1、在聚氨酯中引入动态二硫键和氢键，制备自修复生物基包膜控释肥

山东农业大学资源与环境学院杨越超教授团队在《Chemical Engineering Journal》在线发表了题为“自修复生物基控释肥料提高品质和养分利用效率并揭示其修复机制”的研究论文。

本研究提出了一种简单实用的方法，将动态二硫键和氢键掺入聚氨酯中，制备出了一种自修复生物基包膜控释肥（SBPCRF），同时比较了其与普通生物基控释肥（BPCRF）的控释性能、抗损伤性能、修复性能、肥料颗粒强度、应用效率。

研究结果表明，动态二硫键和氢键的可逆重组，促进了破损膜壳的自我修复。制备的自修复生物基包膜控释肥（SBPCRF）表现出优异的抗损伤性和自我修复能力（92.2%），能够承受了超过110N的压力而不破裂。膜壳发生损伤后，普通生物基控释肥（BPCRF）在第2天即完全释放，而自修复生物基包膜控释肥（SBPCRF）的控释期可延长至35天（控释期恢复70%以上）。此外，自修复生物基包膜控释肥（SBPCRF）表现出优异的控释性能，能够延长肥料控释期超过50%。考虑到这些优异的特性，研究团队在玉米上进行了应用实验。实验发现，施用自修复生物基包膜控释肥（SBPCRF）塑造了独特的细菌群落，且表现出较高的养分利用效率（60%）。

中山大学材料科学与工程学院的研究人员开发了一种发泡TPU纤维，其用于纺织品时可以持续保持凉爽。相关研究发表在《NPG亚洲材料》上。

超临界流体物理发泡技术已得到广泛发展并用于制造发泡块状材料，但关于将发泡技术引入纤维领域的研究却很少。由于发泡剂会迅速从小直径纤维中逸出，因此在发泡过程中很难在纤维基体内实现发泡结构。在最近的研究中，该研究团队开发了微挤出发泡技术来制备发泡TPU纤维。

研究人员以超临界N2为物理发泡剂，采用微挤出物理发泡法制备了一种TPU基弹性轻质泡沫纤维。在微挤出发泡过程中，通过快速加热诱导气泡成核，并在固定温度下通过微挤出机中的气体扩散增强气泡生长，从而在TPU长丝内部形成多孔结构。在纤维剖面部分，纤维内部形成了致密且不规则的多孔结构。与常见的冷冻干燥或相分离方法相比，微挤发泡形成的泡孔结构呈更规则的椭圆形，直径更小，结构更紧密，空腔和微孔也有所收缩。为了实现发泡TPU纤维在服装上的应用，研究人员使用针织横机进行编织，所得织物（FT-面料）可以形成完整、致密的结构，适用于功能性应用。

有趣的是，研究人员发现所制备的发泡TPU纤维具有出色的辐射冷却能力，密度低于海水。他们研究了FT-面料在夏季海滨场景中的潜在用途。首先，FT-面料可以有效地反射近红外阳光。其次，由于FT-面料可以提供浮力、透气性和透湿性、快干性能和耐候性，这为游泳场景中的用户带来了安全性和舒适性。最后，这种发泡TPU纤维的制备工艺具有像目前常见纤维一样大规模生产的潜力，这对功能性服装的未来发展具有重要意义。

防护用工程结构材料通常面临复杂的服役环境。自然界中的生物装甲为研制抗冲击材料提供了丰富的灵感来源。其中，鳞片作为鱼类的最外部“防护装备”，起着保护底层软组织的关键作用，引起了研究人员广泛关注。在结构上，鱼鳞中的胶原纳米纤维通常单向聚集成薄层进而螺旋堆叠组装为有序布利冈（Bouligand）结构并通过纤维基元滑移、形变、扭转和再定向等实现增韧。除了这种单一布利冈结构，近年研究人员还在“古化石”腔棘鱼中发现了独特的双重布利冈结构，它由两套单一布利冈结构互相嵌套构成。研究人员通过准静态力学测试，发现该结构相比于传统单一布利冈结构（如巨骨舌鱼鳞片的结构）具有更为优异的力学性能。

