華南理工大學(xué)馬春風(fēng)教授AM: 拓?fù)湔{(diào)控聚脲—從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到新興應(yīng)用

聚脲 作為一種高性能聚合物 ， 兼具涂料、橡膠和塑料的特性，表現(xiàn)出高強(qiáng)韌、高耐磨、高防護(hù)性能，在涂層材料、粘合劑、沖擊防護(hù)等領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值，被稱為“黑科技”材料。特別是其獨(dú)特的可編程力學(xué)性能、強(qiáng)界面黏附性以及動(dòng)態(tài)自修復(fù)能力，使聚脲在柔性電子器件、固態(tài)電解質(zhì)、軟體機(jī)器人和生物傳感器等新興前沿領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，聚脲目前仍面臨異氰酸酯與氨基反應(yīng)速度過快、結(jié)構(gòu)可調(diào)性受限、功能性單一等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。近年來，隨著聚脲領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)攻關(guān)，在合成方法、拓?fù)湔{(diào)控及功能應(yīng)用拓展等方面均取得了重要進(jìn)展。例如，研究者開發(fā)了低活性胺類化合物及非異氰酸酯綠色合成路線，有效解決反應(yīng)過快和異氰酸酯毒性問題；通過合理設(shè)計(jì)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，可有效調(diào)控微相分離、氫鍵密度及鏈段運(yùn)動(dòng)性，從而調(diào)節(jié)強(qiáng)度、韌性、應(yīng)變速率敏感等力學(xué)性能，并賦予其阻尼、自修復(fù)、形狀記憶等功能。進(jìn)一步將聚脲由傳統(tǒng)的防護(hù)領(lǐng)域拓展至柔性電子、固態(tài)電解質(zhì)等新興領(lǐng)域。

華南理工大學(xué)海洋工程材料團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于海洋先進(jìn)防護(hù)高分子材料研究。近年來，借助于高分子材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)，先后研制了降活型、封閉型以及溶劑調(diào)控型聚脲/聚氨酯材料，并開發(fā)其在防污防腐、修復(fù)加固、沖擊防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用 (Nat. Commun., 2025, 16, 7768; Adv. Mater., 2025, 37, 2418032; Adv. Mater., 2024, 36, 2411700; Adv. Mater. 2024, 36, 2313495; Angew.Chem., 2024, e202410335)。最近，該團(tuán)隊(duì)從高分子材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)入手， 系統(tǒng)總結(jié)了功能性聚脲的分子結(jié)構(gòu)、合成方法、拓?fù)湔{(diào)控及性能與應(yīng)用的關(guān)系，涵蓋合成策略、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新興應(yīng)用等 ，并展望未來發(fā)展方向。

圖1. 拓?fù)湔{(diào)控聚脲結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

1) 在合成方法方面，使用低活性胺化合物和封閉技術(shù)等策略可以精確調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，確?？煽氐木酆衔锞W(wǎng)絡(luò)形成。特別是，非異氰酸酯合成策略代表了綠色化學(xué)的突破，因?yàn)檫@種方法完全避免了有毒的異氰酸酯原料，從而大大減少了對(duì)環(huán)境的影響。

2) 在結(jié)構(gòu)調(diào)控方面，通過精心設(shè)計(jì)硬段和軟段的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并在各種超分子相互作用的同時(shí)引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，可有效調(diào)節(jié)聚脲網(wǎng)絡(luò)的微相分離、相域尺寸、界面相容性和氫鍵密度。其直接決定聚脲的強(qiáng)度、韌性、彈性恢復(fù)和抗疲勞性，并可進(jìn)一步賦予其阻尼、自修復(fù)、形狀記憶等功能，從而推動(dòng)高性能聚脲材料的不斷迭代。

3）在應(yīng)用拓展方面，聚脲已從傳統(tǒng)的防護(hù)領(lǐng)域擴(kuò)展到柔性電子器件、固態(tài)電解質(zhì)、軟體機(jī)器人和生物傳感器等新興前沿領(lǐng)域。其分子設(shè)計(jì)的多功能性賦予其具有可定制結(jié)構(gòu)和可編程功能，使聚脲在不同技術(shù)領(lǐng)域和場(chǎng)景中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

圖2. 拓?fù)湔{(diào)控聚脲的分子結(jié)構(gòu)、合成方法、拓?fù)湔{(diào)控及性能與應(yīng)用的關(guān)系

圖3. 拓?fù)湔{(diào)控聚脲在抗沖擊防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

圖4. 拓?fù)湔{(diào)控聚脲在涂層材料領(lǐng)域的應(yīng)用

圖5. 拓?fù)湔{(diào)控聚脲在粘合劑領(lǐng)域的應(yīng)用

綜上所述，本文系統(tǒng)總結(jié)了功能性聚脲的分子結(jié)構(gòu)、合成方法、拓?fù)湔{(diào)控及性能與應(yīng)用的關(guān)系，重點(diǎn)討論了合成策略、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新興應(yīng)用等。展望未來，聚脲材料的趨勢(shì)和重點(diǎn)是采用“材料—結(jié)構(gòu)—功能”的設(shè) 計(jì)理念，從綠色合成與制備工藝優(yōu)化、新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表征、人工智能（AI）設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)、新興領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用等方面持續(xù)推進(jìn)。該綜述旨在為該領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新提供參考，驅(qū)動(dòng)聚脲材料朝著可持續(xù)性、多功能性、高性能化方向發(fā)展。相關(guān)工作以“Topology-Regulated Polyurea: From Structural Design to Emerging Applications”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上， 東北大學(xué)副教授張志鵬為本文第一作者（華南理工大學(xué)博士畢業(yè)生），馬春風(fēng)教授為本文通訊作者。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73677