基材料在经受大变形时溶剂泄漏的问题。因此，研究认为，PIL-DN弹性体具有优异的力学性能和高抗冲击性，作为冲击防护材料具有广阔的应用前景。

文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202311214

来源：高分子科学前沿

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