本研究由北京化工大学材料科学与工程学院、化工资源有效利用国家重点实验室的Dongxiang Chen、Wenlong Wang等研究人员完成，通讯作者为Yan Song和Guo Liang Li。该研究成果于2026年发表在学术期刊Macromolecular Rapid Communications上。
自修复聚合物（self-healing polymers）因其在恶劣环境下具有长服役寿命和高安全性的特点而备受关注。近年来，随着对环境可持续材料需求的日益增长，制备兼具优异力学性能和可回收性的自修复材料变得尤为重要。然而，目前同时具备高力学性能、自修复能力和可回收性的聚合物材料仍然十分有限。
在研究策略上，科学家们通过在聚合物中引入动态共价键（dynamic covalent bonds）和非共价键（non-covalent bonds），利用可逆键断裂与重组的原理来实现网络的动态交换。已有研究将氮配位的硼氧烷（nitrogen-coordinated boroxines）、可逆Diels-Alder交联网络、金属-配体相互作用（metal-ligand interactions）、动态二硫键（dynamic disulfide bonds）等多种动态键体系引入聚合物中，但这些策略在构建同时具备高性能和化学可回收性的自修复材料方面仍存在局限。
针对这一挑战，本研究的核心目标是：通过引入不同分子量的刚性聚碳酸酯链段（polycarbonate segments）以及多级氢键（hierarchical H-bonds）基序，制备一种兼具可回收性、自修复能力和优异力学性能的聚合物材料。
本研究设计并合成了一系列可回收自修复聚合物材料（recyclable self-healing polymer materials，简称RSPM）。合成过程采用了四种主要单体组分：不同分子量的聚碳酸酯二醇（polycarbonate diol，PCDL），4,4’-亚甲基双(环己基异氰酸酯)（HMDI），1,4-丁二醇（BDO），以及U2-二醇（U2-diol）。
研究设计了多组RSPM变体（variants）以系统考察PCDL分子量和多级氢键含量的影响。具体而言，RSPM0为不含PCDL的对照组；RSPM1至RSPM4分别采用分子量为500、1000、2000和3000 g/mol的PCDL；RSPM5至RSPM8则在固定PCDL分子量为1000 g/mol的基础上，调整U2-二醇与BDO的比例，以获得不同含量的多级氢键基序。所得聚合物的数均分子量（Mn）范围为2.0×10⁴至8.4×10⁴ g/mol，多分散性指数（PDI）在1.60至3.10之间。
研究采用¹H核磁共振（¹H NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对材料的化学结构进行了确认。在¹H NMR谱图中，4.01 ppm处的共振信号归属于与碳酸酯键（carbonate linkage）相邻的亚甲基质子。FT-IR光谱中，2277 cm⁻¹处异氰酸酯基团（-NCO）不对称伸缩振动峰的消失，以及3320 cm⁻¹处N-H伸缩振动峰的出现，表明HMDI中的所有-NCO基团均已与-OH完全反应。
与RSPM0相比，RSPM1–4在约1744 cm⁻¹处展现出归属于聚碳酸酯中羰基（C=O）伸缩振动的吸收峰，且峰强度随PCDL分子量的增加而逐渐增强。此外，在1600–1800 cm⁻¹范围还观察到多级氢键相互作用的特征峰：1644 cm⁻¹处对应有序氢键键合脲C=O，1660 cm⁻¹对应无序氢键键合脲C=O，1698 cm⁻¹对应氢键键合氨基甲酸酯C=O及游离脲C=O，1718 cm⁻¹对应游离氨基甲酸酯C=O。
为探究不同PCDL分子量下RSPM材料的微观结构，研究团队进行了差示扫描量热法（DSC）、X射线衍射（XRD）和小角X射线散射（SAXS）测试。DSC曲线和XRD图谱显示，RSPM0和RSPM2在加热过程中无吸热峰，呈现无定形光晕（amorphous halos），表明其为无定形结构。而RSPM3和RSPM4在约50°C处出现吸热峰，并在2θ=20°和23°处分别观察到明显衍射峰，说明当PCDL链段分子量超过2000 g/mol时，聚合物中形成了PCDL结晶相。
SAXS曲线显示所有RSPM样品均呈现散射峰。RSPM0和RSPM2在相近的q值处呈现微弱散射信号，其微相分离结构由多级氢键相互作用诱导形成。RSPM3和RSPM4则表现出更尖锐的散射信号和更低的q值，这归因于PCDL链段的结晶行为。
通过动态力学分析（DMA）测定的玻璃化转变温度（Tg）分别为：RSPM0约-17°C，RSPM2约17°C，RSPM3约-7°C，RSPM4约-15°C。Tg的降低与PCDL链段长度增加促进链段运动有关。
