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，對于保障低溫條件下設備的安全運行及人員的生命安全具有重要意義，對極地探測、航空航天、交通運輸工程等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要支撐作用。然而，開發(fā)此類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。

不過，在低溫環(huán)境下，聚合物鏈段的熱運動顯著受限，鏈的流動性大幅下降，導致材料的韌性與延展性顯著降低，易發(fā)生脆性斷裂，從而嚴重削弱甚至喪失其抗沖擊性能。近年來，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計策略。這些動態(tài)鍵可在外力沖擊時優(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)具備有效的動態(tài)解離能力，其在低溫環(huán)境中對抗沖擊性能的提升作用往往較為有限。因此，亟需突破現(xiàn)有設計范式，開發(fā)在極低溫條件下同時具備優(yōu)異韌性、強度和抗沖擊性能的新型塑料，以滿足未來極端環(huán)境下對高可靠性抗沖擊材料的迫切需求。

圖1 可在極寒環(huán)境中保持超高強度、韌性和優(yōu)異抗沖擊性能的可逆交聯(lián)聚氨酯-脲塑料

最近，吉林大學孫俊奇教授課題組通過可逆交聯(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度聚氨酯-脲（PUU）塑料。PUU塑料通過尿素、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合成。PUU中含有三縮脲、脲基、氨基甲酸酯、吡啶等基團，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。PUU塑料中引入的氫鍵作用力具有多樣的解離與重構(gòu)時間尺度，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，能夠激活不同類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動性，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塑料的屈服強度、斷裂強度、楊氏模量和斷裂應變分別達到81.1?MPa、133.0?MPa、1.5?GPa和220.9%，其綜合力學性能可與常溫下高韌性塑料的同類指標相媲美。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小時后仍保持良好的柔韌性，展現(xiàn)出優(yōu)異的極端低溫適應能力。

在對比實驗中，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，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。對比結(jié)果表明，具有寬結(jié)合能分布的氫鍵交聯(lián)位點對于塑料在低溫環(huán)境下保持超高強度、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塑料在強酸、強堿和強電解質(zhì)溶液中浸泡24 h后，力學性能幾乎未發(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)異的自修復與可循環(huán)利用能力；修復或重復加工后的樣品，其力學性能與原始材料相同。

綜上所述，孫俊奇團隊成功研發(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、高強度與高韌性的聚氨酯-脲塑料。該研究證實，通過在塑料中構(gòu)筑具有寬結(jié)合能分布的氫鍵交聯(lián)位點作為吸收沖擊能量的犧牲鍵，是開發(fā)適用于極端低溫場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辟了新途徑。該類材料在航空航天、深空探測、極地探索及低溫儲存等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

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。吉林大學超分子結(jié)構(gòu)與材料全國重點實驗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)研究受到了國家自然科學基金原創(chuàng)探索計劃項目資助。