本研究由南京大学化学化工学院的邢翀、张秋红、贾叙东等人主导，联合内蒙古大学、广州秀珀化工涂料有限公司、日本涂料（中国）有限公司等多家单位的研究人员共同完成。研究成果发表于高分子科学领域知名期刊 Macromolecular Rapid Communications，于2026年2月28日投稿，经修订后于同年4月30日正式接收发表。论文标题为《Rapid Self-Healing Polyurethane Elastomer Based on Ionic Aggregation for Triboelectric Nanogenerator》。
自愈合材料因其能够显著延长电子产品使用寿命并降低维护成本的能力，在电子器件领域受到广泛关注。然而，在当前自愈合弹性体的主流设计策略中，引入动态可逆相互作用（如氢键、金属配体配位键、动态共价键等）往往导致材料的机械性能与自愈合效率之间难以兼得。这一矛盾源于大量动态弱相互作用的引入必然以牺牲材料刚性为代价。因此，如何在实现高效室温自愈合的同时保持优异的力学强度，成为该领域的核心挑战。
与此同时，摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）作为一种将机械能转化为电能的新兴能量收集技术，自2012年取得突破以来展现出巨大的应用潜力。然而，TENG的摩擦层在持续摩擦运动过程中不可避免地会出现疲劳、划痕或切割损伤，导致摩擦电输出性能下降。因此，兼具自愈合能力和良好机械特性的摩擦层材料成为迫切需求。
基于上述背景，本研究提出了一种“增韧刚性”策略：通过用非结构化但更具可逆性的动态结构替代结构化但可逆性较差的结构，在保证材料一定机械强度的同时，解锁分子链的运动能力。具体而言，研究者选择在聚氨酯（Polyurethane，PU）体系中引入侧链含羧基和咪唑鎓盐（imidazolium salts）的结构，通过离子聚集（ionic aggregation）构建动态物理交联点，从而获得兼具高力学强度和快速自愈合能力的弹性体材料。
研究团队选取咪唑鎓阳离子与羧基作为实现力学性能-自愈合性能平衡的关键官能团。合成路线采用离子交换法，将羟基功能化的咪唑鎓盐与DMPA（2,2-双（羟甲基）丙酸）阴离子结合，形成功能化多元醇，随后作为扩链剂引入线性聚氨酯体系。通过调控咪唑鎓盐的摩尔百分比以及咪唑环N-1位烷基链的长度，合成了一系列被命名为Cn-x（其中n = 4、8、12，代表烷基链长度；0 < x < 1，代表咪唑鎓在扩链剂中的摩尔百分比）的聚氨酯样品。同时制备了不含咪唑鎓的纯聚氨酯（neat PU）作为对照。
傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析确认了聚合物的成功合成。在2270 cm⁻¹附近未观察到异氰酸酯基团的特征峰，表明异氰酸酯已完全转化为氨基甲酸酯键。对于IL-PU样品，其羰基特征峰出现在1700 cm⁻¹处，而neat PU的羰基峰位于1683 cm⁻¹处，前者向高波数位移表明咪唑鎓盐的引入显著削弱了硬段间氢键的有序性，从而解锁了分子链的刚性缠结。
透射电子显微镜（TEM）观测到尺寸为1至5 nm的聚集体，推断为羧基与咪唑鎓基团相互作用形成的离子聚集体。小角X射线散射（SAXS）测量显示，C12系列样品在q ≈ 1 nm⁻¹处出现吸收峰，对应于约7 nm的平均域间距，进一步证实了纳米尺度离子聚集体的形成。
动态力学分析（DMA）表明，neat PU呈现典型的微相分离现象，硬段玻璃化转变温度（Tg）约为70°C。而C8系列样品的硬段Tg峰消失，取而代之的是在约0°C出现一个新的Tg峰，该峰归属于离子聚集相区域。拉伸测试结果显示，neat PU的断裂应力约为15 MPa，断裂伸长率为1300%。C8-0.3样品在保持与neat PU相近应力的同时，拉伸性能显著提升。烷基链长度对力学性能的影响表现为：C4-0.5和C8-0.5的断裂应力均约为7 MPa，而C12-0.5由于较长脂肪族取代基降低了聚集稳定性的缘故，断裂应力较差。
