由于分子结构上的限制，传统水性聚氨酯（WPUs）弹性体在高应力条件下易发生断裂，难以实现理想的强度与韧性的平衡。这一矛盾显著制约了WPUs弹性体在高端工程领域中的应用。因此，探索新型的分子设计策略与改性方法，以突破强度-韧性平衡的瓶颈，已成为高性能聚合物研究的重要方向。

  近期，河北工业大学潘明旺教授团队创新性地设计并合成了一种同时结合了动态希夫碱键与刚性笼型骨架的硼酸亚胺笼型化合物（BIC），并将其引入WPUs的分子结构中，得到一种新型弹性体（DWPU-BIC-x）。该策略旨在利用BIC独特的刚性笼型结构作为“结构枢纽”，通过构建分级能量耗散机制来增强分子间作用力、优化应力传递路径，从而实现WPUs强度与韧性的协同提升。此外，BIC中希夫碱单元的金属配位能力还能赋予WPUs红外隐身这一扩展功能。值得强调的是，这种功能拓展具有重要意义，因为当前红外隐身材料的研究主要集中在金属氧化物或一维/二维无机材料，而基于金属-有机配位网络的设计策略较少被探索。具体而言，通过3,5-二甲酰基苯硼酸与三（2-氨基乙基）胺的反应合成了BIC，并将其嵌入精心设计的WPUs分子结构中（图1）。当BIC的摩尔投料量为0.1 mmol时，所得弹性体表现出最佳的力学性能：强度达到53.0 MPa，韧性为269.8 MJ m^-3（图3）。这种强度与韧性的显著提升直接反映了BIC在调控能量耗散与构筑微交联网络中的关键作用（图2、4、5）。进一步地，比较了由-C=N-与不同金属离子配位后所得弹性体的红外隐身性能（图6、7）。结果表明，与Sm³⁺配位后，材料的电导率提高了3.3倍，红外发射率降低了0.12，表现出优良的红外隐身性能。因此，该策略不仅成功突破了传统WPU在强度与韧性之间的矛盾，而且为其在红外隐身领域的应用开辟了新的可能性。该工作以“A New Design Strategy of Schiff-Base Cage Structure for Exceptional Strength-Toughness Waterborne Polyurethanes Toward Application in Infrared Stealth”为题发表在《Small》上（Small 2025, e07817）。河北工业大学博士生周晨同学为该文章第一作者，潘明旺教授为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金面上项目的支持（No.52273007，No.51973050）。

示意图：DWPU到DWPU-CIC-x网络结构变化示意图。

图1 A）BIC 合成示意图；B）BIC 的傅里叶变换红外光谱；C）DWPU 和 DWPU-BIC-x 的傅里叶变换红外光谱以及 D）局部放大傅里叶变换红外光谱（1800-1600 cm^-1）；E）粒度分布，F）透光率，G）DWPU 和 DWPU-BIC-x 的紫外-可见吸收光谱以及 H）X 射线衍射图谱。

图2 A）DWPU、DWPU-BIC-0.1和DWPU-BIC-0.2的差示扫描量热曲线；B）所有样品的热重分析曲线；C）热阻增加原理示意图；原子力显微镜相图：D）DWPU、E）DWPU-BIC-0.1、F）DWPU-BIC-0.2；原子力显微镜 DMT 模量图：G）DWPU、H）DWPU-BIC-0.1、I）DWPU-BIC-0.2。

图3A）DWPU 和 DWPU-BIC-x 薄膜的拉伸应力-应变曲线；B）DWPU 和 DWPU-BIC-x 薄膜的拉伸强度、断裂伸长率和韧性；C）DWPU-BIC-0.1拉伸至不同应变的照片；D）DWPU-BIC-0.1承重5.0千克的照片；E）DWPU 和 DWPU-BIC-0.1的真实应力-应变曲线；F）未开槽和开槽 DWPU-BIC-0.1的典型应力-应变曲线；G）开槽 DWPU-BIC-0.1拉伸至不同应变的照片；H）DWPU-BIC-0.1与先前报道材料的断裂能比较；I）DWPU-BIC-0.1被记号笔刺穿前后照片。

