近日，山东大学王旭教授团队在国际权威期刊Advanced Materials上以“Hybrid Soft Segments Boost the Development of Ultratough Thermoplastic Elastomers with Tunable Hardness”为题发表了最新研究论文，文章通讯作者为王旭教授和孙楠助理研究员，第一作者为博士研究生张兴雪，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，对热塑性弹性体（TPEs）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TPEs硬度的同时，往往会牺牲其韧性。目前，研究者们主要选择两种方法来调节TPEs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热塑性弹性体变得尤为重要。为解决这一难题，山东大学王旭教授团队，采用了一种创新的“混合软段”方法，基于其先前研发的超韧超分子聚（氨酯-脲）（SPUU）弹性体，成功地实现了对材料硬度的精确控制，并保持了卓越的韧性。具体来说，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 TPEs，这些TPEs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1. 调控热塑性弹性体硬度的三种方法及采用混合软段法得到的软硬TPEs性能展示值得一提的是，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。
图2. 热塑性弹性体的分子结构组成及其可扩展合成过程研究者通过调控软段分子量和软硬段比例，实现了多样化的材料设计。同时，他们利用简单的设备完成了SPUU TPEs的可扩展合成，包括聚合、造粒、洗涤和干燥四个关键步骤，最终实现了公斤级产品的高效生产。更重要的是，所获得的球形产物颗粒可以直接热压成膜或挤出成线，无需进一步加工，展现了优异的加工性能。
生产成本分析表明，S1k+2k-31和S2k+3k-21的单位成本分别为3.5美元/kg和3.9美元/kg，低于市场同类产品（5.2美元/kg），同时产品性能更具竞争力。通过扩大生产规模，预计单位成本将进一步降低，从而显著提升产品的市场吸引力和盈利能力。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202414720
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