山东大学研究团队在硬度可调超韧弹性体研制方面取得进展

近日，山东大学化学与化工学院国家胶体材料工程技术研究中心王旭教授课题组在硬度可调超韧热塑性弹性体研制方面取得重要突破。针对传统弹性体难以兼顾高硬度和高韧性的难题，该团队创新性地引入“混合软段”方法，基于其前期研发的超韧超分子聚（氨酯-脲）(SPUU) 弹性体，成功实现了材料硬度的精确调控，并保持了卓越韧性。相关研究成果以“Hybrid Soft Segments Boost the Development of Ultratough Thermoplastic Elastomers with Tunable Hardness”为题，发表在国际权威期刊Advanced Materials（IF = 27.4）上。文章通讯作者为王旭教授、研究中心助理研究员孙楠，第一作者为研究中心博士研究生张兴雪，山东大学为唯一通讯作者单位。

硬度是衡量材料抵抗变形能力的重要指标，对弹性体的适用性至关重要。高硬度弹性体，如邵氏硬度高于85A的材料，常用于制造航空母舰甲板缓冲垫和工业零部件，而低硬度弹性体（邵氏硬度低于60A）则适用于减震垫和密封件。然而，传统方法在提高弹性体硬度的同时，往往会牺牲其韧性。

图1. 不同硬度调控策略下弹性体的硬度和韧性变化示意图

目前，研究者们主要选择两种方法来调节弹性体的硬度：一是调节软硬段的比例，二是调整软段分子量。然而，这些方法都难以在保证高硬度的同时，维持良好的韧性。这表明在开发无需牺牲韧性即可调节硬度的方法方面仍存在巨大差距。在这种背景下，制备超强韧且硬度可调的弹性体变得尤为重要。

图2. 调控弹性体硬度的三种方法及采用混合软段法得到的软硬弹性体性能展示

该工作通过选择性共聚不同分子量的聚四亚甲基醚二醇，从分子水平上设计了SPUU弹性体，这些弹性体在保持良好韧性的同时，涵盖了广泛的硬度范围。研究结果表明，通过这种新型方法制备的弹性体，硬度范围可覆盖56A至95A。其中，一种邵氏硬度高达86A的材料，展现出了819 MJ/m3的拉伸韧性和6.1 MJ/m2的冲击强度，性能比传统耐冲击聚合物材料高出2.8倍。而另一种邵氏硬度为59A的软弹性体，则展现出786 MJ/m3的拉伸韧性，以及优异的阻尼和防滑性能。

图3. 热塑性弹性体的分子结构组成及其可扩展合成过程

该项研究不仅在材料性能上实现了突破，还在生产工艺上进行了优化。研究人员使用基本实验室设备建立了一条可扩展的合成生产线，用于生产可自修复和可回收的SPUU弹性体，解决了溶剂型生产工艺的高能耗问题。据预测，全球热塑性弹性体市场规模将在2028年达到354亿美元，复合年增长率高达5.6%。该项研究成果的发布，将进一步推动热塑性弹性体在汽车、建筑、鞋类等领域的应用。

王旭课题组立足服务国家绿色低碳高质量发展战略，聚焦可持续超分子聚合物的可控合成及构效关系研究，并取得重要进展，相关研究论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等期刊, 部分技术成果已转化与应用。

上述研究工作得到了国家自然科学基金和山东省自然科学杰出青年基金的资助。部分研究得到李宁（中国）体育用品有限公司的帮助。