本研究由南京理工大学国家特种超细粉末工程技术研究中心的Tu Jing、Xu Heng、Tian Jingqing、Li Haozhe、Liang Li、Li Pingyun及通讯作者Guo Xiaode等人完成，于2023年4月8日在线发表于*Chemical Engineering Journal*第465卷，文章编号142887。该研究属于高分子材料科学与自修复材料领域，旨在解决室温自修复弹性体中机械强度与自修复效率之间长期存在的矛盾。研究者提出了一种“结构功能区域优化策略”，通过一步共聚不同分子量的聚醚胺与异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），构建了一种兼具高强度与超快室温自修复性能的聚脲弹性体。

自修复弹性体在电子元件、防腐涂层、界面粘接等领域具有广阔应用前景，然而大多数自修复材料需要高温、紫外光或溶剂等外部条件才能完成修复。通常使用环境中难以满足这些条件，因此发展自主、室温自修复弹性体成为研究趋势。室温自修复材料主要依赖超分子相互作用或可逆共价键构建，但可逆共价键的引入可能降低材料的光透过率或化学稳定性，而基于超分子作用的材料虽更可靠，却面临机械性能与自修复效率难以兼得的瓶颈。已有研究通过动态微相硬段结构、仿生多级活性硬段、自发诱导取向结晶等策略提升室温自修复材料的强度，但自修复时间通常较长。本研究的关键科学问题是合理调控链段动力学，既使硬段堆叠结构易于解离，又保证软段长链具有充分运动能力。

本研究的核心方法为长链聚醚胺D-2000与短链聚醚胺D-400按不同摩尔比与IPDI一步共聚。胺基与异氰酸酯基的高反应活性使得合成过程快速简便，有利于工业化生产。D-400分子链较短，形成高密度氢键功能区域；D-2000分子链较长，形成低密度氢键功能区域。高密度氢键区域具有较高分子能垒，可提升聚合物网络刚性与机械强度；低密度氢键区域链段运动效率高，可促进自修复性能。通过调节D-2000与D-400的比例，可获得不同力学与自修复性能的聚脲样品，命名为PU-S10L0、PU-S9L1、PU-S8L2和PU-S7L3。其中PU-S8L2的D-2000与D-400摩尔比为2：8，综合性能最优。

在材料表征方面，傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实2250 cm⁻¹处无异氰酸酯特征峰，表明NCO完全反应；3340 cm⁻¹和1640 cm⁻¹处出现脲基N–H和C=O特征峰，1260 cm⁻¹处出现C–O–C伸缩振动峰。变温原位FTIR显示温度升高会削弱氢键稳定性。二维同步红外光谱显示C=O振动可分为有序氢键、无序氢键和自由伸缩振动三个同步峰，其中1628 cm⁻¹的有序氢键峰最明显。X射线衍射（XRD）图谱显示所有样品在2θ=20°处仅有弥散峰，证明聚合物为非晶态结构，有利于链段迁移。原子力显微镜（AFM）相图显示高含量长链样品中软硬相分布混合，归因于低密度氢键区域对硬相的溶解作用。热重分析表明样品初始分解温度约250°C，分解分两个阶段：脲基先分解，聚醚主链后分解；D-2000比例增加可提高第二阶段热分解峰的明显程度，说明长链结构有利于提升耐热性。

动态力学分析（DMA）显示PU-S7L3、PU-S8L2、PU-S9L1的玻璃化转变温度（Tg）约为−50°C，表明聚合物链在室温下具备构象调整与迁移能力，这是室温自修复的前提。损耗因子曲线出现分别对应低密度氢键功能区域和高密度氢键功能区域的两个内摩擦峰，证实了区域共存机制。旋转流变仪温度扫描显示PU-S10L0、PU-S9L1、PU-S8L2、PU-S7L3的储能模量与损耗模量交点温度分别为133°C、127°C、101°C和92°C，说明氢键密度越高，状态转变所需活化能越大。频率扫描显示PU-S7L3、PU-S8L2、PU-S9L1在80°C下的模量交点频率分别为0.4 Hz、0.06 Hz和0.004 Hz，而PU-S10L0无交点；这表明低密度氢键区域可提高分子链运动效率。PU-S8L2在室温下的模量交点频率为0.0003 Hz，表现出优异的室温分子松弛能力。