中国科学技术大学俞书宏院士团队基于前期在仿生布利冈结构材料研究基础上，协同考虑纤维结构设计与组分调控，提出了一种独特的梯度双重布利冈（DT-Bou-G）结构设计思路，探索通过协同强韧化机制实现宽谱加载速度下高性能防护结构材料的可行性。研究团队以软质热塑性聚氨酯（TPU）和硬质聚乳酸（PLA）为基本模型原料，通过双料熔融喷头3D打印技术，实现目标材料组分由硬PLA向软TPU逐渐转变（梯度变化）并最终构筑出新型仿生DT-Bou-G复合材料。该复合材料较正交结构（UL）、单一布利冈结构（BOU）、双重布利冈结构（DT-Bou）以及双重布利冈交替结构（DT-Bou-A）材料而言，在准静态力学测试（单边开口梁）、低速冲击测试（摆锤冲击和落锤冲击）和高速冲击测试（子弹冲击）中都展现出更强的防护性能。

相关研究成果以“Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities”为题发表在国际期刊《科学进展》上，论文的第一作者是校化学系博士后文韶萌和近代力学系博士生高伟韬，通讯作者为合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员陈思铭、近代力学系教授郑志军和俞书宏院士。

整体上，双重布利冈结构通过裂纹偏转和纤维阻隔展现了较其他结构更为复杂的裂纹扩展路径，而梯度组分设计通过扩大应力分布范围和更大的塑形耗散提升了能量吸收。这项工作展现了仿生结构设计与组分优化在抗冲击材料中的协同作用，实现了全速度下材料防护性能的同步提升，为未来开发在复杂环境下服役的防护结构材料提供了全新的设计思路。

该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金重点项目、新基石研究员项目、安徽省重大基础研究项目、安徽省杰出青年科学基金等资助。

聚氨酯分子结构由软段与硬段交替共聚而成，其中硬段通过超分子组装形成相对稳定的硬相，赋予材料优异的模量和强度，而软段则通过构象调节提供长程形变能力，使聚氨酯具备良好的弹性。弹性体的弹性主要来源于熵弹性机制，即在拉伸过程中分子链从无序构象到有序排列时熵减少，形变释放后系统恢复高熵状态使分子链产生回缩力。然而，高强度与高回弹性的兼容始终面临挑战。

传统的增强策略，如引入高密度动态键、硬质填料或化学交联，虽可有效提升强度，却往往限制了链锻的运动自由度，造成较大的熵罚——形变过程中不可逆的熵损失，从而抑制弹性恢复，导致永久变形。尽管氢键、配位键等动态键和硬质微区结构在增强弹性体韧性和强度方面有一定作用，但它们所带来的链缠结和熵损失仍是实现高回弹性的关键障碍。因此，如何在分子设计上兼顾链段自由度与结构稳定性，实现聚氨酯弹性体高回弹性和高强度的协同统一，已成为高端工程领域亟待突破的核心难题。

中国科学院兰州化学物理研究所研究团队受蜻蜓表皮中节肢弹性蛋白（Resilin）的启发，通过精确设计动态硬域的尺寸、间距和均匀性，模拟Resilin的微相分离结构，从而在增强弹性体强度的同时最小化熵罚。基于这一原理，研究团队开发出了一种兼具高弹性和高强度的低熵罚聚氨酯弹性体。

研究表明，动态硬域通过氢键和配位键的聚集形成，并有效的嵌入软链中，从而诱导微相分离。研究人员通过设计不同的“刚柔并济”聚合物网络，可以创建具有明确尺寸、最佳间距和均匀聚集的动态硬域来精确控制微相分离状态，从而有助于调节弹性体网络的熵罚。在变形过程中，动态硬域逐渐解体，而软链则发生应变诱导结晶，两者之间建立了协同平衡。这种熵-焓补偿机制通过最小化净吉布斯自由能势垒进行控制。在恢复过程中，可逆的应变诱导结晶面释放储存的界面吉布斯能以补偿构象熵损失，从而促进分子重排。

研究人员通过机械性能测试证明，调控优化后的聚氨酯弹性体断裂强度超过80MPa以上，该拉伸强度超过了目前报道过的大多数人工合成弹性体。此外，该优化的聚氨酯弹性体在短程应变下表现出超过90%的回弹效率，且在长程应变下超过88%，也超过了目前报道过的大多人工合成弹性体，在短程变形时甚至可与生物弹性蛋白相媲美。

上述研究深化了聚氨酯弹性体在力学强度、弹性提升方面的创新进展，为功能性弹性体机械在复杂工程场景中的应用奠定了基础，有望推动其在轮胎、动态密封件、减震器防护材料等高端工程应用中的发展。

相关研究成果发表在《先进功能材料》上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院有关项目、甘肃省科技计划等的支持。

