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  彈性體材料因其優(yōu)越的柔韌性、彈性等優(yōu)點在多種商業(yè)領域存在著廣泛應用。然而在材料的使用過程中，彈性體的老化及損傷等往往會導致資源浪費及安全問題。受自然界生物體啟發(fā)，可以修復結構和功能損傷的自修復材料受到了人們的廣泛關注。然而，目前的自修復彈性體材料多由石油化工產(chǎn)品構筑。為構建可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境友好型社會，科學家們開始致力于在天然產(chǎn)物領域?qū)ふ沂突ゎ愖孕迯蛷椥泽w材料的替代品。此前，有基于呋喃、纖維素以及蛋白質(zhì)等天然產(chǎn)物的自修復彈性體材料被陸續(xù)報道。但是，這些材料往往是力學性能較弱的水凝膠材料或者在修復過程要求額外的刺激，如加熱或者需要溶劑的介入。因此，利用天然產(chǎn)物制備具有優(yōu)異的機械性能并且可以進行快速有效的室溫修復的彈性體材料依然是一種巨大的挑戰(zhàn)。

  針對這一問題，李洋副教授團隊通過對聚合物分子結構進行設計，以油酸及組氨酸為原料制備了可室溫快速修復的自修復彈性體材料，避免了目前自修復彈性體材料多數(shù)以石油化工產(chǎn)品為原料，制備過程容易產(chǎn)生污染等問題。在制備過程中，該團隊以聚油酸為主鏈，修飾以組氨酸基團，隨后加入多種不同金屬離子與組氨酸進行配位交聯(lián)，從而得到了力學性能可控，并具備優(yōu)秀的自修復能力的彈性體材料Mⁿ⁺/POA-His。

圖1. Mⁿ⁺/POA-His的制備過程

  當改變材料中所使用的配位金屬時，配位鍵的強度也會隨之變化。在該工作選用的Zn²⁺ 、Cu²⁺ 、Fe³⁺三種不同金屬離子中，使用較弱的Zn²⁺ -組氨酸配位鍵所制得的Zn²⁺/POA-His具有最低的斷裂應力（3.90 MPa）和最高的斷裂應變（231%），與之對比，使用較強的Fe³⁺ -組氨酸配位鍵所制得的Fe³⁺/POA-His具有最高的斷裂應力（5.20 MPa）和最高的拉伸應變（178%）。這都證明了Mⁿ⁺/POA-His的力學性能可通過加入不同配位金屬進行調(diào)控。

  該工作中選擇的體系內(nèi)存在著大量動態(tài)性良好的配位鍵及氫鍵，此外材料較低的Tg和聚合物鏈的枝狀結構也提升了聚合物鏈段的遷移能力。這兩點相結合使得材料具有優(yōu)秀的室溫快速修復能力。以Zn²⁺/POA-His為例，完全斷裂的材料在室溫下接觸10 s便可自發(fā)恢復59%的斷裂強度，并且在1 h內(nèi)可以實現(xiàn)完全修復。而且，這種自修復彈性體材料不僅可以通過熱壓進行多次重塑，還可以通過替換材料中的配位金屬實現(xiàn)材料的循環(huán)回收利用。而且經(jīng)過多次重塑，材料的力學性能基本沒有衰減。這項研究工作為設計環(huán)境友好型自修復彈性體材料提供了一種新策略。

圖2. (a) Mⁿ⁺/POA-His的拉伸應力-應變曲線；Zn²⁺/POA-His在(b)修復及(c)熱壓重塑過程中的拉伸應力-應變曲線；(d) Cu²⁺/POA-His和Fe³⁺/POA-His原始樣品及通過置換金屬回收后的樣品的拉伸應力-應變曲線。

  基于其可控的力學性能和優(yōu)秀的自修復能力，這種材料可以作為自修復補丁應用于不同的環(huán)境。比如，Zn²⁺/POA-His可以修補如氣球等力學性能較弱的彈性材料，而Fe³⁺/POA-His則可以修補輪胎等較強的橡膠材料。即使在使用過程中再次受到損傷，該材料依然可以實現(xiàn)快速修復并恢復其氣密性。

圖3. Mⁿ⁺/POA-His作為自修復補丁在不同環(huán)境下的應用，(a) Zn²⁺/POA-His膜對氣球的修補，(b)Fe³⁺/POA-His膜對自行車內(nèi)胎的修補。

  以上相關成果以“Plant Oil and Amino Acid-Derived Elastomers with Rapid Room Temperature Self-Healing Ability”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上。論文的第一作者為吉林大學化學學院博士生郭文瑾，通訊作者為李洋副教授。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta05102c#!divAbstract