極端低溫環境下的材料脆性問題，長期制約著極地探索、航空航天及低溫工程的發展。傳統抗沖擊塑料在低溫下因聚合物鏈運動受限而變脆，易發生災難性斷裂。盡管近年來非共價相互作用（如氫鍵）被用于提升材料韌性，但如何設計出在深低溫條件下仍保持高抗沖擊性和韌性的塑料，仍是巨大挑戰。

吉林大學孫俊奇教授團隊成功研發出一種超韌聚脲-聚氨酯（PUU）塑料。該材料通過多類型氫鍵（結合能跨度達3.7–38.2 kcal mol?1）交聯柔性聚四氫呋喃醚二醇（PTMEG）鏈，形成雙連續相分離納米結構。在-50°C環境下，其屈服強度達81.1 MPa，斷裂強度133.0 MPa，斷裂伸長率220.9%，沖擊能量吸收達3.8 J（0.3 mm厚度樣品），性能媲美常溫超韌塑料。-196°C液氮中仍保持柔韌性，可承載5 kg重物12小時不破裂。

材料制備與基礎特性

PUU塑料以尿素、2,6-吡啶二甲醇（PY）、PTMEG和二環己基甲烷二異氰酸酯（HMDI）為原料，通過逐步聚合反應合成（圖1a）。溶液澆鑄成型的塑料薄膜（0.3 mm厚，40×30 cm）呈現均勻透明狀態（圖1c），透光率達92.2%（550 nm）。熱分解溫度308.2°C和玻璃化轉變溫度178.6°C表明其優異熱穩定性。

圖1：PUU塑料的制備 a) PUU塑料的合成路線。 b) PUU塑料制備過程示意圖。 c) 厚度0.3 mm、尺寸40 cm × 30 cm的PUU塑料片數碼照片。

低溫抗沖擊與力學性能

在-50°C沖擊測試中，PUU塑料最大沖擊力達667.8 N，沖擊能量3.8 J，遠高于商用聚碳酸酯（PC）的456.3 N/1.9 J（圖2a,c）。PC在低溫下發生脆性斷裂（圖2d-ii），而PUU僅出現韌性穿孔（圖2b-ii）。對比9種商用抗沖擊塑料（如PA、ABS、HDPE），PUU在低溫下的抗沖擊性能全面領先（圖2e）。拉伸測試顯示，-50°C下其韌性保持213.2 MJ m?3（圖2f），動態力學分析（DMA）證實-100°C仍具鏈運動能力（圖2g,h）。

圖2：PUU塑料的抗沖擊性與韌性 a) PUU塑料在25°C和-50°C下的力-位移曲線。 b) PUU塑料在i) 25°C和ii) -50°C沖擊后的損傷形貌數碼照片。 c) PC塑料在25°C和-50°C下的力-位移曲線。 d) PC塑料在i) 25°C和ii) -50°C沖擊后的損傷形貌數碼照片。 e) PUU塑料與商用抗沖擊塑料在25°C和-50°C下的沖擊能量與最大抗沖擊力（MIRF）對比。 f) PUU塑料在不同溫度下的應力-應變曲線。 g) PUU塑料在-100°C、80 MPa應力下持續1小時的蠕變-回復行為。 h) PUU塑料在-100°C下連續7次80 MPa應力加載-卸載循環。 i) PUU塑料條（0.2 mm厚）在液氮（-196°C）中承載5 kg重物12小時。

納米結構與氫鍵設計

小角X射線散射（SAXS）揭示PUU存在17.9 nm周期的雙連續相分離結構（圖3a）。紅外光譜（FTIR）檢測到五類氫鍵化羰基峰（1724–1626 cm?1），證實多元氫鍵交聯網絡（圖3b）。原子力紅外成像（AFM-IR）直觀顯示剛性納米域（氫鍵聚集體）與柔性PTMEG鏈相互貫穿（圖3c），構成“剛柔并濟”的納米骨架（圖3d）。

圖3：PUU塑料的結構表征 a) PUU塑料的一維SAXS圖譜（插圖為對應二維SAXS圖譜）。 b) PUU的C=O伸縮振動區域FTIR光譜。 c) 在1639 cm?1處采集的AFM-IR圖像（亮區：氫鍵化尿素C=O富集的剛性域；暗區：PTMEG鏈）。 d) PUU塑料雙連續相分離結構示意圖。

能量耗散機制

DMA松弛峰（-20.2°C和-69.6°C）表明氫鍵動態解離提升鏈運動性（圖4a）。應變速率頻率疊加實驗證實材料在10??–1013 Hz寬頻域內具備多重能量耗散能力（圖4b）。-50°C循環拉伸顯示，應變增至200%時能耗從9.0 MJ m?3升至103.2 MJ m?3（圖4c,d）。原位X射線證實：拉伸中剛性納米域變形排列（圖4f），且PTMEG鏈無結晶化，維持低溫延展性（圖4e）。

圖4：PUU塑料低溫抗沖擊性與韌性的機理研究 a) 50 Hz頻率下PUU塑料的DMA曲線。 b) PUU塑料的時溫疊加tan δ曲線。 c) -50°C下PUU塑料連續應變遞增的加載-卸載循環曲線（無間歇）。 d) 各循環對應的滯后面積。 e) PUU塑料在25°C（0%應變）與-50°C（0%和200%應變）下的WAXD圖譜。 f) -50°C下PUU塑料在0%和200%應變時的二維SAXS圖譜。

環境穩定性與循環利用

PUU塑料在酸、堿、鹽水中浸泡24小時后力學性能無損（圖5a-c）。氫鍵動態性賦予其自愈能力：斷面經溶劑活化后60°C加熱10小時，愈合效率達100%，可重新承載5 kg重物（圖5d-f）。熱壓回收實驗表明，三次循環再加工后力學性能保持穩定（圖5g,h）。

圖5：PUU塑料的耐水性、自愈性與可回收性 a) PUU塑料在25°C水中、1 M HCl、1 M NaOH及飽和NaCl水溶液中浸泡24小時后的光學照片。 b) 原始PUU塑料與浸泡后（未干燥）樣品的應力-應變曲線。 c) 原始PUU塑料與浸泡干燥后樣品的應力-應變曲線。 d) i) 切割成兩片的PUU塑料；ii) 60°C愈合10小時后的顯微照片。 e) 愈合后的PUU塑料片成功承載5 kg重物的數碼照片。 f) PUU塑料在60°C下愈合不同時間的應力-應變曲線。 g) 熱壓法回收PUU塑料示意圖（紅色楓葉與藍色銀杏為染色塑料再成型）。 h) 熱壓法回收三次的PUU塑料應力-應變曲線。

應用前景

該材料以廉價原料和簡易工藝實現量產，兼具低溫超韌性、自修復性及可回收性，為航天器低溫部件、極地裝備、液氮儲運系統提供了革新性解決方案。孫俊奇團隊提出的“寬譜氫鍵交聯”策略，為設計極端環境高分子材料開辟了新路徑。

來源：高分子科學前沿

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