图4 A）DWPU-BIC-0.1的100次加载-卸载循环曲线；B、C）DWPU-BIC-0.1第71至100次循环的加载-卸载循环曲线；D）DWPU 和 DWPU-BIC-0.1前10次循环的滞回面积；E）DWPU-BIC-0.1在2小时松弛前后的循环曲线对比；F）DWPU-BIC-0.1在2小时松弛前后的耗散面积对比；G）DWPU-BIC-0.1样品原始、拉伸和恢复状态的照片；H）DWPU-BIC-0.1随应变增加的连续加载-卸载循环曲线；I）不同应变下 DWPU-BIC-0.1的滞回面积和滞回比。

图5 A）DWPU 和 DWPU-BIC-0.1的流变频率扫描曲线；B）DWPU 和 C）DWPU-BIC-0.1的流变温度扫描曲线；在加热过程中不同温度下 DWPU-BIC-0.1的原位傅里叶变换红外光谱，范围分别为 D）4000-500 cm^-1，E）3700-3100 cm^-1和F）1750-1600 cm^-1。

图6A）金属配位后系统中相互作用的示意图；B）DWPU-BIC-0.2-Cu、C）DWPU-BIC-0.2-Ni、D）DWPU-BIC-0.2-Al 和 E）DWPU-BIC-0.2-Sm 的 XPS 谱图；F）不同金属配位样品的电导率和红外发射率；G）不同质量百分比的Sm³⁺ 配位样品的电导率和红外发射率。

图7 A）涂有 DWPU-BIC-0.2的手的红外热像图；B）涂有 DWPU-BIC-0.2-Sm-16%的手的红外热像图；C）DWPU-BIC-0.2-Sm-16%在人体上的红外隐身性能；D）不同样品在75°C加热时的温度变化曲线；E）部分涂有DWPU-BIC-0.2-Sm-16%的高温军事装备模型的红外热像图；F）模拟阳光环境的实验示意图；G）不同区域对应的温度变化曲线；H）DWPU-BIC-0.2-Sm-16%的红外隐身机制示意图。

  总之，通过创新性地引入独特的希夫碱衍生笼型化合物，成功制备了一种高性能水性聚氨酯弹性体DWPU-BIC-x，包括优异的强度（53.0 MPa，提升7.2倍）、韧性（269.8 MJ m?3，提升8.1倍）、撕裂强度（断裂能60.0 kJ m?2，提升7.2倍）及疲劳耐受性。进一步的实验结果与深入分析揭示了DWPU-BIC-x卓越力学性能的内在机制。一方面，优化的软硬段微相分离结构有效协调了刚性承载域与柔性能量耗散域，实现了高强度与高延展性的平衡。另一方面，BIC作为“结构枢纽”，通过调控强/弱相互作用的牺牲顺序以及分子链取向，促进能量耗散，从而有效分散应力并增强材料耐久性。此外，DWPU-BIC-x在与Sm3?配位后，电导率显著提升，红外发射率降低0.12，表现出优异的红外隐身能力。这种力学稳健性与光学适应性的多功能整合体现了设计的创新性。本研究为下一代高性能聚氨酯弹性体的分子设计与潜在应用提供了一种有力的分子工程策略，并推动了材料科学与工程领域的前沿探索。

  该工作是团队近期关于水性聚氨酯的结构设计相关研究的最新进展之一。之前团队提出了一种物理-化学结合的纳米-微发泡策略，通过有机硅烷水解缩合原位生成聚硅倍半氧烷包覆可聚合单体和发泡剂，并将其引入WPUs体系中获得了多功能微发泡涂层（Chemical Engineering Journal, 2025, 519, 165166.）；将动态可逆键直接集成到纳米粒子本身，既能增强纳米复合聚氨酯的坚固性又能保持复合聚氨酯固有的自愈性能（Chemical Engineering Journal, 2024, 487, 150538.）；针对水性涂层易在金属基材表面发生腐蚀的问题，通过巯基-烯点击反应，将苯并咪唑接枝到聚氨酯侧链中形成共轭苯并咪唑结构，形成了独特的“内疏外密”结构（Chemical Engineering Journal, 2023, 468, 143573.）；设计合成了含有双硫键和酰腙键的席夫碱，并将其作为扩链剂引入聚氨酯中，制备了一系列水性自愈合聚氨酯弹性体（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 19414?19426.）。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202507817