聚氨酯材料以泡沫、弹性体、纤维等形式广泛应用于诸多领域，2023年全球消费量达2200万吨/年。其中约67%为低密度泡沫（密度仅20-80 kg/m³），年废弃物体积高达4亿立方米，由此引发的环境污染问题日益严峻。由于聚氨酯泡沫多为热固性材料，其不溶不熔的交联网络结构导致回收利用难度极大。以醇解为典型代表的传统化学回收法可将其解聚为多元醇原料，用于合成新材料，已被学术界和工业界广泛研究。但该方法存在断键量和试剂消耗量大（＞50%）、有异氰酸酯副产物产生、再生产品经济价值不高等挑战。

  杭州师范大学刘增贺/陈建闻/朱雨田团队及合作者浙大谢涛团队前期曾提出部分化学断键、断键-逆向成键、微粒化、热塑-热固可逆转化等系列回收利用策略，实现了聚氨酯材料的原子经济、增值/闭环回收（Nature Chemistry, 2023, 15, 1773-1779；Nature Communication, 2025, 16: 5117；Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64: e202416437）。在此基础上，本工作进一步提出了基于“选择性断裂交联位点”的新型原子经济、增值回收策略：通过选择性断裂缩二脲交联位点，不仅实现了试剂消耗低量化（~10%）、无副产物产生，还将聚氨酯泡沫100%全部转化为性能优异的高附加值光固化3D打印树脂。

  2026年3月19日，相关成果以“Atom-economy upcycling of commodity thermoset polyurethane into photocuring 3D printing resins based on selective cleavage—crosslink strategy”为题发表在《Nature Communications》上。杭州师范大学刘增贺、陈建闻、朱雨田为共同通讯作者，硕士生黄燕为第一作者。

  该研究的核心思想是实现交联位点的选择性断裂。对于商用聚氨酯泡沫，其分子网络主要由二异氰酸酯与多元醇反应构建，水同时作为反应物和发泡剂，生成含有氨酯键、脲键和缩二脲键的交联网络。其中，缩二脲键充当交联位点，而氨酯键和脲键主要存在于非交联区域。研究团队发现乙酰乙酸乙酯（EAA）作为一种广泛使用、价格低廉、具有愉悦果香味的食品添加剂，可实现缩二脲交联位点的快速、高效、完全断裂，同时几乎不影响非交联区域的氨酯键和脲键。通过这一策略，热固性聚氨酯泡沫被解交联为多元醇-异氰酸酯嵌段结构的解聚产物，这不仅最大限度减少了断键点数量和断键试剂消耗量，还有效避免了异氰酸酯副产物的生成。此外，所得解聚产物具有丰富的双活性位点（主链保留的脲键/氨酯键与末端新生基团），使其可用于制备高附加值的光固化3D打印产品，实现增值回收。

图1. 聚氨酯泡沫回收策略对比。（a）以醇解为典型代表的化学回收法：试剂消耗大，副产物多，经济价值有限。（b）本研究提出的选择性断裂交联位点新策略：原子经济，无副产物，产品附加值高。

  为实现上述解聚，研究团队将聚氨酯泡沫与EAA混合加热。在优化条件（180 ℃，25 min，EAA/PUF质量比1:1）下实现了聚氨酯泡沫的快速解聚。凝胶渗透色谱分析显示，解聚产物的重均分子量高达41,146 g mol^-1，表明选择性断键策略最小化了断键量，保留了高分子链的主体结构。

  为证明上述选择性断键和解聚机理，研究团队合成并进行了系列模型分子实验，结果表明，EAA对缩二脲键的断键速率远快于氨酯键和脲键，可在10分钟内完全断裂缩二脲键，而对后两者的断裂率分别仅为1%和3%，证实了其优异的断键选择性。

图2. 聚氨酯泡沫解聚及机理研究。（a）聚氨酯泡沫样品解聚前后的照片。（b-c）温度及乙酰乙酸乙酯（EAA）/聚氨酯泡沫质量比对解聚时间的影响。（d）缩二脲、氨酯和脲键与EAA反应产物的核磁共振氢谱分析。（e）缩二脲、氨酯和脲键的断键反应动力学。（f）聚氨酯泡沫化学解聚为可再加工聚合物的示意图。

  基于解聚产物富含的活性位点，团队采用甲基丙烯酸异氰基乙酯（MAI）进行接枝改性，成功将其转化为光敏树脂。通过调控聚氨酯废料含量（67-89%），可有效调节再生材料的力学性能。含89%废料的配方断裂伸长率超过500%，韧性达19.75 MJ m^-3，回弹性优异。进一步，团队成功3D打印出雪花、晶格结构和鞋垫等复杂形状产品。此外，由于主链保留的氨酯/脲键可在热刺激下发生动态交换反应，再生材料还表现出形状可编程性。

图3. 网络重构与光固化3D打印升级回收。（a-e）异氰酸酯（NCO）与脲键、氨酯键、羟基、插烯氨酯、乙酰乙酸化酰胺的反应。（f）以甲基丙烯酸异氰基乙酯（MAI）为接枝试剂，将解聚聚氨酯泡沫（PUF）化学转化为光敏树脂。（g）不同聚氨酯泡沫废料比例下光固化产品的应力-应变曲线及（h）动态热机械分析（DMA）曲线。（i）含89% PUF废料配方在90%应变下的循环拉伸曲线和恢复曲线。（j-k）含（j）80%和（k）89% PUF光固化3D打印产品（雪花、晶格结构、鞋垫）。（l-m）在外力作用下触发动态键交换（100°C，20分钟）实现再生材料的形状编程。

  原子经济性分析表明：约97.6%的EAA可被回收且纯度媲美初始原料；再生产品的红外光谱和热重曲线主体与原始聚氨酯泡沫高度相似，表明聚氨酯主链骨架被高比例保留，试剂消耗极低。将聚氨酯废料转化为光固化3D打印树脂的原料成本估算低至2.1美元/公斤，较商用光固化弹性体树脂低一个数量级以上。

图4. 原子经济性分析。(a) 乙酰乙酸乙酯（EAA）的回收效率，展示了三个平行批次的理论值与实验值。(b) 初始及回收EAA的¹H NMR谱图。(c) EAA、原始聚氨酯泡沫（PUF）、解聚PUF以及含80%和89% PUF再生产物的FTIR谱图。(d) 原始PUF及含80%和89% PUF再生产物的TGA曲线。

  研究团队进一步探讨了解聚产物的其他应用潜力。实验表明，解聚产物可直接用作压敏胶，对钢材、铝材、纸张和特氟龙等多种基材表现出良好粘附性和可重复使用性。此外，该材料还可作为合成聚氨酯的原料，或用作环氧树脂的固化/增韧剂。此外，基于解聚产物丰富的活性位点及其柔性链段，使其还具备作为环氧树脂固化剂/增韧剂以及聚氨酯合成原料的应用潜力。

图5. 压敏胶应用。（a-b）解聚产物对聚四氟乙烯、铝、纸张和钢材基材的压敏粘附照片。（c-d）剥离强度测试。（e）解聚产物在钢材上三次循环剥离测试。

  综上所述，该研究展示了一种基于选择性断裂交联位点的商用热固性聚氨酯泡沫化学回收策略，不仅能将废料全部升级回收为高附加值光固化3D打印产品，而且实现了高原子经济性。所有试剂均为商业化、低成本原料，且消耗极低，易于大规模推广。此外，解聚产物在3D打印之外还具有多种应用潜力，为高分子废料循环利用提供了新的解决方案。

  该工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和浙江省教育厅科研基金的支持。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70951-w