高性能聚氨酯弹性体已在软体机器人、柔性传感器和电子设备等领域展现出诸多重要的工业应用。然而，由于各个性能所涉及的机理不同或是性能机制相悖，设计兼具高强度、高韧性、阻燃和自修复功能的弹性体一直面临巨大挑战。

  近日，中国林科院林化所张猛研究员、悉尼大学程文龙教授和澳大利亚南昆士兰大学宋平安教授合作，提出了一种分子工程策略，通过设计含磷/氮（P/N）和π-共轭联苯结构的二元醇扩链剂，实现了聚氨酯弹性体的强、韧、阻燃及自修复。较强的链间π-π堆积作用使该弹性体具备优异的力学性能和自愈合性能，π-π堆积与P/N元素的协同作用显著提升其阻燃性能（图1）。

  2026年5月28日，相关研究成果以“Designing Strong, Tough, Fire-retardant and Self-healing Elastomers with Phosphorus/Nitrogen- and π-Conjugated Biphenyl-Containing Segments”为题发表在《Advanced Materials》期刊，文章第一作者为中国林科院林化所薛逸娇副研究员，文章通讯作者为中国林科院林化所张猛研究员、悉尼大学程文龙教授和南昆士兰大学宋平安教授。该研究工作得到国家自然科学基金和澳大利亚研究理事会的支持。

图1. TPU的研究背景和分子设计、表征示意图

  作者将含磷/氮（P/N）元素并具有π-π相互作用的DOPO衍生物二醇作为目标聚氨酯弹性体(PU-DHDP)的扩链剂，同时选用高强韧的聚四氢呋喃二醇作为软段。为了探究联苯结构及其侧链位置与目标聚氨酯弹性体性能的相关性，还设计了若干对照体系：不含P元素和联苯基团的PU-MDM、侧链不含联苯基团的PU-BHAPE，以及联苯基团位于主链的PU-DBP（图1）。

图2. 力学性能

  PU-DHDP优异的力学性能基于较强的链间π-π堆积作用、π-π堆积所促进的应变硬化和自增强特性。拉伸过程中，SAXS图谱中散射圆环的逐渐扩展以及WAXD图谱中晶面衍射弧的出现证实了应变硬化效应，表明相区在拉伸方向上实现了持续取向，有助于能量耗散、适应形变或优化分子间相互作用，使整个聚氨酯体系在受力时保持稳定，从而表现出优异的力学性能。当应变降低时，π-π堆积和PTMEG结晶峰的强度逐渐减弱，显示出PU-DHDP在不同应变条件下π-π堆积和应变硬化的可逆行为（图2）。

图3. 阻燃性能

  阻燃测试结果显示，PU-DHDP的阻燃性能优于另外三组对比样，体现在点燃后立即自熄、通过UL-94 V0级，极限氧指数达38.6%，热释放速率峰值最低。除了磷/氮元素赋予PU-DHDP良好的阻燃性能之外，π-π堆积也具有重要的作用。以PU-BHAPE作为对照组，其粘度会随着温度的升高而急剧下降。相比之下，PU-DHDP的粘度变化趋势则较为平缓，热稳定性和成炭量较PU-BHAPE更高，这是PU-DHDP中π-π堆叠作用实现了物理交联所致（图3）。

图4. 自修复性能

  PU-DHDP 在110°C静置3小时后，其断裂强度恢复95%，断裂应变恢复99%，展现了出色的修复效率。分子动力学模拟显示，随着愈合时间的延长，靠近裂纹区域的两个部分逐渐靠近，裂纹区域的密度分布也逐渐恢复。虽然PU-DHDP的玻璃化转变温度高于其他三个对比样，但PU-DHDP的自修复效率最高，这表明π-π交换主导充当了链扩散的内在驱动力，对修复效果起着关键作用。自修复效果为：PU-DHDP > PU-BHAPE > PU-MDM > PU-DBP。尽管PU-MDM 和PU-BHAPE 的活化能低于PU-DHDP，但由于缺乏链扩散的内部驱动力，它们的修复效率较低。与PU-DBP相比，PU-DHDP 侧链中联苯基团自由度更高，受到周围链的限制较少，因此活化能更低，修复效率更高（图4）。

图5. 多模式纹身传感器应用

  以PU-DHDP为基体制备的裂纹编程弯曲传感器在裂纹区域显示出选择性敏感性，证明了其在检测特定手指弯曲状态方面的潜力。此外，PU-DHDP被用作纹身传感器的超薄封装材料，在连续拉伸条件下，该应变传感器的灵敏度与未使用 PU-DHDP 封装材料制备的传感器几乎相同。为了进一步探究基于 PU-DHDP 的电子皮肤的实时压力感应能力，我们设计了一种类似纹身的金纳米线螺旋形压力传感器，用于模拟生态柔韧手指。该传感器对各种压力变化表现出快速且稳定的响应。通过500次10 kPa的加载/卸载循环测试，电阻振幅未出现显著衰减，这表明其具有出色的稳定性和耐用性（图5）。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73534