自古以来，聚氨酯材料的高自修复能力和高机械强度往往是难以共存的，随着超分子化学的发展，上述矛盾的解决成为可能。超分子相互作用通常被认为可以充当牺牲键，有效地耗散施加的能量。目前对超分子聚氨酯材料的研究主要集中在具有刚性单元（或大量氢键）的小分子作为扩链剂（或交联剂）共价键合到预聚物中。机械性能的改善并不完全归因于非共价相互作用。另一种完全依赖物理作用来改善材料性能的方法是直接共混填料（如纳米颗粒）。然而，由于填料与基质的相容性差，这种方法容易发生团聚和结块的现象。尽管许多研究人员对填料进行了表面改性以增强其分散性，但处理过程通常很复杂。此外，赋予材料多功能性的常见策略也面临上述问题。
近期，
河北工业大学潘明旺教授团队
为了应对上述问题，尝试完全利用超分子相互作用将聚合物与掺杂的功能性小分子相结合，使聚合物体系形成特定的分子间排列或组装。首先，小分子与聚合物之间灵活的反应性和快速的物理交联能力，可以精确控制材料的结构，从而赋予其优异的性能。其次，超分子相互作用可选择性地定向维持体系结构的稳定性，有效解决外部功能填料与聚合物基材界面相容性差的问题。最后，功能性小分子的多样化选择可在保持材料高性能的同时成功实现多功能的集成。
具体工作为
：
通过超分子相互作用（
π-π
堆积、氢键和
B-N
配位），将小分子化合物罕见地原位锚定在水性聚氨酯（
PMWPU
）中，设计出了一种集高力学性能、高自愈能力和荧光
颜色
可调
功能
于一体的超分子水性聚氨酯，命名为
PMWPU-Bx
（图
1
）
。在分子结构设计中，
1-
芘甲醇（
PM
）被用作
PMWPU
的端封剂，其共轭结构可产生荧光和
π-π
堆积相互作用。选择
3-
氨基苯硼酸（
3-APBA
）作为功能分子。首先，其固有的功能位点（如氨基和苯环）使其能够通过超分子相互作用有效地原位锚定在
PMWPU
中，形成理想的物理交联网络，同时确保
3-APBA
的
良好分散性。其次，苯硼酸
在
脱水
之后
可形成动态硼
酸酯
，氮配位的硼
酸酯
在低温下
能够
可逆地断裂和重
组
。这项研究工作通过超分子相互作用将功能小分子锚定到聚合物上的策略同步实现了水性聚氨酯的高性能和多功能性，同时也拓宽了它们在光学防伪和信息加密传输领域的潜在应用。该工作以“
In Situ Anchoring Functional Molecules to Polymer Chains through Supramolecular Interactions for a Robust and Self-Healing Multifunctional Waterborne Polyurethane”
为题发表在《
Small
》上（
Small 2025
,
2410933
）。
河北工业大学博士生
周晨
同学为该
文章第一作者
，
潘明旺
教授为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金面上项目的支持（
No.
52273007
）。
图
1
PMWPU
乳液的制备路线
以及
PMWPU-Bx
中存在的超分子相互作用示意图
这种直接结合
3-APBA
的
策略不仅有效避免了传统小分子添加剂的典型缺点（如相容性差、加工复杂），
而且将超分子网络和动态硼酸酯键和谐地统一在一个体系中，实现了高力学性能、高自愈能力和多功能性的独特结合。
由多个物理交联位点和
B
-
N
配位相互作用构建的稳健超分子网络使
PMWPU-B15
具有优异的机械性能（杨氏模量为
243.2 MPa
，拉伸强度为
7.9 MPa
，真应力为
17.0 MPa
）
（图
2
）
。
B-O
动态键的存在
弥补
了高机械强度材料中聚合物链流动性低的缺陷，使制备的材料具有优异的自愈能力（自愈效率达到
92.5%
）
（图
3
）
。此外，添加
3-APBA
可使
PMWPU-B15
在用作粘合剂时具有更好的扩散性和更强的分子间作用力，从而获得惊人的搭接剪切强度（
8.3 MPa
）
（图
4
）
。系统中的
π-π
堆叠相互作用为
PMWPU-Bx
提供了可控的荧光颜色和稳定的发光性能
（图
5
）
。
图
2
PMWPU-Bx
的机械性能
图
3
PMWPU-Bx
的自愈合性能
图
4
PMWPU-Bx
的粘合性能
图
5
PMWPU-Bx
的荧光颜色可调性
该工作是团队近期关于水性聚氨酯的结构设计相关研究的最新进展之一。之前团队将动态可逆键直接集成到纳米粒子本身，既能增强纳米复合聚氨酯的坚固性又能保持复合聚氨酯固有的自愈性能（
Chemical Engineering Journal
,
2024, 487, 150538.
）；针对水性涂层易在金属基材表面发生腐蚀的问题，通过巯基
-
烯点击反应，将苯并咪唑接枝到聚氨酯侧链中形成共轭苯并咪唑结构
，形成了独特的“内疏外密”结构（
Chemical Engineering Journal
,
2023, 468, 143573.
）；设计合成了含有双硫键和酰腙键的席夫碱，并将其作为扩链剂引入聚氨酯中，制备了一系列水性自愈合聚氨酯弹性体（
ACS Appl. Mater. Interfaces
,
2023
,
15
,
19414−19426.
）。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202410933
相关进展
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