聚氨酯作为一类具有优异的机械性能、耐磨性、耐化学腐蚀等特点的工程高分子材料，在工业和日常生活中如建筑、机械、电子、船舶和汽车等领域被广泛应用。然而，传统聚氨酯在生产和使用过程中存在易产生高挥发性有机化合物（VOCs）的问题，污染环境的同时也会危害人体健康，且受到损伤后使用性能会大幅下降。

  基于上述背景，合肥工业大学殷俊教授课题组构建了一种由碳酰肼（CHZ）和聚六亚甲基胍（PHMG）多重氢键增强的双交联水性聚氨酯网络，并通过在大分子聚乙二醇（PEG）两端官能化可见光响应的动态芳香席夫碱（ASB）键，将其与聚四氢呋喃（PTMG）作为软段同时引入上述体系中，以增加聚氨酯的自修复性能。由于聚氨酯的多重氢键作用、独特的相分离结构以及ASB光热效应增强的动态交换，ASB/CHZ/PHMG@WPU2具有优异的机械性能（断裂应力为10.2 MPa，断裂应变为960%）、温和条件下的自修复性能（100 mW/cm²的可见光氙灯辐照25 min后92%的自修复效率）、良好的再加工性能（多次循环后保留86%的机械应力）、高抗菌率（对大肠杆菌98.57%和耐甲氧金黄色葡萄球菌99.36%的抑菌率）和生物相容性（细胞存活率大于97%）以及可降解性（在丙酮/水溶液可以完全溶解）。此外，引入固含量30%的离子液体后，所得的离子凝胶（电导率36.2 μS·cm^-1、传感系数GFs = 1.95）可用作人体皮肤传感器。这项工作不仅为下一代智能涂层和离子皮肤提供了有前途的候选材料，还为多功能材料设计和可持续应用提供了通用平台。

  该研究以题为“Dynamic Non-Covalent Interactions Incorporated Reprocessable Waterborne Polyurethane with Visible Light Activated Self-Healing, Antibacterial, Anti-Fouling, and Strain Sensor”发表于《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2025, 2507745），合肥工业大学为第一单位。

  首先，通过点击和席夫碱反应，用芳香族席夫碱分子（ASB）修饰两端羟基的聚乙二醇（PEG₂₀₀₀），合成了亲水性大分子扩链剂ASB1（图1a）。¹H NMR光谱证实了ASB1的精确化学结构（图1b）：化学位移为9.44和8.52 ppm的峰分别对应于酚羟基和席夫碱键中的氢原子；而7.83、7.14、7.04和6.77 ppm的峰则证实了芳香环的存在。紫外-可见光谱（图1c）验证了特定ASB1分子在可见光400-800 nm的吸收。值得注意的是，与其他已报道的ASB化合物相比，ASB1在最大吸收波长为495 nm的宽可见光吸收峰发生了60-70 nm的红移，这可能与PEG链段增加了ASB基团的电子云密度相关。

图1.芳香族席夫碱分子的PEG衍生大分子扩链剂的合成与表征

  接着，通过连续的缩聚、扩链反应和乳化步骤得到不同配比的水性聚氨酯乳液：如图2所示，所有ASB/CHZ/PHMG@WPUx乳液中均发现其聚合物链段在水中分散的球形纳米粒子，证明了其基于亲水基团的组装机理。同时，粒径和电位的相应变化表明了PEG链段在提升亲水性以及增加胍基电离的显著作用。

图2. ASB/CHZ/PHMG@WPUx系列乳液的相关性质

  在经过水分蒸发、分子链间的相互作用诱导微相分离后，得到相应聚氨酯的薄膜。如图3a所示，首先通过傅立叶变换红外光谱证实了薄膜中ASB1的成功引入：随着ASB1含量的增加，波数840 cm^-1（对应芳香环）和1601 cm^-1（对应C=N双键）处的吸收峰强度逐渐增强。随后，通过紫外-可见光谱分析了不同WPU薄膜的透光率（图3b）：随着ASB分子的加入，ASB/CHZ/PHMG@WPUx（x = 1-4）薄膜呈现出明显的黄色，并随着ASB含量的增加而加深，导致透光率急剧下降，但仍保持了透明特性（如插入的数码照片所示）。紧接着，测试了薄膜的水和二碘甲烷的接触角，以计算表面自由能：极性氢键带来的交联位点的增加在薄膜中形成了致密的网络，改善了润湿行为。同时，由于PEG链段中存在大量氧原子，薄膜的润湿效果显著提高，从而使薄膜的整体表面能明显增加。凝胶含量测试（图3d）也进一步体现PEG链段对薄膜吸水性的影响。