在全球追求可持续发展的背景下，工业进步与生态保护的平衡成为关键挑战。传统热塑性聚氨酯弹性体在生产过程中使用有机溶剂，导致挥发性有机物排放，而水性聚氨酯弹性体（WPUE）作为绿色替代品，虽能显著减少环境污染，却长期面临机械强度不足的瓶颈，限制了其广泛应用。

西安交通大学和香港科技大学的研究人员合作，成功开发出高性能水性聚氨酯弹性体（HPWPUE），它不仅符合绿色化学原则，更实现了惊人的0.959 GJ/m3韧性和81.8 MPa的强度，超越了多数商用热塑性聚氨酯。这一成果得益于一种称为“延迟结晶响应”的自增强机制，该机制通过对称单体和分级氢键构建的动态双相结构实现，为替代传统热塑性聚氨酯弹性体提供了可持续且高性能的新选择。相关论文以“受延迟结晶响应启发的高性能水性聚氨酯”为题，发表在Nature Communications上。

高性能水性聚氨酯弹性体（HPWPUE）的成功开发证明了环保材料无需以牺牲机械性能为代价。延迟结晶响应机制通过平衡氢键与链段结晶倾向，为设计下一代高性能可持续弹性体提供了新的思路。水性聚氨酯弹性体（HPWPUE）的大规模制备（1.5 m×1.5 m×1 mm薄膜）及在防护手套涂层中的成功应用，凸显了其产业化潜力。

东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬教授带领的团队，在 《Polymers 》期刊发布了《基于静电纺丝的生物基聚氨酯弹性纳米纤维膜优化及其在防水透气领域的应用》的一项研究。团队通过静电纺丝技术成功制备出具有防水透气性能的生物基聚氨酯纳米纤维膜。这一成果为生物基聚氨酯材料的发展及其在功能纺织品等领域的应用提供了新的思路与方法。

防水透气膜（WBMs）因卓越的防水性能和高水蒸气透过性广受关注，逐渐成为户外服装、智能纺织品和医用防护装备等众多领域的材料新宠。然而，传统的防水透气膜材料如聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯等，普遍存在灵活性不足、生物相容性差、环境不友好以及不可再生等问题。随着可持续发展理念的推广，生物基材料以其环境友好性逐渐成为研究热点。

研究人员使用聚丁二酸丁二醇酯（PBSe）、聚氧丙烯二醇（PO3G）、乙二醇（EG）和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）合成了纺丝性能优异的PBSe/PO3G-BPU。通过不同浓度（12wt%、16wt%、20wt%、24wt%）的溶液制备了生物基聚氨酯纳米纤维膜。20wt%溶液制备的膜表现出显著的疏水性和透气性。该生物基聚氨酯防水透气纳米纤维膜以PBSe和PO3G为软链段，兼具聚酯和聚醚聚氨酯的优点，具有出色的可纺性。与传统膜相比，这种纳米纤维膜不仅克服了传统防水透气膜柔韧性不足的问题，还简化了静电纺丝工艺。

具有单向汗液导出能力的Janus面料因其卓越的个人热湿管理性能而备受关注。然而，目前的制造方法工艺复杂，存在环境问题且难以实现大规模生产。更重要的是，现有制备的面料通常缺乏良好的柔韧性，严重影响穿着舒适度。

苏州科技大学的研究人员提出了一种自粘合策略，通过将热塑性聚氨酯（TPU）溶液喷涂到纤维上来制备高度柔韧的Janus面料，并采用激光打孔技术精确修饰微观结构以增强液体导出。与传统热转印在表面形成薄膜不同，这种方法使TPU直接粘附在棉纤维上，从而保留了织物固有的柔韧性。所制备的Janus面料具有优异的单向液体导出性能，50 μL的水可在12.1秒内完全渗透导出。

研究人员最初开发了一种名为热转印微孔面料的Janus面料。该面料采用热转印工艺在棉织物上构建热塑性聚氨酯（TPU）层，并通过激光微加工技术形成微锥形孔。选择TPU作为功能材料是基于其固有的疏水性、卓越的机械性能和无毒特性，能显著增强面料耐久性和日常穿着适用性。该面料可承受至少250次家庭洗涤循环和900次摩擦测试，即使在背包腰带、鞋垫等高磨损场景仍展现出广阔的应用前景，有效解决了Janus面料领域耐磨性与耐洗涤性的双重挑战。但热压工艺形成的较厚TPU层（约70μm）严重损害了织物原有的柔韧性。

