Chem. Mater. | 单组分自修复聚脲防护材料

通讯作者 ： 马春风，张广照， 华南理工大学材料科学与工程学院

作者 ： Zhipeng Zhang (张志鹏)，Lu Qian (钱露)，Jianfeng Cheng (成建沣)，Qingyi Xie (谢庆宜)，Chunfeng Ma (马春风)，Guangzhao Zhang (张广照) 

聚脲因其具有良好的机械强度、韧性和冲击硬化行为而被广泛用于冲击防护领域。然而，异氰酸酯与氨基的反应速率非常快，几秒内就会凝胶化。因此，聚脲的合成需要严苛的反应条件（如低温，大量的极性溶剂，缓慢地滴加等）。工业上往往采用特定喷涂机实现原位形成聚脲，然而该方法存在施工场景受限、结构调控性差、功能化单一等问题。为降低反应速度，可以通过使用仲胺与异氰酸酯基团反应来降低活性，由此产生的仲胺-聚脲与伯胺-聚脲相比，氢键密度降低，其机械强度也大幅度下降。到目前为止，在不损失聚脲机械强度的情况下，如何减缓聚脲的反应速率仍然是一个巨大的挑战。

近日， 华南理工大学海洋工程材料团队 设计合成了一种可大规模制备的单组分自修复聚脲防护材料。首先通过脂肪族伯胺与异丁醛的希夫碱反应合成了潜伏型封闭氨。然后，它们直接与异氰酸酯组分混合。这种混合物在密闭条件下是不固化的，但在应用中一旦接触湿气就会触发固化。因此，它被称为单组分聚脲。该聚脲材料表现出优异的室温自修复特性，愈合效率高达98%。同时，它具有很好的抗穿刺性，被尖锐物体刺穿的位移高达15.1厘米。此外，该聚脲还表现出优异的抗冲击性和耗散能量的能力并展现出显著的冲击硬化行为。该单组分聚脲可以被复合到Kevlar织物中，形成一种柔性的抗穿刺软质装甲；并与碳纳米管相结合，形成柔性可穿戴的应变传感器。有望在智能软材料、软质装甲、可穿戴柔性传感器等领域得到应用。

研究人员选择了聚脲领域中常见的4种伯胺进行单组分聚脲的制备。在席夫碱反应中，醛的活性高于酮，而异丁醛的沸点较低，固化后不会残留在材料中。因此，选择异丁醛来封闭胺，以便在湿气的作用下完全解封。潜伏型封闭氨与基于NCO封端的预聚物（PPGTD）混合，这样的混合物在密封条件下是不固化的。但在湿气存在的情况下，封闭的氨基逐渐解封，与PPGTD固化成膜。从FTIR可以看出封闭的氨基在湿气的作用下逐渐解封。单组分聚脲与潜固化剂可以大量制备并且该聚脲表现出高透明度。