力学性能测试中，应力松弛显示PU-S10L0衰减最慢，PU-S7L3最快，表明高氢键密度提高内摩擦阻力，而低密度氢键区域提高链段运动活性。拉伸曲线显示PU-S10L0拉伸模量最高，随着D-2000含量增加，断裂伸长率逐渐增加，归因于长链结构可自发形成折叠或卷曲结构提高空间折叠率。PU-S8L2的拉伸强度为17.2 MPa，断裂伸长率超过1000%，韧性为63.8 MJ/m³。循环拉伸曲线中PU-S10L0滞后环面积最大，PU-S7L3最小，说明低密度氢键区域具有较强的形变缓冲能力。PU-S8L2还表现出优异的抗穿刺性能和对缺口不敏感性。带缺口拉伸实验中，应变低于300%时缺口扩展不明显，应变达600%后缺口逐渐扩展，应变达900%后缺口沿拉伸方向持续扩展且边缘粗糙。通过Greensmith方法计算得到的断裂能高达105.7 kJ/m²，在已报道的室温自修复材料中处于领先水平。氢键的能量耗散机制为：外力传递到聚合物网络时，高度可逆的异佛尔酮脲氢键自发解离耗散能量，循环拉伸的滞后环证实了这一过程。

自修复性能方面，自修复过程分为界面弱氢键重组和分子链段深层迁移两个阶段。PU-S8L2在拼接30秒后即可承受500 g重物，说明弱氢键的快速重组对前期自修复至关重要。表面划痕自修复实验显示，PU-S7L3在2小时内划痕基本愈合，而PU-S10L0在4小时后无显著变化，说明长链结构通过促进链段运动提高自修复效率。力学性能恢复测试显示PU-S7L3在室温自修复2小时后即可完全恢复，而PU-S10L0即使延长至12小时也无自修复效果。PU-S8L2在1小时内恢复30%机械强度，2小时恢复至65%，4小时基本完全恢复。在拉伸强度大于15 MPa的室温自修复材料中，PU-S8L2的自修复速度最快。对照样品以D-2000与D-230按摩尔比1：9共聚，具有与PU-S10L0相同的氢键密度，但其断裂伸长率和自修复效率略高而拉伸强度略低，证明了结构功能区域优化策略对提升材料综合性能的重要性。

在应用方面，研究将PU-S8L2作为基体制备导电高分子复合材料。制备流程为：先提取银纳米线溶液，使纳米线自组装成具有堆叠结构的薄片；再将银纳米线薄片压入聚合物基体表面形成导电复合材料；最后将复合材料接入含电源和电器的闭合回路验证导电性。实验显示复合材料接通电路后灯泡点亮，切断后灯泡熄灭，重新拼接后灯泡亮度降低但再次点亮。室温放置4小时后，灯泡亮度几乎恢复至初始状态，说明导电能力进一步恢复。电阻测量显示初始电阻为0.4 Ω，拼接后为4.2 Ω，随自修复时间延长电阻逐渐下降，180分钟后恢复至0.9 Ω，达到修复极限。这表明基体自修复行为有助于银纳米线结构重组，但无法完全恢复至初始导电状态。此外，导电复合材料表面划痕在4小时内消失，归因于聚合物基体良好的损伤自修复能力。

本研究的结论是：通过一步共聚法成功制备了兼具超快室温自修复能力与高强度力学性能的聚脲弹性体。当D-2000与D-400摩尔比为2：8时，PU-S8L2在室温下6小时内几乎完全恢复机械强度，同时具有最高17.8 MPa的拉伸强度和105.7 kJ/m²的断裂能。PU-S8L2在机械强度高于15 MPa的已报道自修复材料中具有最快的自修复速率。这一策略为发展高强度、快速室温自修复材料提供了新思路。研究的科学价值在于提出并验证了“低密度氢键功能区域促进自修复、高密度氢键功能区域增强机械性能”的协同机制，解决了自修复材料领域强度与修复效率难以兼得的核心矛盾。应用价值方面，该材料在可修复导电高分子复合材料中展现了良好的应用前景，可用于柔性电子、可穿戴设备及智能防护材料等领域。研究亮点包括：简单的“长-短链桥接”一步合成策略、高密度与低密度氢键功能区域的独特拓扑结构设计、优异的综合力学性能（高强度、高韧性、高断裂能）以及超快室温自修复能力。此外，该材料还具有良好的透明性、可回收性和抗穿刺性能，进一步拓展了其潜在应用范围。