研究人员进一步提出通过TPU溶液喷涂结合激光打孔技术，开发出一种兼具无毒特性、高机械强度和优异柔韧性的新型Janus面料。具体而言，喷涂TPU溶液可确保材料与织物表面紧密自粘合，形成柔软的超薄TPU薄膜（约0.44μm），在保持织物固有柔韧性的同时确保其机械强度。随后，通过激光打孔工艺在面料表面构建微锥孔阵列，显著提升了面料的水蒸气传输速率。最终制备出的面料展现出优异的单向导汗性能，经15分钟的跳绳测试后，穿着该面料的人体温度比穿着传统棉质面料的人体温度低约1.3°C，显著提高了人体的体温调节舒适度。得益于TPU与纤维之间强大的粘合力，制备的面料可承受400次以上的摩擦测试和300次以上家庭洗涤循环。这项研究为设计开发实际可穿着的柔性Janus面料提供了可行方案，标志着功能性纺织技术领域的重大进步。

水性聚氨酯超细纤维合成革是将海岛纤维针刺成高密度、高表面积的无纺布，然后涂覆水性聚氨酯（WPU）涂层。它兼具水性聚氨酯的低挥发性有机化合物 (VOC)  排放、优异的机械性能、出色的耐化学性、可调节的成膜性、柔韧性和硬度控制，以及超细纤维合成革的天然皮革质感、优异的物理性能和高度的设计灵活性。这些特性使水性聚氨酯超细纤维合成革在汽车内饰、航空航天和运动器材的工程应用中极具前景。

尽管取得了显著进展，但开发水性聚氨酯超细纤维合成革的一个关键挑战是水性聚氨酯（WPU）涂层的致密化，这会限制水蒸气透过，从而降低透气性和透湿性，最终为细菌生长创造有利条件。出现这个问题是因为用作水性聚氨酯（WPU）溶剂的水具有较高的蒸发焓，在成膜过程中需要升高温度，这增加了聚氨酯分子链的流动性，并导致更致密的膜结构。因此，提高透气性和抗菌性能对于水性聚氨酯（WPU）涂层至关重要。为了提高透气性，一种有前景的方法是采用纳米材料掺杂来改善水性聚氨酯（WPU）涂层的性能，例如纳米SiO2、TiO2和ZnO已被证明可以有效改性水性聚氨酯（WPU）涂层。纳米材料具有较高的比表面积和独特的界面效应，扩大了聚氨酯分子链间的空隙，增加了自由体积，提高了水蒸气透过率。

然而，将纳米材料引入水性聚氨酯（WPU）面临着一些挑战。首先，由于纳米材料容易团聚，因此很难实现纳米材料的均匀分散，这会导致材料性能不均匀，并影响产品质量。其次，引入纳米材料以增加自由体积可以提高透气性，但同时也会松散涂层结构，从而可能降低机械强度。虽然纳米材料的表面改性可以增强其与水性聚氨酯  (WPU)  的相互作用，改善分散性并保持机械强度，但控制改性剂的精确用量却非常复杂且耗时。第三，纳米材料的引入也会降低其抗老化和抗紫外线性能，因为更松散的涂层结构会在分子链之间产生更大的间隙，使材料更容易受到光、热和氧气等外界因素的影响，从而进一步限制其长期稳定性。

研究人员基于“硬纳米填料+软基材”多相材料协同增强和界面补强原理，创新性地制备了木质素杂化空心二氧化硅微球（LHHS），并将其掺入水性聚氨酯（WPU）涂层中应用于海岛纤维皮革，开发出多功能水性聚氨酯超细纤维合成革。LHHS的空心结构与木质素杂化相结合，增强了透气透湿性能，同时兼具紫外线吸收和抗菌性能。木质素中羟基与磺酸基之间的氢键作用以及水性聚氨酯中酰胺键的相互作用，改善了LHHS在水性聚氨酯基质中的相容性，在不影响机械强度的前提下提供了多功能性。

该多功能水性聚氨酯超细纤维合成革表现出优异的透气性（193.39 mm/s，比不含LHHS的皮革（65.69  mm/s）提高了194.39%）、令人印象深刻的透湿率（4922.9 g/m2·24 h，提高了138.7%）、卓越的紫外线防护性能（UPF  1600，远远超过商业标准50）、高抗菌效果（对大肠杆菌的抗菌率为97.8%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为95.0%）和强大的机械强度（20  MPa）。这项研究为开发高性能多功能皮革提供了一种有效的策略。

