英国雷丁大学化学系，一种自修复含侧链双芳香脲识别单元的超分子聚氨酯弹性体-行业新闻-CSPUE 2026中国(苏州)国际聚氨酯产业链展览会-【官方网站】

英国雷丁大学化学系，一种自修复含侧链双芳香脲识别单元的超分子聚氨酯弹性体

发布时间：2025-10-28

1. 概述

近日，由英国雷丁大学化学系 Wayne Hayes 教授团队牵头，联合 Domino UK Ltd、Kinectrics UK Ltd 共同完成的研究成果，在国际期刊《ACS Applied Polymer Materials》（2024 年第 6 卷，页码 15242-15252，DOI：10.1021/acsapm.4c03135）发表。该团队成功开发出一种含侧链双芳香脲识别单元的超分子聚氨酯弹性体，其优异的自修复性能和可调力学特性，为电缆涂层、电子封装等对 “可靠性” 和 “低维护” 有高需求的领域，提供了绿色且长效的材料新选择。

2. 材料制备方法

核心制备思路

以 “非共价相互作用调控材料功能” 为核心，设计兼具弹性与自修复性能的超分子聚氨酯弹性体。

软段选择：以聚四亚甲基醚二醇（PTMG）为软段，利用其优异的柔韧性为材料提供基础弹性，适配涂层对 “柔性” 的需求；

功能单元设计：合成含双芳香脲结构的扩链剂（1 和 2，硝基分别位于苯环间位和对位），通过双芳香脲的氢键作用及 π-π 堆积作用，构建超分子交联网络 —— 这是材料实现自修复性能的关键；

性能调控策略：通过调整扩链剂的添加比例（2.5-15 mol%），调控材料中的氢键密度，进而实现力学性能（拉伸强度、弹性）和自修复效率的精准调控；

制备工艺：采用两步法合成（预聚体制备→链延长）及溶液浇铸制膜，工艺简单易操作，利于后续工业化应用。

2. 关键制备方法（分步骤）

（1）扩链剂 1 和 2 的合成

第一步：5 - 氨基间苯二甲酸与 3 - 硝基苯基异氰酸酯（或 4 - 硝基苯基异氰酸酯）反应，生成对应的二酰脲中间体（反应路线见 Scheme 1）；

第二步：采用硼烷选择性还原二酰脲中的羧基，得到含羟基的双芳香脲扩链剂 —— 其中，与 3 - 硝基苯基异氰酸酯反应生成的是扩链剂 2（硝基位于间位），与 4 - 硝基苯基异氰酸酯反应生成的是扩链剂 1（硝基位于对位），通过 ¹H NMR 可验证羧基还原的选择性（羧基特征峰 4.0-5.0 ppm 消失，出现羟基峰 5.20 ppm 和苄基峰 4.47 ppm）。

（2）超分子聚氨酯弹性体（SPEs）的合成

预聚体制备：将 PTMG（数均分子量 Mn=2000 g/mol）与 2.05 当量的六亚甲基二异氰酸酯（HMDI）混合，在二月桂酸二丁基锡（DBTDL）催化下发生反应，生成具有反应活性的二异氰酸酯预聚体（反应在本体体系中进行，见 Scheme 2）；

链延长反应：将上述预聚体用无水 N,N - 二甲基乙酰胺（DMAc）稀释，加入 1,3 - 苯二甲醇作为共扩链剂，同时加入 2.5-15 mol% 的扩链剂 1 或 2，通过缩聚反应实现链延长，最终得到 12 种 SPEs：间位硝基系列（SPE1-6）和对位硝基系列（SPE7-12）。

（3）SPEs 膜的制备

通过溶液浇铸法制备弹性体膜：将 SPEs 溶于 THF 形成均一溶液，在 PTFE 模具中逐步蒸发溶剂并真空干燥（控制温度 60℃、分阶段调整真空度），最终得到厚度均匀、结构稳定的弹性体膜，用于后续性能测试。

3. 图文导读

图1. (A) SPE1-6 的小角 X 射线散射（SAXS）强度曲线；(B) SPE7-12 的小角 X 射线散射（SAXS）强度曲线。所有数据集均在室温下获取。(C) SPE1-6 的广角 X 射线散射（WAXS）强度曲线；(D) SPE7-12 的广角 X 射线散射（WAXS）强度曲线。所有数据集均在室温下获取

图2. 超分子弹性体的代表性应力-应变曲线。

图 3 为 SPE1 膜在 90℃下的实时愈合过程光学观察结果，以时间序列（t=0、1、2、3、6、12、24、36、40 分钟）记录切口变化：

图 3 为 SPE1 膜在 90℃下的实时愈合过程光学观察结果，以时间序列（t=0、1、2、3、6、12、24、36、40 分钟）记录切口变化。

t=0 分钟：SPE1 膜表面被手术刀划开十字切口，切口清晰可见，边缘无明显流动现象，表明室温下材料呈弹性固体状态。

t=1 分钟：热台升温至 90℃后，切口边缘的 SPE1 材料开始出现轻微流动，逐渐填充切口空隙，体现超分子材料在温度刺激下的动态流动性。

t=3-12 分钟：切口区域材料持续流动并发生 “拉链式” 愈合，切口宽度显著缩小，硬段与软段的超分子作用（氢键、π-π 堆积）开始重新构建，推动切口边缘分子链重组。

t=24 分钟：切口几乎完全闭合，仅残留极细的边界痕迹，说明材料的超分子交联网络已基本修复，分子间作用力恢复至接近原始状态。

t=40 分钟：表面仅残留微弱划痕，无明显切口痕迹，愈合过程基本完成，验证了 SPE1 在 90℃下具有高效的自修复能力，且愈合后材料表面完整性良好。

4. 总结

聚焦含侧链双芳香脲识别单元的可愈合超分子聚氨酯弹性体研发，旨在解决传统聚氨酯涂层难自愈、性能难调控的问题，适配电缆等领域对低维护材料的需求。研究以聚四亚甲基醚二醇（PTMG）为软段，合成硝基分别位于苯环间位 / 对位的双芳香脲扩链剂（1、2），通过两步法（预聚体制备→链延长）合成 12 种超分子弹性体（SPE1-12，扩链剂占比 2.5-15mol%），经溶液浇铸制膜。结构表征显示，材料靠双芳香脲氢键与 π-π 堆积形成超分子交联网络，SAXS/WAXS 证实硬 - 软段纳米相分离（约 157Å）；力学性能可调，间位硝基系列拉伸强度更高（SPE6 达 17.93MPa），对位系列自愈效率更优（部分超 100%）；90℃下 40 分钟切口近愈合，SPE12 铝基材搭接剪切强度 2.91MPa。结论指出，该材料兼顾力学性能与自愈性，为可修复涂层提供新方案，也为超分子弹性体性能调控提供思路。