近日，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院國家膠體材料工程技術(shù)研究中心王旭教授課題組在硬度可調(diào)超韌熱塑性彈性體研制方面取得重要突破。針對傳統(tǒng)彈性體難以兼顧高硬度和高韌性的難題，該團(tuán)隊創(chuàng)新性地引入“混合軟段”方法，基于其前期研發(fā)的超韌超分子聚（氨酯-脲）(SPUU) 彈性體，成功實現(xiàn)了材料硬度的精確調(diào)控，并保持了卓越韌性。相關(guān)研究成果以“Hybrid Soft Segments Boost the Development of Ultratough Thermoplastic Elastomers with Tunable Hardness”為題，發(fā)表在國際權(quán)威期刊Advanced Materials（IF = 27.4）上。文章通訊作者為王旭教授、研究中心助理研究員孫楠，第一作者為研究中心博士研究生張興雪，山東大學(xué)為唯一通訊作者單位。
硬度是衡量材料抵抗變形能力的重要指標(biāo)，對彈性體的適用性至關(guān)重要。高硬度彈性體，如邵氏硬度高于85A的材料，常用于制造航空母艦甲板緩沖墊和工業(yè)零部件，而低硬度彈性體（邵氏硬度低于60A）則適用于減震墊和密封件。然而，傳統(tǒng)方法在提高彈性體硬度的同時，往往會犧牲其韌性。
圖1. 不同硬度調(diào)控策略下彈性體的硬度和韌性變化示意圖
目前，研究者們主要選擇兩種方法來調(diào)節(jié)彈性體的硬度：一是調(diào)節(jié)軟硬段的比例，二是調(diào)整軟段分子量。然而，這些方法都難以在保證高硬度的同時，維持良好的韌性。這表明在開發(fā)無需犧牲韌性即可調(diào)節(jié)硬度的方法方面仍存在巨大差距。在這種背景下，制備超強(qiáng)韌且硬度可調(diào)的彈性體變得尤為重要。
圖2. 調(diào)控彈性體硬度的三種方法及采用混合軟段法得到的軟硬彈性體性能展示
該工作通過選擇性共聚不同分子量的聚四亞甲基醚二醇，從分子水平上設(shè)計了SPUU彈性體，這些彈性體在保持良好韌性的同時，涵蓋了廣泛的硬度范圍。研究結(jié)果表明，通過這種新型方法制備的彈性體，硬度范圍可覆蓋56A至95A。其中，一種邵氏硬度高達(dá)86A的材料，展現(xiàn)出了819 MJ/m3的拉伸韌性和6.1 MJ/m2的沖擊強(qiáng)度，性能比傳統(tǒng)耐沖擊聚合物材料高出2.8倍。而另一種邵氏硬度為59A的軟彈性體，則展現(xiàn)出786 MJ/m3的拉伸韌性，以及優(yōu)異的阻尼和防滑性能。
圖3. 熱塑性彈性體的分子結(jié)構(gòu)組成及其可擴(kuò)展合成過程
該項研究不僅在材料性能上實現(xiàn)了突破，還在生產(chǎn)工藝上進(jìn)行了優(yōu)化。研究人員使用基本實驗室設(shè)備建立了一條可擴(kuò)展的合成生產(chǎn)線，用于生產(chǎn)可自修復(fù)和可回收的SPUU彈性體，解決了溶劑型生產(chǎn)工藝的高能耗問題。據(jù)預(yù)測，全球熱塑性彈性體市場規(guī)模將在2028年達(dá)到354億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)5.6%。該項研究成果的發(fā)布，將進(jìn)一步推動熱塑性彈性體在汽車、建筑、鞋類等領(lǐng)域的應(yīng)用。
王旭課題組立足服務(wù)國家綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，聚焦可持續(xù)超分子聚合物的可控合成及構(gòu)效關(guān)系研究，并取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究論文發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等期刊, 部分技術(shù)成果已轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)杰出青年基金的資助。部分研究得到李寧（中國）體育用品有限公司的幫助。
