交联聚氨酯因其优异的机械性能和耐久性而被广泛用作高性能弹性体，然而如何在使用稳定性与回收动态行为之间实现平衡仍是一项关键挑战。
2025年7月31日，清华大学张希教授、中科院长春应化所陈全研究员在Journal of the American Chemical Society期刊发表题为“Supertough and Multirecyclable Cross-Linked Polyurethane Enabled by Supramolecular Chain Extenders and Noncovalent Cross-Linkers ” 研究论文。清华大学化学系21级博士生赖威衡为论文第一作者，张希教授、陈全研究员为论文共同通讯作者。
随着全球可持续发展和环境保护日益受到关注，塑料与弹性体的可持续管理已成为一个关键问题。聚氨酯作为一种高性能弹性体，因其优异的机械性能、耐久性和耐化学性，被广泛应用于家具、汽车和建筑等领域。这些优势使其需求量大增，全球年市场规模达2500万吨，成为全球第六大生产量的聚合物。然而，与可通过再熔融或溶剂溶解回收的热塑性聚氨酯不同，交联聚氨酯因其永久交联结构而面临显著的回收挑战。因此，其生命周期末端处理方式主要局限于焚烧和填埋，这与循环聚合物经济和可持续发展的目标相矛盾。
超分子聚合物化学的进展为通过非共价相互作用的动态特性提升交联聚合物的机械性能和可回收性提供了一种有前景的策略。例如，氢键单元可被引入聚合物网络的链端或链内。通过非共价相互作用形成的超分子链延伸剂可在链端引入氢键单元，赋予材料动态性和可回收性。作为化学回收的补充途径，超分子链延伸剂的添加使得交联聚氨酯无需破坏共价键即可实现物理回收。然而，过量使用超分子链延伸剂可能会损害聚氨酯的网络完整性和耐溶剂性。此外，通过在链内引入氢键单元形成额外的非共价交联，可显著提升聚氨酯的机械性能。尽管有此增强，完整的共价交联网络仍限制了其可回收性。因此，超分子聚合物材料的一个关键挑战在于如何在使用稳定性与回收动态行为之间实现协同。
研究人员设想是否能在提升交联聚氨酯在操作条件下的机械性能和热机械稳定性的同时，优化其动态特性以改善可回收性。为此，该研究尝试引入一种基于超分子链延伸剂与非共价交联剂协同作用的新策略，以制备具有优异机械性能、出色热机械稳定性和卓越多次可回收性的交联聚氨酯。通过策略性整合这些动态组分，所得交联聚氨酯不仅能按需调节有效交联密度并增强机械性能，还展现出快速网络重构和显著的热诱导流动性等独特性质。据研究人员所知，该研究实现的机械性能和回收效率优于商用聚氨酯及此前报道的材料。使用稳定性与按需动态可回收性的紧密结合为推进交联聚合物的可持续发展提供了有前景的策略，并有望应用于其他可持续材料的制备。
图1. (a)先前工作和(b)本工作的示意图。(c)SₓNᵧCz的合成路线及各组分化学结构：通过四重氢键连接的二羟基超分子链延伸剂(UPy−OH)₂、非共价交联剂前体(AHPy)、二异氰酸酯(HMDI)、聚醚多元醇(PTMG-2000)以及共价交联剂(TEOA)。
图2. SₓNᵧCz的光学性能与综合力学性能表征。(a) SₓNᵧCz的紫外-可见光谱。插图：S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁的照片（无色透明）。(b) SₓNᵧCz在50 mm/min拉伸速率下的典型应力-应变曲线。(c) SₓNᵧCz机械性能的汇总。(d) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁在不同拉伸速率下的典型应力-应变曲线。(e) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁在不同拉伸速率下的拉伸应力和韧性。(f) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁在不同恢复时间后的循环拉伸曲线。(g) SₓNᵧCz在400%应变下的韧性及其在3小时恢复后的恢复率。
图3. (a) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁回收过程的照片（比例尺：1 cm）。(b) 原始与再加工S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁样品的温度扫描曲线，展示储能模量（E′）和损耗角（tan δ）随温度的变化。(c) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁多次回收后的应力-应变曲线。(d) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁多次回收后的杨氏模量、拉伸强度和韧性。
图4. (a) SₓNᵧCz的DMA曲线，展示弹性体的储能模量（E′）和损耗角（tan δ）随温度的变化。(b) S₀N₀C₀.₁₁和(c) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁在参考温度150 °C下的主曲线。(d) SₓNᵧCz的零剪切粘度（η₀）随温度倒数的阿伦尼乌斯图。(e) 不同SₓNᵧCz聚氨酯在110 °C下的应力松弛曲线。(f) SₓNᵧCz在20 kPa恒定应力下12小时后的蠕变应变及其5小时后的恢复率。
图5. (a) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁样品在不同溶剂中浸泡后的完整状态照片。(b) 干燥后的SₓNᵧCz样品在不同溶剂中浸泡24小时后的凝胶分数。(c) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁在80 °C的H₂O和DMSO中浸泡24小时前后的照片。(d) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁弹性体在不同溶剂中浸泡并干燥后的典型应力-应变曲线。(e) S₀.₀₅N₀.₁₁C₀.₁₁与商用交联聚氨酯及文献报道材料的回收效率综合评估（基于拉伸应力）和(f)断裂伸长率。
总之，该研究开发了一种具有卓越机械性能、强抗蠕变性和出色耐溶剂性的可多次回收交联聚氨酯。这种先进的热固性材料是通过在共价交联聚氨酯中引入氢键超分子链延伸剂与非共价交联剂的共聚而设计的。链端和链内四重氢键的策略性协同作用提供了可逆的额外非共价交联，并赋予网络动力学可调性。因此，该热固性材料不仅实现了优异的机械性能和显著的热机械稳定性，还展现出卓越的多次可回收性，显著优于传统交联聚氨酯。总体而言，该研究为同时实现交联聚氨酯的使用耐久性与动态可回收性提供了一种独特且有效的策略，为交联聚合物的可持续发展目标开辟了有前景的途径。预计该策略可拓展至其他热固性聚合物，从而实现优异的机械性能和优化的动态行为。
原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c10178
相关进展
免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
点
这里“阅读原文”，查看更多