图3. ASB/CHZ/PHMG@WPUx系列薄膜的相关性质

  为了验证聚氨酯在可见光诱导下的自修复性能，如图4a所示，使用氙灯（400-800 nm, 100 mW/cm²）模拟可见光环境，对完全切断的、2 mm厚的聚氨酯薄膜辐照不同时间，随后测试修复后薄膜样品的机械性能以定量评价自修复效率。如图4b，随着光照射时间的延长，含有ASB的薄膜样品愈合率呈迅速上升趋势，其中，ASB/CHZ/PHMG@WPU4样品的修复时间最短，修复效率最高，分别为10 min和97.2%。图4e中，根据修复前后的应力、应变数值大小，计算出ASB/CHZ/PHMG@WPU2在愈合后具有最佳的韧性（43.86 MJ/m³），这可能归因于动态键含量与氢键密度、链流动性的良好匹配。如图4f，将直径为40 mm、高为1.5 mm的圆盘状ASB/CHZ/PHMG@WPU2样品切成两半，其中一半用罗丹明（红色）染色，在相同可见光条件下修复，修复后的样品能够轻松举起一个重达7.5 Kg的哑铃。最终，考虑到综合性能，ASB/CHZ/PHMG@WPU2的性能参数包括划痕愈合率（97.5%）、应力愈合率（91.7%）、样条修复时间（25 min）、应变恢复率（97.2%）和韧性（43.86 MJ/m³）被用于后续的测试。

图4. ASB/CHZ/PHMG@WPUx系列薄膜的可见光自修复性能

  在实际条件下，考虑到木材表面可能会经常被划伤，但无法自行恢复，从而导致逐渐腐烂和性能下降，因此其表面处理对其使用性能和寿命具有重要意义。在此，以两个木材表面为基材，分别用相应乳液涂附上一层CHZ/PHMG@WPU和ASB/CHZ/PHMG@WPU2薄膜。如图5a所示，通过扫描电镜表征了两种样品良好的界面相容性和表面保护能力。用刀片划破涂层，划痕宽度约为3.0 μm，在可见光（100 mW/cm²）照射300 s后，CHZ/PHMG@WPU涂层上的划痕减小到~1.0 μm，而ASB/CHZ/PHMG@WPU2涂层的愈合效率几乎达到100%。此外，如图5b所示，用水性或油性记号笔分别在未涂覆或涂覆ASB/CHZ/PHMG@WPU2的木材表面写上“HFUT”字样，未涂覆的木材表面残留着明显的书写痕迹，而具有ASB/CHZ/PHMG@WPU2涂层的木材表面可以很容易地用湿海绵或乙醇擦拭干净，没有任何残留，显示出优异的防涂鸦性能。此外，液滴滑落实验（图5c）、抗污实验（图5d）也进一步证实了ASB/CHZ/PHMG@WPU2涂层的自清洁性能。最后，测试了与国标对应的涂层指标，证实了ASB/CHZ/PHMG@WPU2涂层的实际使用性能。

图5. ASB/CHZ/PHMG@WPU2涂层的自修复、抗涂鸦、自清洁相关性能及国标测试

  迄今为止，利用导电WPUs材料制造的柔性弹性皮肤状电子器件在人机交互或健康监测领域受到越来越多的关注，人们普遍通过选择具有不挥发性和稳定特性的离子液体（ILs）与普通WPUs共同构建离子凝胶，以增加电子器件的导电性。因此，选择离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双[（三氟甲基）磺酰]亚胺（[BMIM]TFSI）与ASB/CHZ/PHMG@WPU2乳液混合以制备导电的离子凝胶。如图6b、6c所示，离子凝胶ASB/CHZ/PHMG@WPU2-IL30（灵敏度1.95、电阻值3.51×10⁵ Ω、电导率36.2 μS cm^-1、抗拉强度2.11 MPa、断裂伸长率430%）在大应变、小应变下均有稳定传感表现，可以满足离子皮肤的需要。将传感器紧贴在人体的某个关节上，以记录运动与时间相关的电阻变化（ΔR/R₀信号）。如图6d-i所示，离子凝胶在咽喉（图6d）、肘部（图6e）、手腕（图6f）、膝盖（图6g）和脚踝（图6h）的运动都出现了稳定而灵敏的?R/R₀信号，证明其不仅能监测咽喉的微小运动，还能监测手臂、腿部和脚部关节的剧烈运动，再次证实了其作为离子皮肤传感器的潜力。

图6. 离子凝胶ASB/CHZ/PHMG@WPU2-IL30的传感性能及离子皮肤应用

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202507745