盖世汽车讯 据外媒报道，为了提高常见聚合物（包括聚苯乙烯和一种用于制造鞋底的橡胶）的抗冲击能力，麻省理工学院（MIT）的研究团队在该材料中引入了分散的弱键作为交联点，使其在形变过程中能够更有效地耗散能量。当受到弹丸撞击时，这些弱键会在撞击点选择性断裂，从而打开能量吸收通道。

研究人员发现，这种方法也能增强苯乙烯-丁二烯-苯乙烯橡胶的性能。而且，该团队目前正在研究该方法是否能适用于其他类型的聚合物，例如乳胶或用于制造轮胎的橡胶。

麻省理工学院化学系A. Thomas Geurtin讲席教授Jeremiah Johnson和Haslam and Dewey讲席教授Keith Nelson是这项研究的资深作者，相关研究成果发表于期刊《Nature》。

图片来源：麻省理工学院

更坚韧的塑料

在2023年发表的一项研究中，MIT和杜克大学（Duke University）的研究人员通过一种反直觉的策略来提高聚合物的韧性：在聚合物网络中添加分布均匀的弱交联剂。这些弱连接，也称为力敏基团，在撕裂条件下会断裂，从而有助于保持承受载荷的更强键，使材料能够耗散更多能量。

Johnson表示：“当裂纹开始在材料中扩展时，这些力敏基团会分裂成两部分，这有助于耗散能量并改变裂纹的扩展方向。这也意味着需要消耗更多的能量才能撕裂材料。”

与之前慢速撕裂条件下增韧效果的研究不同，MIT的新研究旨在开发利用力敏基团抵抗快速形变（例如突发冲击）的策略。研究人员尤其关注将该策略应用于最常用的聚合物，例如聚苯乙烯。

为此，研究人员开发出一种方法，将力敏基团作为交联剂直接引入常用聚合物中。然后，他们利用激光诱导微弹冲击测试（LIPIT）来研究该聚合物对弹丸冲击的响应。在LIPIT测试中，直径约为10微米的微小弹丸（二氧化硅珠）以约750米/秒（超过1600英里/小时）的速度射向该聚合物薄膜。通过测量粒子穿过薄膜前后速度的变化，可以计算出该材料吸收的能量。

Nelson表示：“我们最初开发这种方法是为了研究微粒冲击和穿透本体聚合物样品的情况，我们会监测微粒穿过约100微米厚的聚合物材料的传播，并分析冲击后聚合物形态的变化。新的测量结果表明，从微粒穿透薄层前后的速度中可以提取出许多额外信息。这些测量结果还显示了微粒冲击过程中和冲击后的形变模式，极具启发性。”

该技术使研究人员能够模拟现实世界中可能出现的力，例如塑料物体与其他物体碰撞或手机掉落在地上的冲击力。在实验中，研究人员发现，与普通聚苯乙烯相比，力敏基团交联的聚苯乙烯能够吸收更多的冲击能量。

Johnson表示：“结果表明，与未交联和传统交联的聚苯乙烯相比，力敏基团能够显著提高能量耗散。”

吸收冲击

为了探究力敏基团如何增强聚苯乙烯的抗冲击性，研究团队进行了实验和仿真，结果发现，当高速粒子撞击聚苯乙烯材料时，撞击点的温度会升高到足以形成一个移动区域。在这个区域内，力敏基团的键在力的作用下选择性断裂，从而打开可控的通道，更好地吸收冲击能量，同时使撞击点以外的区域相对不受影响，且保持稳定。

研究人员还发现，将这些力敏基团插入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）橡胶中，也能达到类似的效果。研究人员目前正在探索这种方法是否也适用于另一种相关材料——苯乙烯-丁二烯橡胶（轮胎的主要成分之一）。

如果成功，这项技术有望延长轮胎的使用寿命，并减少轮胎与路面接触时产生的微塑料数量。据估计，轮胎与路面接触产生的微塑料至少占环境中微塑料总量的10%。