文章重要内容

     湖北大学施德安教授、刘杰副教授团队通过在环氧化天然橡胶(ENR)中引入含刚性基团的多重氢键交联点，成功制备出兼具高强韧、自修复及优异抗裂纹性能的橡胶材料。该材料的拉伸强度高达10.38 MPa，断裂伸长率超过1200%，并能在较温和条件下实现一定程度的自修复，其抗裂纹扩展能力较未改性样品提升超11倍。

文章背景

       橡胶作为现代工业的关键基础材料，在柔性传感器、软体机器人和可穿戴设备等领域发挥着不可替代的作用。然而，传统橡胶材料依赖永久共价交联网络，虽能保证基本力学性能，却严重限制了分子链运动，导致断裂伸长率难以突破600%的瓶颈，无法满足柔性电子器件对大应变的需求。更突出的是，这种不可逆的交联结构使材料完全丧失了损伤自修复和再加工能力，不仅缩短了使用寿命，更造成了严重的资源浪费和环境污染。氢键的可逆断裂与重构特性为实现材料自修复提供了可能，但其固有的低结合能导致单一氢键交联橡胶的拉伸强度普遍低于3 MPa，严重制约了实际应用。虽然引入氢键/共价键双交联结构可提升材料强度，却不可避免地削弱了其自修复能力。因此，开发兼具高强度、高断裂伸长率、自修复性和抗裂纹性能的新型橡胶材料具有重要意义。

文章概述

       近日，湖北大学施德安教授、刘杰副教授团队在环氧化天然橡胶(ENR)中成功构建了含刚性基团的多重氢键交联结构，通过刚性基团与多重氢键的协同作用，制备出兼具高强韧、自修复及优异抗裂纹性能的橡胶材料(图1)。该研究以含刚性苯环和多重氢键官能团的小分子DKP为交联剂，通过其与ENR中环氧基团的反应，在橡胶网络中形成独特的动态交联结构。研究表明，该协同交联结构使材料性能得到显著提升。当DKP添加量为33.6 phr时，所得样品表现出优异的综合性能：拉伸强度达10.38 MPa，断裂伸长率超过1200%，断裂能高达46.26 MJ/m³。与已报道的氢键交联弹性体相比，该材料在保持高断裂伸长率的同时，实现了拉伸强度的大幅提升(图2)。

图1 兼具高强韧、自修复及优异抗裂纹性能的橡胶的制备路线示意图.

图2 (a) ENR-xD 的应力-应变曲线；(b) ENR-xD 的杨氏模量和断裂能；(c) ENR-xD 与其他报道的氢键交联弹性体的断裂能和抗拉强度对比图。

更为重要的是，该材料还展现出良好的自修复性能。在120 ℃下修复8 h后，其拉伸强度可恢复至2.4 MPa，断裂伸长率恢复至487%。动态力学分析表明，氢键的可逆断裂与重构是实现自修复的关键机制。进一步的研究发现，氢键的动态行为不仅贡献于能量耗散，还显著提升了材料的抗裂纹扩展能力。通过基本断裂功测试，ENR-33.6D的抗裂纹性能较未改性样品提升了11倍以上，这可能是氢键在裂纹尖端的优先断裂与重构有效耗散了能量，钝化裂纹。

图3 (a) ENR-33.6D不同温度下自修复8 h的应力应变曲线；(b) ENR-xD的w_e.

 该工作通过刚性基团与多重氢键的协同效应，成功实现了橡胶材料强度、韧性和抗裂纹性能的同步提升，为开发高性能自修复弹性体提供了新的设计思路，对延长橡胶制品使用寿命、促进资源可持续利用具有重要意义。

 本文为“高分子复合材料与自修复材料”专辑特约稿件，以研究论文形式发表在《高分子学报》2025年第12期。通信联系人为湖北大学施德安教授、刘杰副教授。

引用本文

刘杰, 孙鹏, 郭小仟, 雷巍巍, 吴河生, 黄湘, 施德安. 基于刚性基团与多重氢键协同的高强韧自修复环氧化天然橡胶 . 高分子学报, 2025, 56(12), 2381-2395Liu, J.; Sun, P.; Guo, X. Q.; Lei, W. W.; Wu, H. S.; Huang, X.; Shi, D. A. High-strength, tough, and self-healing epoxidized natural rubber enabled by synergistic rigid segments and multiple hydrogen bonds. Acta Polymerica Sinica, 2025, 56(12), 2381-2395