重点实验室金勇课题组开发了一种基于三重动态键的可见光响应型、室温快速自修复、机械性能优异、抗菌的水性聚氨酯
点击数：132025-03-24 00:00:00 来源: 四川大学 皮革化学与工程教育部重点实验室
尽管室温自修复水性聚氨酯材料的研究取得了快速进展，但在赋予水性聚氨酯快速自修复能力的同时保持其优异的机械性能仍然是一个巨大的挑战。
近日，四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室金勇教授团队提出了一种分子结构设计策略，开发出一种含有三重动态键（二硒键、多重氢键和 Zn(II)-羧酸根配位键）的可见光响应型、室温自修复、抗菌的水性聚氨酯（DMZWPU）。这种创新方法有效平衡了材料的拉伸应力、断裂韧性与自修复能力。得益于三种动态键的协同作用，DMZWPU 薄膜的拉伸应力达到 40.32 MPa，断裂韧性达到 119.29 MJ/m³。此外，基于三种动态键的动态特性以及微量乙醇和可见光的双重诱导，受损的DMZWPU薄膜可在室温下 2 小时内恢复超过 85% 的拉伸应力。这些性能优于大多数已报道的室温自修复聚合物（修复效率 >80%）。由于硒和锌离子的协同作用，DMZWPU 薄膜展现出优异的抗菌性能（24 小时内杀菌率达到 100%）。最后，DMZWPU 乳液被有效地应用于皮革涂饰工艺，结果表明 DMZWPU 涂层具有优异的抗折叠性、耐磨性以及室温自修复功能，同时增强了防水性和干摩擦性。总之，本研究为开发具有高机械性能和室温快速自修复能力的水性聚氨酯提供了新的思路。相关研究成果发表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
图文解析
图 1：DMZWPU 薄膜的制备过程。
图 2：(a) DWPUx、DMWPUy和 DMZWPU 乳液的光学图像。(b) DWPUx、DMWPUy 和 DMZWPU 乳液的粒径分布曲线。(c) DMZWPU 乳液的形貌图像。
图 3：(a) DMZWPU 薄膜在可见光区域（400−800 nm）的透光率及其光学图像。(b) DWPU3 薄膜的 ¹H NMR 谱图。(c) DWPU3 和 DMWPUy 薄膜的 FT-IR 谱图。(d) DMWPU2 和 DMZWPU 薄膜的 FT-IR 谱图。(e) DMZWPU 薄膜的 EDS 映射图。(f) DWPUx、DMWPUy和 DMZWPU 薄膜的 DSC 曲线。(g) DWPU0、DWPU3、DMWPU2和 DMZWPU 薄膜的 TG 曲线和 (h) DTG 曲线。
图 4：(a) DWPUx 薄膜的代表性应力-应变曲线。(b) DWPU0 和 DWPUx 薄膜的拉伸应力和断裂伸长率的直方图。(c) DMWPUy 薄膜的代表性应力-应变曲线。(d) DMWPUy 薄膜的拉伸应力和断裂伸长率的直方图。(e) DWPU3 和 DMWPUy 薄膜红外光谱中羰基区域的拟合结果。(f) DWPU3 和DMWPUy 薄膜的 3D 和 2D AFM 高度图像。
图 5：(a) DMZWPU 薄膜的代表性应力-应变曲线。(b) DMZWPU 薄膜的拉伸应力、断裂伸长率和断裂韧性直方图。(c) DMZWPU 薄膜的 3D AFM 高度图。(d) DMZWPU 薄膜红外光谱中羰基区域的峰拟合结果。(e) DMZWPU 薄膜（尺寸：50 mm × 4 mm × 0.5 mm）提起一个 5 kg 哑铃。(f) DMZWPU 薄膜被拉伸至原始长度的 700%。
图 6：(a) DWPU0、DWPU3、DMWPUy 和DMZWPU 薄膜在 400% 应变下的循环拉伸应力-应变曲线和 (b) 对应的耗散能量。(c) DMZWPU 薄膜在不同应变（200%、400%、600%）下的循环拉伸应力-应变曲线和 (d) 对应的耗散能量和能量耗散率。(e) DMZWPU 薄膜经过 10 次连续循环拉伸过程后和在室温下松弛 24 小时后的应力-应变曲线。(f) 未拉伸和拉伸 600% 的 DMZWPU 薄膜的 XRD 曲线。(g) DMZWPU 薄膜的增强和增韧机制。
图 7：(a) DMZWPU 薄膜的自修复过程。(b) 修复前后 DMZWPU 薄膜表面微裂纹的显微照片。(c) 修复后的 DMZWPU 薄膜可以提起 5 kg 哑铃。(d) 修复后的 DMZWPU 薄膜可以拉伸至原始应变的 700%。(e) DMZWPU 薄膜在不同修复时间下的应力-应变曲线。(f) DMZWPU 薄膜在不同修复时间下的自修复效率。(g) 不同条件下 DMZWPU 薄膜的自修复效率。(h) DMZWPU 样品与已报道的室温自修复聚合物（修复效率 >80%）在拉伸应力、韧性和修复时间方面的比较（详细数据见表 S1）。
图 8：(a) 经DWPU0、DWPU3、DMWPU2 和DMZWPU 薄膜处理后，E. coli 和 S. aureus 在琼脂平板上存活的光学图像。(b) DWPU0、DWPU3、DMWPU2 和DMZWPU 薄膜对 E. coli 和 S. aureus 的抗菌率 (%)。(c) DMZWPU 薄膜的抗菌机制示意图。
图 9：(a) 经DMZWPU 乳液涂饰后的皮革样品。(b) 涂饰前后的皮革样品经过磨损测试。(c) 涂饰前后的皮革样品经过弯曲测试。(d) 皮革涂层表面划痕的室温自修复行为。(e) DWPUx、DMWPUy 和DMZWPU 薄膜样品的水接触角和 (f) 吸水率 (%)。(g)用不同 WPU 样品涂饰后的皮革的物理和机械性能。