传统硫化橡胶因不可逆交联结构而难以回收和修复，动态共价化学虽为解决橡胶废弃物循环利用提供了重要思路，但其力学性能通常难以满足高性能应用需求。近日，本实验室在高性能、可持续橡胶材料领域取得重要进展，提出了一种“战略弱化实现整体强化”的反直觉设计策略，利用经精确调控的“弱”非共价网络驱动过应变驱动的强韧化机制，实现了可重加工橡胶强度、韧性与延展性的同步提升。相关研究以 “Strategic weakening for holistic strengthening: overstrain-driven synchronous strengthening-toughening in sustainable rubber via ‘weak’ non-covalent networks” 为题发表《Materials Horizons》上。四川大学为论文唯一署名单位，我室2024级博士研究生周伟辰为论文第一作者，邓聪研究员为通讯作者。
【研究背景】
橡胶材料因其优异的弹性、耐疲劳性和力学可靠性，被广泛应用于交通运输、密封减震、柔性器件和能源装备等领域。然而，传统硫化橡胶依赖不可逆共价交联网络，服役后难以熔融再加工、修复或高效回收，导致大量橡胶废弃物累积，严重制约其绿色可持续发展。近年来，动态共价网络和非共价相互作用被广泛用于构筑可重加工橡胶，为橡胶材料的循环利用提供了新方案。然而，该类材料仍面临两个核心矛盾：一方面，动态网络虽赋予材料可重加工和自修复能力，却往往削弱其力学强度；另一方面，增强非共价作用或提高网络内聚能虽然有利于提升强度，却会限制分子链运动与取向，导致延展性和韧性下降。因此，如何突破可重加工橡胶中“强度—延展性—循环利用”难以兼顾的瓶颈，是该领域亟需解决的关键科学问题。
【主要内容】
该工作以具有应变诱导结晶能力的环氧化天然橡胶（ENR）为基体，通过羧基与环氧基团之间的开环反应，将具有不同氢键结合能的功能单元接枝到橡胶分子链上，构筑了内聚能可调的非共价网络。研究发现，相较于传统追求高结合能、高内聚能的设计思路，通过适度降低非共价网络的内聚能以及多层级非共价作用协同反而能够赋予橡胶分子链更充分的取向和延展空间，使材料在大变形过程中进入过应变状态，并进一步与ENR自身的应变诱导结晶效应协同，形成过应变驱动的同步强韧化机制，即 overstrain-driven strengthening and toughening, ODST。在该机制作用下，样品表现出优异的综合力学性能：拉伸强度达到19.36 MPa，断裂伸长率达到1529%，拉伸韧性达到106.67 MJ m⁻³，性能超过类似报道。更重要的是，该材料在保持高强高韧的同时仍具有良好的动态可逆性。经过多次重加工后，4U1N-2仍可保持13.64 MPa的拉伸强度和1199%的断裂伸长率，其重加工后韧性仍优于多数已报道可重加工橡胶的原始性能。此外，材料还表现出优异的热诱导自修复能力，在120 ℃热处理24 h后，拉伸强度和断裂伸长率分别恢复至原始性能的88%和85%。
图1. 过应变增韧策略示意图
图2. 橡胶的机械性能
图3. 橡胶的重复加工及自修复性能
本工作突破了传统高性能橡胶设计中单纯追求强相互作用和高内聚能的思维范式，提出了过应变增韧的新概念，通过精确调控非共价网络的内聚能和动态层级结构，实现了可重加工橡胶强度、延展性、韧性、自修复和循环利用性能的协同优化。该策略为高性能可持续弹性体的分子设计提供了新的理论框架，也为发展面向绿色循环经济的先进橡胶材料提供了重要参考。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D5MH00711A
