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  由于分子結(jié)構(gòu)上的限制，傳統(tǒng)水性聚氨酯（WPUs）彈性體在高應(yīng)力條件下易發(fā)生斷裂，難以實(shí)現(xiàn)理想的強(qiáng)度與韌性的平衡。這一矛盾顯著制約了WPUs彈性體在高端工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，探索新型的分子設(shè)計(jì)策略與改性方法，以突破強(qiáng)度-韌性平衡的瓶頸，已成為高性能聚合物研究的重要方向。

  近期，河北工業(yè)大學(xué)潘明旺教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并合成了一種同時(shí)結(jié)合了動(dòng)態(tài)希夫堿鍵與剛性籠型骨架的硼酸亞胺籠型化合物（BIC），并將其引入WPUs的分子結(jié)構(gòu)中，得到一種新型彈性體（DWPU-BIC-x）。該策略旨在利用BIC獨(dú)特的剛性籠型結(jié)構(gòu)作為“結(jié)構(gòu)樞紐”，通過(guò)構(gòu)建分級(jí)能量耗散機(jī)制來(lái)增強(qiáng)分子間作用力、優(yōu)化應(yīng)力傳遞路徑，從而實(shí)現(xiàn)WPUs強(qiáng)度與韌性的協(xié)同提升。此外，BIC中希夫堿單元的金屬配位能力還能賦予WPUs紅外隱身這一擴(kuò)展功能。值得強(qiáng)調(diào)的是，這種功能拓展具有重要意義，因?yàn)楫?dāng)前紅外隱身材料的研究主要集中在金屬氧化物或一維/二維無(wú)機(jī)材料，而基于金屬-有機(jī)配位網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)策略較少被探索。具體而言，通過(guò)3,5-二甲酰基苯硼酸與三（2-氨基乙基）胺的反應(yīng)合成了BIC，并將其嵌入精心設(shè)計(jì)的WPUs分子結(jié)構(gòu)中（圖1）。當(dāng)BIC的摩爾投料量為0.1 mmol時(shí)，所得彈性體表現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能：強(qiáng)度達(dá)到53.0 MPa，韌性為269.8 MJ m^-3（圖3）。這種強(qiáng)度與韌性的顯著提升直接反映了BIC在調(diào)控能量耗散與構(gòu)筑微交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用（圖2、4、5）。進(jìn)一步地，比較了由-C=N-與不同金屬離子配位后所得彈性體的紅外隱身性能（圖6、7）。結(jié)果表明，與Sm³⁺配位后，材料的電導(dǎo)率提高了3.3倍，紅外發(fā)射率降低了0.12，表現(xiàn)出優(yōu)良的紅外隱身性能。因此，該策略不僅成功突破了傳統(tǒng)WPU在強(qiáng)度與韌性之間的矛盾，而且為其在紅外隱身領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性。該工作以“A New Design Strategy of Schiff-Base Cage Structure for Exceptional Strength-Toughness Waterborne Polyurethanes Toward Application in Infrared Stealth”為題發(fā)表在《Small》上（Small 2025, e07817）。河北工業(yè)大學(xué)博士生周晨同學(xué)為該文章第一作者，潘明旺教授為通訊作者。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持（No.52273007，No.51973050）。

示意圖：DWPU到DWPU-CIC-x網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化示意圖。

圖1 A）BIC 合成示意圖；B）BIC 的傅里葉變換紅外光譜；C）DWPU 和 DWPU-BIC-x 的傅里葉變換紅外光譜以及 D）局部放大傅里葉變換紅外光譜（1800-1600 cm^-1）；E）粒度分布，F）透光率，G）DWPU 和 DWPU-BIC-x 的紫外-可見吸收光譜以及 H）X 射線衍射圖譜。

圖2 A）DWPU、DWPU-BIC-0.1和DWPU-BIC-0.2的差示掃描量熱曲線；B）所有樣品的熱重分析曲線；C）熱阻增加原理示意圖；原子力顯微鏡相圖：D）DWPU、E）DWPU-BIC-0.1、F）DWPU-BIC-0.2；原子力顯微鏡 DMT 模量圖：G）DWPU、H）DWPU-BIC-0.1、I）DWPU-BIC-0.2。

圖3A）DWPU 和 DWPU-BIC-x 薄膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；B）DWPU 和 DWPU-BIC-x 薄膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和韌性；C）DWPU-BIC-0.1拉伸至不同應(yīng)變的照片；D）DWPU-BIC-0.1承重5.0千克的照片；E）DWPU 和 DWPU-BIC-0.1的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；F）未開槽和開槽 DWPU-BIC-0.1的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線；G）開槽 DWPU-BIC-0.1拉伸至不同應(yīng)變的照片；H）DWPU-BIC-0.1與先前報(bào)道材料的斷裂能比較；I）DWPU-BIC-0.1被記號(hào)筆刺穿前后照片。