9、一种具有形状记忆功能的薄片，加热后转化为聚氨酯泡沫

德国弗劳恩霍夫应用聚合物研究所（IAP）的研究人员开发出一种薄片，加热后会变成聚氨酯泡沫，完全没有健康风险。这种薄片可以实现无异氰酸酯发泡，从而提高工作场所的安全性。此外，它还为储存和运输提供了物流优势。该材料可以定制用于从汽车、建筑行业、包装等各种应用。

研究人员先合成了一种具有形状记忆功能的聚氨酯泡沫，然后对其进行压缩。在使用时，只需加热即可转变为聚氨酯泡沫，而无需发生任何化学反应。研究团队的创新方法还代表了泡沫生产本身的新技术：热发泡。该产品名为FOIM——“薄片”（Foil）和“泡沫”（Foam）两个词的组合。

在60℃的温度下，薄片从2.5毫米厚膨胀到40毫米厚的泡沫，膨胀了16倍。薄片最终变成软弹性聚氨酯泡沫，密度为80kg/cm3。根据DIN EN ISO 33861标准，这是一种低密度泡沫，适合用作包装材料等。

低密度聚氨酯泡沫适用于许多应用领域和行业：家具制造商将其用于室内装饰，在包装行业，它们在运输过程中保护易碎物品，在建筑行业，聚氨酯泡沫用于回填接缝…

使用新薄片填充空腔结构的应用测试取得了成功。即使在复杂的几何形状中，材料在加热时也几乎完全发泡。

10、研究人员受柚子启发研制出梯度聚氨酯泡沫，拥有卓越的缓冲性能

聚氨酯泡沫是一种微孔发泡材料，均匀细腻的泡孔结构赋予了其强度高、韧性好、应力传递平稳等特质，因而被广泛应用于制鞋、缓冲、防爆材料方面。聚氨酯泡沫可通过基体以及泡孔结构的可复性变形耗散能量，尤其在减震方面。大量研究表明，泡沫的机械性能与其相对密度和泡孔形态密切相关。而均质泡沫通体特性扁平化，要提高能量吸收性能往往意味着泡沫密度随之增加、材料成本上升。

在自然界中，各种水果的果皮都具有良好的缓冲作用，柚子也不例外。柚子致密的外皮具有梯度泡孔结构，泡孔尺寸从外层到内层逐渐增大。这种结构在坠落的冲击下会逐渐坍塌，从而保护果肉免受损伤。

受到这一现象的启发，江南大学的研究人员一直在研究一种制备梯度聚氨酯泡沫材料的方法。他们采用压力辅助一步化学发泡技术，成功制备出泡孔尺寸沿轴向逐渐增大的一体化泡沫，他们将其描述为类似于柚子。该发明采用的技术方法简单易复现，可以达到降低能耗、减少成本或提升效率等目的。

该发明的技术关键在于，外部施加的压力对泡孔的膨胀起到了一定的制约作用，从而促使泡孔结构发生显著变化。

在加工的关键窗口期内，分子网络结构尚未完全固化，此时粘度的增加赋予了泡孔壁一定的强度，尽管这种强度尚处于较为脆弱且易于变形的状态，施加于基体的外部载荷促使泡孔内的气体从内向外抵抗外部压力所引起的变形和收缩，直至达到一个动态平衡。这一平衡状态的结果是泡孔发生弯曲变形，进而形成扁圆形的结构。此外，由于应力传递的连续性，泡孔的弯曲变形程度从外向内逐渐减小，形成了一种自然的梯度结构。随着应力传导的增强，在相同压力作用时间下，质密区的厚度会逐渐累积增加。

在这种一体化梯度泡沫中，出现了连续增大的泡孔尺寸分布。在质密区中，泡孔呈现椭圆形，尺寸较小，密度较高；而在常规区，泡孔则接近圆形，尺寸较大，密度较低。这两种截然不同的形态特征赋予了弹性体独特的物理性能。在质密区，由于泡孔壁较厚，压缩过程中主要通过弯曲变形来耗散能量；而在常规区，泡孔壁较薄，往往伴随着撕裂来耗散能量。这种更厚的质密区设计有效减少了冲击过程中基体的撕裂风险。同时，常规区的存在显著提高了材料的整体比能量吸收能力。

与传统的梯度粘合泡沫相比，这种泡沫避免了界面突变，从而实现了稳定且较高的能量吸收。他们表示，一体化梯度泡沫的泡孔尺寸梯度范围从10微米到近27微米。其比能量吸收率较均质泡沫高出八倍以上。