中国人民大学清史研究所，中国人民大学清史研究所毛立平
橡胶作为三类高分子材料之一，在国防、工业、医疗、生活中均扮演着不可或缺的重要角色。橡胶较差的耐寒性，则一直是制约着其在极端低温环境下使用的一大瓶颈。历史上，橡胶的低温失效，曾给人类带来过难以磨灭的记忆。例如，1986年，美国挑战者号航天飞机因橡胶密封圈低温失效而导致推进器爆炸，机毁人亡，长期警示着人们耐寒橡胶的重要性。近年来我国对极端环境如南极、太空等极端环境的探索进行了更为独立、更加频繁的尝试，随之而来的，也对我国极端环境使役材料的研发提出了更高要求。除了耐寒性之外，橡胶的耐油性对于密封效果同样至关重要，但二者往往如鱼和熊掌，不可兼得。为此，在保证耐油性的同时，将橡胶的服役温度区间向下拓展至-80℃乃至-100℃以下，对保障我国极端环境探索项目的顺利开展意义重大。
从高分子物理学的角度出发，耐寒橡胶依赖于低的玻璃化转变温度(Tg)，通常要求主链具有较好的柔顺性与规整性，且链间相互作用低。然而，规整性好也意味着主链容易在Tg以上结晶，使得橡胶具有较高的脆性转变温度(Tb)；此外，低的链间相互作用导致橡胶耐油性较差。因此，目前所有橡胶均难以兼顾耐寒性与耐油性。
图1. 超低温橡胶在极端环境探索中的应用需求和展望
为解决极端低温环境使役橡胶所面临的上述挑战，中国人民大学化学系王亚培教授团队创新性地提出以全氟聚醚寡聚物为主体链段，结合可逆交联的设计策略，制备了一系列兼具耐寒性与耐油性的橡胶材料（PFPU）。凭借全氟聚醚寡聚物超低的玻璃化转变温度（-120℃），该橡胶（PFPU-4.0-0.80）可以在温度降至-80℃, -100℃甚至-110℃时依旧保持非常优异的回弹性能。低温机械性能测试表明，所合成的全氟聚醚橡胶在-100℃的断裂伸长率超过350%。此外，得益于全氟聚醚链段极佳的柔顺性和超低的链间相互作用，该全氟聚醚橡胶即使浸泡在液氮中，由橡胶态转变为玻璃态之后，仍然具备非常优异的延展性，弯曲90°也完全没有断裂的迹象。值得注意的是，这是公开报道的第一个在液氮中仍然具有良好延展性的橡胶材料！与目前常见的橡胶材料对比，该全氟聚醚橡胶展现出了最为优异的耐寒性能。
图2. (a) 全氟聚醚橡胶PFPU-4.0-0.80在-78℃低温箱中的扭曲、拉伸演示实验；(b) 溶胀演示实验：将PFPU-4.0-0.80制备成O型密封圈，并与其他几种常用的低温橡胶共同浸泡于-80℃的四氢呋喃中；(c) 液氮中的弯曲试验演示；(d)从玻璃化转变温度Tg（或TR-10）和脆化温度Tb两个角度，与目前常用的橡胶材料进行对比。
此外，凭借全氟聚醚链段特殊的耐溶剂性，该橡胶打破了传统橡胶在耐寒性和耐油性之间的矛盾，在保证低温力学性能的同时，仍具备优异的耐油性。该成果有望为极端低温使役橡胶材料提供全新的设计思路，拓展该领域的材料选择，为我国极端环境探索提供强有力的材料支撑。
该文章的第一作者为中国人民大学化学系博士研究生马强，中国人民大学王亚培教授和博士后廖声茏为共同通讯作者。该研究工作目前以题为“An Ultra-Low-Temperature Elastomer with Excellent Mechanical Performance and Solvent Resistance”的论文发表在国际材料顶级期刊Advanced Materials上。
来源：中国人民大学
论文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202102096
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