圖4 A）DWPU-BIC-0.1的100次加載-卸載循環(huán)曲線；B、C）DWPU-BIC-0.1第71至100次循環(huán)的加載-卸載循環(huán)曲線；D）DWPU 和 DWPU-BIC-0.1前10次循環(huán)的滯回面積；E）DWPU-BIC-0.1在2小時(shí)松弛前后的循環(huán)曲線對(duì)比；F）DWPU-BIC-0.1在2小時(shí)松弛前后的耗散面積對(duì)比；G）DWPU-BIC-0.1樣品原始、拉伸和恢復(fù)狀態(tài)的照片；H）DWPU-BIC-0.1隨應(yīng)變?cè)黾拥倪B續(xù)加載-卸載循環(huán)曲線；I）不同應(yīng)變下 DWPU-BIC-0.1的滯回面積和滯回比。

圖5 A）DWPU 和 DWPU-BIC-0.1的流變頻率掃描曲線；B）DWPU 和 C）DWPU-BIC-0.1的流變溫度掃描曲線；在加熱過(guò)程中不同溫度下 DWPU-BIC-0.1的原位傅里葉變換紅外光譜，范圍分別為 D）4000-500 cm^-1，E）3700-3100 cm^-1和F）1750-1600 cm^-1。

圖6A）金屬配位后系統(tǒng)中相互作用的示意圖；B）DWPU-BIC-0.2-Cu、C）DWPU-BIC-0.2-Ni、D）DWPU-BIC-0.2-Al 和 E）DWPU-BIC-0.2-Sm 的 XPS 譜圖；F）不同金屬配位樣品的電導(dǎo)率和紅外發(fā)射率；G）不同質(zhì)量百分比的Sm³⁺ 配位樣品的電導(dǎo)率和紅外發(fā)射率。

圖7 A）涂有 DWPU-BIC-0.2的手的紅外熱像圖；B）涂有 DWPU-BIC-0.2-Sm-16%的手的紅外熱像圖；C）DWPU-BIC-0.2-Sm-16%在人體上的紅外隱身性能；D）不同樣品在75°C加熱時(shí)的溫度變化曲線；E）部分涂有DWPU-BIC-0.2-Sm-16%的高溫軍事裝備模型的紅外熱像圖；F）模擬陽(yáng)光環(huán)境的實(shí)驗(yàn)示意圖；G）不同區(qū)域?qū)?yīng)的溫度變化曲線；H）DWPU-BIC-0.2-Sm-16%的紅外隱身機(jī)制示意圖。

  總之，通過(guò)創(chuàng)新性地引入獨(dú)特的希夫堿衍生籠型化合物，成功制備了一種高性能水性聚氨酯彈性體DWPU-BIC-x，包括優(yōu)異的強(qiáng)度（53.0 MPa，提升7.2倍）、韌性（269.8 MJ m?3，提升8.1倍）、撕裂強(qiáng)度（斷裂能60.0 kJ m?2，提升7.2倍）及疲勞耐受性。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與深入分析揭示了DWPU-BIC-x卓越力學(xué)性能的內(nèi)在機(jī)制。一方面，優(yōu)化的軟硬段微相分離結(jié)構(gòu)有效協(xié)調(diào)了剛性承載域與柔性能量耗散域，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與高延展性的平衡。另一方面，BIC作為“結(jié)構(gòu)樞紐”，通過(guò)調(diào)控強(qiáng)/弱相互作用的犧牲順序以及分子鏈取向，促進(jìn)能量耗散，從而有效分散應(yīng)力并增強(qiáng)材料耐久性。此外，DWPU-BIC-x在與Sm3?配位后，電導(dǎo)率顯著提升，紅外發(fā)射率降低0.12，表現(xiàn)出優(yōu)異的紅外隱身能力。這種力學(xué)穩(wěn)健性與光學(xué)適應(yīng)性的多功能整合體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。本研究為下一代高性能聚氨酯彈性體的分子設(shè)計(jì)與潛在應(yīng)用提供了一種有力的分子工程策略，并推動(dòng)了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的前沿探索。

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于水性聚氨酯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。之前團(tuán)隊(duì)提出了一種物理-化學(xué)結(jié)合的納米-微發(fā)泡策略，通過(guò)有機(jī)硅烷水解縮合原位生成聚硅倍半氧烷包覆可聚合單體和發(fā)泡劑，并將其引入WPUs體系中獲得了多功能微發(fā)泡涂層（Chemical Engineering Journal, 2025, 519, 165166.）；將動(dòng)態(tài)可逆鍵直接集成到納米粒子本身，既能增強(qiáng)納米復(fù)合聚氨酯的堅(jiān)固性又能保持復(fù)合聚氨酯固有的自愈性能（Chemical Engineering Journal, 2024, 487, 150538.）；針對(duì)水性涂層易在金屬基材表面發(fā)生腐蝕的問(wèn)題，通過(guò)巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)，將苯并咪唑接枝到聚氨酯側(cè)鏈中形成共軛苯并咪唑結(jié)構(gòu)，形成了獨(dú)特的“內(nèi)疏外密”結(jié)構(gòu)（Chemical Engineering Journal, 2023, 468, 143573.）；設(shè)計(jì)合成了含有雙硫鍵和酰腙鍵的席夫堿，并將其作為擴(kuò)鏈劑引入聚氨酯中，制備了一系列水性自愈合聚氨酯彈性體（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 19414?19426.）。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202507817