研究系统评估了不同PCDL分子量下RSPM材料的力学性能。通过调整PCDL链段的分子量，可有效调控材料的拉伸强度（tensile strength）和韧性（toughness）。当PCDL分子量为1000 g/mol时，拉伸强度和韧性达到峰值，分别为68 MPa和166.2 MJ/m³。随PCDL分子量进一步增加，拉伸强度和韧性均有所下降。
杨氏模量（Young’s modulus）随PCDL分子量增加呈先降后升的趋势。RSPM1因PCDL链段较短而含有高密度硬段（hard segments），表现出高杨氏模量和脆性。随PCDL链段增长，链延展性提高，展现出良好的拉伸强度和韧性。但当PCDL链段足够长而形成结晶结构时，材料再度变脆，拉伸强度和韧性随之下降。
随多级氢键含量的增加，硬段比例上升，杨氏模量提高。但过量的氢键限制了聚合物链的活动性，导致断裂伸长率（fracture elongation）略有降低，进而使拉伸强度轻微下降。尽管如此，各试样的拉伸强度始终维持在50–70 MPa的较高水平。此外，样品在不同应变条件下展现了弹性形变和回复特性。
为评估RSPM的自修复能力，研究者在聚合物薄膜上制造划痕，然后在70°C下进行不同时间的热处理。经过18小时修复后，薄膜上的深划痕几乎完全消失，修复后的材料可拉伸至超过其原始长度。
定量评估中，研究者将哑铃形聚合物薄膜切成两段，在不同温度和时长下进行修复测试。结果表明，在60°C、70°C和80°C条件下修复24小时后，修复效率（healing efficiency）分别达到27%、70%和72%，呈现出温度依赖性。修复时间的演变也呈现类似规律：修复6、12、24和48小时后，拉伸强度恢复的修复效率分别为39%、54%、70%和78%。
对比实验显示，不含多级氢键相互作用的RSPM5在70°C修复24小时后迅速断裂，修复效率仅为约10%。随多级氢键含量增加，修复效率先升后降。RSPM2在70°C修复24小时后达到70%的最高修复效率。在该系列中，RSPM2和RSPM3表现出显著的自修复性能，而RSPM1因其高玻璃化转变温度而缺乏自修复能力，RSPM4则因高结晶度而丧失了该性能。
FT-IR光谱用于阐明修复过程中氢键相互作用的动态演变规律。对C=O伸缩振动区域的去卷积分析表明，随着多级氢键基序含量的增加，氢键键合C=O的比例从68.0%提升至83.1%。增强的动态相互作用为分子交换提供了更多的重组位点，从而促进了自修复能力。
变温FT-IR光谱（30–120°C范围）显示，随着温度升高，氢键键合氨基甲酸酯C=O及游离脲C=O（1700 cm⁻¹）、无序氢键键合脲C=O（1668 cm⁻¹）、N-H伸缩振动（3320 cm⁻¹）和有序氢键键合脲C=O（1644 cm⁻¹）的强度逐渐降低，而游离氨基甲酸酯C=O（1718 cm⁻¹）的强度则相应增强。这表明多级氢键在加热过程中发生解离，从而促成断裂界面处网络的修复。
研究分别探索了RSPM的物理回收和化学回收方法。
物理回收方面，将RSPM2样品粉碎后在80°C、30分钟条件下进行热压（hot-pressing）处理，重新制成聚合物薄膜。回收后样品的应力-应变曲线与原始样品几乎完全一致，证实了材料优异的物理可再加工性。
化学回收方面，采用低共熔溶剂（deep eutectic solvent，DES）在170°C下处理8小时，通过对氨基甲酸酯键和脲键的选择性断裂实现聚合物解聚，随后用水和丙酮进行纯化，成功回收了高价值的PCDL单体。回收PCDL的FT-IR光谱在3500 cm⁻¹和2900 cm⁻¹处呈现与标准PCDL一致的羟基和亚甲基伸缩振动吸收带，1744 cm⁻¹处的特征峰对应于羰基C=O伸缩振动。¹³C NMR和¹H NMR谱图进一步确认回收PCDL的化学结构与标准样品完全一致。
本研究成功合成了一种可回收自修复聚合物材料（RSPM），通过引入一系列不同分子量的PCDL和不同含量的多级氢键基序，实现了力学性能和自修复能力的综合优化。其中，RSPM2聚合物达到了超过68 MPa的拉伸强度，并在70°C修复24小时后展现出70%的自修复效率。该材料兼具通过热压再加工实现物理回收，以及通过DES介导解聚选择性回收PCDL单体的化学回收能力。
本研究的科学价值在于：系统揭示了刚性聚碳酸酯链段和多级氢键基序在协同增强聚合物力学性能和赋予其自修复能力方面的作用机制，为高性能自修复材料的设计提供了新的策略。在应用价值方面，该材料集高性能、物理/化学可回收性和自修复能力于一体，有望在可持续工程领域获得广泛应用。
本研究的主要亮点包括：（1）首次将刚性聚碳酸酯链段与多级氢键基序相结合，成功构建了兼具高力学性能和自修复能力的聚合物体系，拉伸强度超过68 MPa；（2）实现了材料的双重可回收性——既可通过简单的热压进行物理循环利用，又可通过DES介导的化学解聚实现高价值PCDL单体的选择性回收；（3）通过系统的结构-性能关系研究，阐明了PCDL分子量和多级氢键含量对聚合物结晶行为、玻璃化转变温度、力学性能和自修复效率的影响规律，为同类材料的设计提供了系统的理论指导。