苏州大学严锋、李维政《Adv. Mater.》由内聚纠缠实现的高模量和高阻尼离子聚合物

高模量聚合物通常凭借高交联密度和强大的分子间相互作用来体现其特性。相比之下，高阻尼聚合物主要通过移动分子片段的滑动和摩擦来耗散能量。这种根本上的矛盾导致了同时实现高模量和高阻尼性这一挑战变得尤为艰巨。在此，我们报道了通过基于侧链离子相互作用的粘性缠结策略开发的刚性阻尼两性离子聚合物（AIPs）。通过酸碱中和合成，这些 AIPs 同时实现了 0.9 兆帕的高杨氏模量和高达 1.5 的阻尼系数（损耗因子，tan δ）。这一突破提出了平衡模量-阻尼权衡的策略，并突显了这种材料在先进抗冲击应用方面的潜力，例如电子设备的透明涂层和振动阻尼系统。

研究背景

在聚合物材料领域，高模量与高阻尼性能往往难以兼得：高模量材料通常具有紧密的分子链结构与强相互作用，但也因此限制链段运动，导致阻尼性能下降；而高阻尼材料虽能有效耗散能量，却常伴随刚度不足的问题。近年来，离子聚合物因其可通过离子键实现动态物理交联，在能量耗散与力学调控方面展现出潜力，然而传统离子体系常受限于溶剂依赖、离子浓度敏感性及强键合导致的脆性等问题。本研究提出一种基于“凝聚缠结”的离子调控策略，通过引入小分子离子液体精确调节双性离子聚合物中侧链离子相互作用，在不牺牲模量的前提下显著提升阻尼性能，实现了刚性-耗散协同增强，为新一代高性能防护与减振材料的设计提供了新思路。

技术解读

1. 凝聚缠结的结构设计

研究通过引入小分子离子液体（如[Bmim]PF₆）作为抗衡离子，调控聚合物侧链之间的离子相互作用。离子液体可介入聚合物离子对之间，部分屏蔽原有离子键强度，形成动态可逆的“离子缠结网络”。该结构在承受冲击时可通过离子对的解离与重组耗散能量，同时在静态下维持较高模量。

图1 高模量和高阻尼AIP结构设计及能量耗散机制的示意图。a）AIP涂层冲击能量耗散示意图。AIP涂层可以耗散铁球的动能以保护玻璃。b）AIP的拓扑纠缠与离子相互作用。c）AIP的内聚纠缠。密度泛函理论（DFT）计算表明，一对相反电荷之间形成的单一离子键的相互作用能为-266.93 kJ mol⁻¹.d） 撞击后AIP离子键的解离、重组和恢复过程的示意图示。

2. 动态力学性能调控

通过流变学主曲线分析发现，随着离子液体含量增加，材料的玻璃化转变区域向高频方向移动并逐渐拓宽，损耗因子峰值可达1.5以上。这表明材料在高频冲击下仍具备显著的能量耗散能力。低频核磁共振分析进一步揭示了材料中刚性、中间与柔性链段的比例变化，证实离子液体的加入可有效调节链段运动能力。

3. 离子尺寸效应

研究比较了不同阴离子（Br⁻、PF₆⁻、TFSI⁻）对材料性能的影响。小尺寸阴离子（如Br⁻）因空间位阻小，更易参与离子对的动态重组，因而材料表现出更低的玻璃化转变温度与更高的阻尼峰值。分子动力学模拟显示，Br⁻在体系中的均方位移最大，说明其扩散能力强，有利于动态能量耗散。

4. 高应变率下的力学响应

通过分离式霍普金森压杆实验，研究验证了材料在高应变率（1200–2700 s⁻¹）下的动态力学行为。结果表明，随着应变率升高，材料的压缩强度与韧性显著提升，最高冲击韧性可达20.80 MJ·m⁻³。该行为归因于高应变率下离子键的动态交联增强与链段摩擦协同作用。

在本研究中，我们制备了兼具高模量和优异阻尼性能的 AIP 材料。其模量和阻尼性能可通过内聚缠结进行精确调控，这种调控机制主要依赖于侧链离子相互作用。通过调整抗衡离子的数量和类型，我们能够精确控制刚性和柔性的成分之间的平衡——这不仅会影响玻璃化转变温度，还能使材料性能得到定制化。所得到的 AIP 涂层集高阻尼、高模量和光学透明度于一体，为易碎材料提供了卓越的抗冲击保护。这项工作提出了一种设计先进聚合物的通用策略，具有在防护涂层和振动控制系统中的广泛应用前景。