在極端低溫環(huán)境下具備優(yōu)異抗沖擊性能和柔韌性的塑料，對(duì)于保障低溫條件下設(shè)備的安全運(yùn)行及人員的生命安全具有重要意義，對(duì)極地探測(cè)、航空航天、交通運(yùn)輸工程等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要支撐作用。然而，開(kāi)發(fā)此類(lèi)高性能塑料仍面臨重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)抗沖擊塑料通常具有較高的鏈剛性和結(jié)晶度，從而賦予其較高的楊氏模量，使其在小變形下即可承受較大沖擊載荷。然而，在低溫環(huán)境下，聚合物鏈段的熱運(yùn)動(dòng)顯著受限，鏈的流動(dòng)性大幅下降，導(dǎo)致材料的韌性與延展性顯著降低，易發(fā)生脆性斷裂，從而嚴(yán)重削弱甚至喪失其抗沖擊性能。近年來(lái)，在塑料中引入可逆的超分子作用力（如氫鍵、配位鍵）作為“犧牲鍵”，為提升其低溫抗沖擊性能提供了新的設(shè)計(jì)策略。這些動(dòng)態(tài)鍵可在外力沖擊時(shí)優(yōu)先斷裂，耗散能量，從而抑制材料的脆性破壞。然而，單一類(lèi)型的超分子作用力通常僅在特定的沖擊速率和狹窄的溫度窗口內(nèi)具備有效的動(dòng)態(tài)解離能力，其在低溫環(huán)境中對(duì)抗沖擊性能的提升作用往往較為有限。因此，亟需突破現(xiàn)有設(shè)計(jì)范式，開(kāi)發(fā)在極低溫條件下同時(shí)具備優(yōu)異韌性、強(qiáng)度和抗沖擊性能的新型塑料，以滿(mǎn)足未來(lái)極端環(huán)境下對(duì)高可靠性抗沖擊材料的迫切需求。

最近，吉林大學(xué)孫俊奇教授課題組通過(guò)可逆交聯(lián)策略，利用不同結(jié)合能的氫鍵及其聚集體交聯(lián)柔性聚四氫呋喃（PTMEG）鏈段，成功制備了一種在極低溫度下具有卓越抗沖擊性能和柔韌性的高強(qiáng)度聚氨酯-脲（PUU）塑料。PUU塑料通過(guò)尿素、2,6-吡啶二甲醇、羥基封端的PTMEG、水（H?O）與二環(huán)己基甲烷-4,4'-二異氰酸酯（HMDI）之間的縮合聚合反應(yīng)合成。PUU中含有三縮脲、脲基、氨基甲酸酯、吡啶等基團(tuán)，它們能夠形成單重、二重或四重氫鍵（圖1）。這些氫鍵聚集形成納米硬相區(qū)，而柔性的PTMEG鏈段則形成軟相區(qū)，兩者相互貫穿，構(gòu)成穩(wěn)定的互穿網(wǎng)絡(luò)。PUU塑料中引入的氫鍵作用力具有多樣的解離與重構(gòu)時(shí)間尺度，結(jié)合能分布寬廣。這種分布特性使材料在面臨不同沖擊頻率及極端低溫條件時(shí)，能夠激活不同類(lèi)型的氫鍵參與能量耗散，從而顯著提升其低溫抗沖擊性能。此外，納米硬相的引入增加了PUU塑料中的自由體積，有效抑制了PTMEG鏈段在低溫下的結(jié)晶行為，從而賦予鏈段較高的運(yùn)動(dòng)性，提升了材料在低溫環(huán)境下的柔韌性。在硬相和軟相的協(xié)同作用下，PUU塑料表現(xiàn)出卓越的強(qiáng)度、低溫柔韌性和抗沖擊能力。在?−50?°C條件下，PUU塑料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂應(yīng)變分別達(dá)到81.1?MPa、133.0?MPa、1.5?GPa和220.9%，其綜合力學(xué)性能可與常溫下高韌性塑料的同類(lèi)指標(biāo)相媲美。更為突出的是，在−50?°C下，厚度為0.3?mm的PUU塑料的最大沖擊抵抗力（MIRF）和沖擊能量分別高達(dá)667.8?N和3.8?J，顯著優(yōu)于常用商用抗沖擊塑料在室溫下的表現(xiàn)。此外，該材料在−196?°C下暴露12小時(shí)后仍保持良好的柔韌性，展現(xiàn)出優(yōu)異的極端低溫適應(yīng)能力。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，作者以丁二醇（BDO）替代水，與尿素、2,6-吡啶二甲醇、羥基封端的PTMEG及HMDI反應(yīng)，合成了不含脲基氫鍵但同樣具有雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)的PUU-BDO塑料。該塑料在−50?°C沖擊條件下發(fā)生脆性斷裂。對(duì)比結(jié)果表明，具有寬結(jié)合能分布的氫鍵交聯(lián)位點(diǎn)對(duì)于塑料在低溫環(huán)境下保持超高強(qiáng)度、韌性及抗沖擊性能起到關(guān)鍵作用。

在PUU塑料中，氫鍵基團(tuán)被限域在納米硬相區(qū)域，并被疏水的軟相區(qū)包裹，形成疏水微環(huán)境，從而賦予PUU塑料優(yōu)異的耐水性。PUU塑料在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和強(qiáng)電解質(zhì)溶液中浸泡24 h后，力學(xué)性能幾乎未發(fā)生變化，顯示出良好的耐水性。得益于氫鍵的可逆性，PUU塑料還具備優(yōu)異的自修復(fù)與可循環(huán)利用能力；修復(fù)或重復(fù)加工后的樣品，其力學(xué)性能與原始材料相同。

綜上所述，孫俊奇團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種在極低溫環(huán)境下仍展現(xiàn)出前所未有的抗沖擊性、高強(qiáng)度與高韌性的聚氨酯-脲塑料。該研究證實(shí)，通過(guò)在塑料中構(gòu)筑具有寬結(jié)合能分布的氫鍵交聯(lián)位點(diǎn)作為吸收沖擊能量的犧牲鍵，是開(kāi)發(fā)適用于極端低溫場(chǎng)景抗沖擊塑料的有效策略，為研制面向極端環(huán)境的高性能聚合物材料開(kāi)辟了新途徑。該類(lèi)材料在航空航天、深空探測(cè)、極地探索及低溫儲(chǔ)存等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究以“Ultra-Tough Poly(Urea-Urethane) Plastics with Superior Impact Resistance for Cryogenic Applications”為題發(fā)表最新出版的《Advanced Materials》上。吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孫俊奇教授為本文通訊作者，博士生王文杰為本文第一作者。相關(guān)研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目資助。

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