循环拉伸测试表明，C8-0.5在室温下间隔30分钟的两次循环测试曲线几乎无差异，能量耗散率从第二个循环到第十个循环变化极小，展现出良好的机械恢复性能。此外，IL-PU系列材料的断裂韧性（fracture toughness）显著优于neat PU（0.948 kJ/m²），达到12.6–41.5 kJ/m²。Ashby图显示，本研究制备的IL-PU材料在自愈合时间和力学性能两个维度上均优于已报道的其他室温自愈合弹性体。
自愈合测试结果表明，C8-0.5样品在40°C愈合6小时后，可承受1 kg的重物悬挂。自愈合效率随咪唑鎓含量增加而显著提高：C8-0.1和C8-0.3在40°C下6小时仍无法完全愈合，而C8-0.5在40°C和室温下均展现出优异的自愈合性能，C8-0.9甚至可在室温下2小时内接近完全愈合。相比之下，neat PU即使在60°C下24小时也毫无自愈合能力。
烷基链长度亦显著影响自愈合行为：C12-0.1在室温和40°C下均可达到高自愈合水平，而C4-0.1在两种温度条件下愈合能力均较差，该趋势表明增加烷基链长度可通过降低聚集稳定性来增强自愈合能力。
为阐明羧基和咪唑鎓阳离子的协同作用，研究者进一步合成了对照样品Li-0.5（以锂离子替代咪唑阳离子）和C8-Li-0.5（将羧基氢原子替换为锂离子）。Li-0.5因锂离子电荷密度高、形成更强更致密的离子聚集体而自愈合性能差；C8-Li-0.5则完全丧失了自愈合能力。物理共混对照实验表明，仅通过物理共混方式引入离子液体对自愈合性能的提升极为有限。
基于IL-PU优异的电荷产生能力和机械性能，研究者选择C4-0.5薄膜作为摩擦正极层（tribopositive layer），PVDF/BT薄膜作为摩擦负极层（tribonegative layer），构建了IL-PU-TENG。开路电压（Voc）测试显示，以C4-0.5为摩擦正极层时达到200 V，而C8-0.5和C12-0.5分别降至40 V和80 V。这一非单调变化归因于烷基链长度对表面电荷暴露程度和聚集体稳定性的双重影响。切割损伤实验表明，C4-0.5摩擦层在40°C愈合2小时后，裂纹近乎消失，短路电流（Isc）恢复至原始水平。
在约6 N的瞬时作用力和6 Hz频率下，IL-PU-TENG的功率密度可达3.07 W·m⁻²（负载电阻1 MΩ）。该器件可通过手掌拍打点亮125盏商用蓝色LED灯，在13.75 Hz频率下可直接驱动反射式液晶显示屏。接入100 μF电容后，经300秒充电可驱动数字闹钟运行约20秒。
本研究成功开发了一种通过在聚氨酯侧链引入咪唑鎓盐和羧基官能团、利用动态离子聚集构建物理交联网络的策略，实现了室温自愈合性能与力学性能的协同优化。所得IL-PU弹性体兼具7 MPa的断裂应力、2500%的断裂伸长率以及在室温6小时条件下接近100%的自愈合效率。将IL-PU作为摩擦纳米发电机的正极摩擦层，获得了开路电压200 V、功率密度3.07 W·m⁻²的高性能TENG，且其电输出性能可通过自愈合过程有效恢复。通过改变咪唑环N-1位烷基链长度来调控TENG输出性能的策略也得到验证，为后续性能优化提供了可行路径。
本研究的科学价值在于揭示了离子聚集体稳定性与分子链运动能力之间的平衡调控机制，系统阐明了咪唑鎓阳离子与羧基在动态离子交换中的协同作用关系。其应用价值体现在为开发长寿命、高可靠性柔性电子器件的自愈合防护材料与能量收集系统提供了新的材料设计范式，对推动可持续社会发展具有积极意义。
本研究的创新性主要体现在以下方面：其一，提出了“增韧刚性”理念，通过牺牲硬段有序氢键来释放链段运动能力，同时引入离子聚集体维持力学强度，成功突破了传统自愈合弹性体力学性能与自愈合效率难以兼顾的瓶颈。其二，系统解析了咪唑鎓烷基链长度、离子含量对聚集体稳定性的影响规律，并通过对照实验（Li-0.5、C8-Li-0.5及物理共混样品）清晰区分了化学键合离子液体与物理共混离子液体、咪唑鎓阳离子与锂离子、完整羧基与锂取代羧基在动态离子交换中的差异化作用，论证逻辑严密。其三，将自愈合弹性体与摩擦纳米发电机结合，不仅实现了高输出性能，还首次展示了通过调节咪唑环烷基取代基长度来调控TENG输出的可行性，并验证了损伤后电性能的自愈合恢复能力，为智能自修复能量收集器件的开发提供了实验依据。