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，带来了沉重的环境负担。由于聚氨酯多为热固性材料，其不溶不熔的交联网络结构导致回收利用难度极大。传统填料法、化学回收法存在试剂消耗量大（＞50%）、有异氰酸酯副产物产生、再生产品经济价值不高等挑战。为此，杭州师范大学朱雨田/刘增贺团队及合作者浙江大学谢涛教授团队前期曾提出部分化学断键、选择性断裂交联位点、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 Communications, 2025, 16, 5117；Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, e202416437；Nature Communications, 2026, 17, 4151）。然而，当前策略所得再生产品性能在成型后即固定不变，其性能与应用场景只能由生产/回收端决定，无法动态适配终端用户需求。

  针对这一瓶颈，研究团队提出了“基于动态键的热触发拓扑异构”的新型化学增值回收策略：通过二肟解聚、丙烯酸酯改性及光固化成型，构建了基于动态肟氨酯键的热触发拓扑转换系统，不仅实现了废旧聚氨酯完全循环利用，还可使终端用户通过简单的热刺激操作来按需编程材料性能并动态适应不同应用场景。该工作为废旧塑料循环利用开辟了一条以“动态适配终端用户需求”为核心理念的全新方向。

  2026年6月29日相关成果以“Upcycling of commodity thermoset polyurethane towards smart materials with end-user-on-demand programmable properties and adaptable applications”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。杭州师范大学朱雨田、刘增贺为共同通讯作者，硕士生李杨飞、陈建军为共同第一作者。

  该研究的核心是在废旧塑料分子网络中构筑“刺激触发拓扑转变系统”：团队以丁二酮肟（DMG）为断键剂，通过部分断裂聚氨酯泡沫网络中的氨酯键、脲键和缩二脲键，将交联网络解构为含二肟和动态肟氨酯键的非交联解聚产物；随后，解聚产物与甲基丙烯酸异氰基乙酯（MAI）反应接枝丙烯酸酯基团，经紫外光固化后形成聚氨酯（PU）/聚丙烯酸酯（PA）互连单网络结构。该再生材料初始呈现柔软弹性；当受到热刺激（100 °C）时，动态肟氨酯键解离，触发PU链段脱落与重组，使初始的PU/PA互连单网络逐渐异构化为互穿双网络。这一转变不仅增强了能量耗散作用，更重要的是大幅缩短了PA链段的交联间距、限制了分子链段运动，使材料从软橡胶转变为硬质/半硬质塑料（模量从5 MPa升至270 MPa，增强54倍）。

图1. 聚氨酯泡沫升级回收为性能可编程智能材料的设计原理。（a）从聚氨酯泡沫废料到数字光处理3D打印产品，实现终端用户按需可编程的力学性能和适配场景。（b）聚氨酯泡沫网络化学转化为含动态肟氨酯键的PU/PA互连单网络。（c）热触发网络拓扑转变（从松散网络到紧密网络）实现力学性能可编程（从软橡胶到硬质塑料）。

  为验证上述机制，团队从分子、纳米和宏观尺度开展了系统研究：（1）分子层面，通过模型小分子实验并结合1H NMR分析，系统研究了丁二酮肟对氨酯键、脲键和缩二脲键的断键机理与动力学，以及肟氨酯键之间的动态交换反应及其动力学。（2）纳米尺度，原子力显微镜（AFM）显示热刺激后形貌从PU/PA互连单网络转变为PU链脱落聚集的连续暗区与PA链堆叠的亮区；小角X射线散射（SAXS）表明，散射峰从q? = 0.05396 ??1（d? ≈ 11.6 nm）移至q? = 0.04876 ??1（d? ≈ 12.9 nm），强度显著增加，表明硬段微区变得更大更纯，印证了PU链段的脱落与聚集。（3）宏观尺度，溶胀实验表明平衡体积溶胀率从223%增至275%，进一步佐证了高溶胀率PU链段脱落；动态热机械分析（DMA）显示玻璃化转变温度向高温移动，归因于PA链段交联间距缩短；红外光谱（FTIR）显示PU/PA链中C-O-C键特征峰逐渐合并，反映了网络互穿结构的形成。这些实验结果协同验证了上述基于动态肟氨酯键的拓扑异构机制。

图2. 聚氨酯泡沫升级回收的化学机理揭示。（a）肟与氨酯键、脲键和缩二脲键的反应。（b）模型化合物实验获得的断键总反应动力学。（c-d）含肟氨酯键模型化合物之间的动态交换反应及其反应动力学。（e-j）再生材料在100 °C热处理前后的（e）AFM 3D图像演变、（f）SAXS谱图演变、（g-h）溶胀动力学演变、（i）DMA谱图演变、（j）FTIR谱图演变。

  基于上述拓扑转变机制，再生材料展现出卓越的力学可编程性。初始模量为5 MPa，100 °C热刺激6小时后可提升至270 MPa，增强54倍，且模量增强呈现时间依赖性，终端用户可通过控制加热时长按需定制弹性模量。通过调节PUF废料含量、辅助添加剂可获得不同力学性能和可编程窗口的材料。所有再生产品均为高价值光固化3D打印树脂，力学性能可媲美商用光固化树脂。通过验证实验、对照实验，证实了动态肟氨酯键是实现力学可编程性的关键。

图3. 力学可编程性。（a-c）基于肟介导动态化学的聚氨酯泡沫废料再生材料在100 °C热刺激下的显著力学性能演变。（d-e）验证实验：基于原始高纯度聚氨酯原料的分子设计、网络拓扑转变及热触发力学演变。（f-g）对照实验：采用乙二醇为断键剂时再生材料拓扑结构和力学的持久不变性。

  得益于光固化前驱液的数字光处理3D打印能力，再生材料可被加工为复杂几何结构；而热刺激下54倍的模量增强（5 MPa至270 MPa）则进一步解锁了多种终端用户可参与编程的应用场景：（1）便携式、多用途细丝：初始柔软态可卷曲收纳、方便携带/运输，也可捆绑物品；热刺激后，可转变为刚性长杆、承重挂钩。（2）便携式、多用途薄膜：初始柔软态可卷绕/平铺收纳、方便携带/运输；热刺激并辅助剪纸技术后，可转变为刚性承重桌、风扇叶片。（3）弹性系数可调弹簧，满足多种悬挂系统需求：通过调节热刺激时间/局部区域调控。（4）可切换缓冲/支撑材料系统。（5）仿生力学梯度：通过空间选择性热刺激（内层冰冷却、外层吹风加热），可在单一材料内部构筑从柔软到刚硬的连续力学梯度，为仿生工程提供新思路。

图4. 力学可编程再生材料的概念验证性应用展示。（a）3D打印赋能再生产品构建可定制化复杂几何结构。（b-c）便携式、多用途细丝和薄膜。（d）弹性系数可调弹簧。（e）可切换柔性缓冲/硬性支撑材料系统。（f）仿生力学梯度。

  值得注意的是，各中间状态在室温下稳定（存放两周模量无变化，30%应变下10次循环不影响最终硬化模量），终端用户可通过控制加热时长分步编程。达到最大刚度后，材料仍可通过肟介导解聚、丙烯酸酯接枝、光固化再次循环利用，新再生产品可恢复柔性状态，且依然具备热触发硬化能力。所有试剂均为商业化廉价原料，工艺温和，易于工业推广。该策略将聚氨酯废料转化为可编程智能材料，赋予了终端用户按需定制产品性能的能力，为废旧塑料循环利用开辟了一条以“动态适配终端用户需求”为核心理念的全新方向，极具应用吸引力。

  该工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金的支持。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73873