废旧聚氨酯“变身”智能材料：性能可编程，用途随心定！

近日，杭州师范大学材料与化学化工学院朱雨田教授、刘增贺助理研究员在热固性聚氨酯泡沫废料回收方面取得新进展。研究提出了一种基于“动态键的热触发拓扑异构”的新型化学增值回收策略。该策略不仅实现了废旧聚氨酯的完全循环利用，还允许终端用户通过简单的热刺激操作，按需编程材料性能，动态适应不同应用场景。这一成果为废旧塑料的循环利用开辟了以“动态适配终端用户需求”为核心的全新方向。相关论文以 *Upcycling of commodity thermoset polyurethane towards smart materials with end-user-on-demand programmable properties and adaptable applications* 为题，发表在 *Advanced Materials*（IF=29.1）上。

聚氨酯材料以泡沫、弹性体、纤维等形式广泛应用于多个领域。2023年，全球消费量达2200万吨/年，带来了沉重的环境负担。由于聚氨酯多为热固性材料，其不溶不熔的交联网络结构使得回收利用极为困难。传统的填料法和化学回收法面临试剂消耗量大（>50%）、产生异氰酸酯副产物、再生产品经济价值低等挑战。为此，朱雨田教授、刘增贺助理研究员及合作者浙江大学谢涛教授团队，此前已提出部分化学断键、选择性断裂交联位点、断键-逆向成键、微粒化、热塑-热固可逆转化等一系列回收策略，实现了聚氨酯材料的原子经济、增值/闭环回收（*Nature Chemistry*, 2023, 15, 1773-1779；*Nature Communications*, 2025, 16, 5117；*Angewandte Chemie International Edition*, 2025, 64, e202416437；*Nature Communications*, 2026, 17, 4151）。然而，这些策略所得再生产品性能在成型后固定不变，其性能与应用场景只能由生产/回收端决定，无法动态适配终端用户需求。

针对这一瓶颈，2026年6月29日，研究团队提出了“基于动态键的热触发拓扑异构”新型化学增值回收策略。通过二肟解聚、丙烯酸酯改性及光固化成型，构建了基于动态肟氨酯键的热触发拓扑转换系统。该系统不仅实现了废旧聚氨酯的完全循环利用，还允许终端用户通过简单的热刺激操作，按需编程材料性能，动态适应不同应用场景。

该研究的核心是在废旧塑料分子网络中构筑“刺激触发拓扑转变系统”。团队以丁二酮肟（DMG）为断键剂，通过部分断裂聚氨酯泡沫网络中的氨酯键、脲键和缩二脲键，将交联网络解构为含二肟和动态肟氨酯键的非交联解聚产物。随后，解聚产物与甲基丙烯酸异氰基乙酯（MAI）反应，接枝丙烯酸酯基团，经紫外光固化后形成聚氨酯（PU）/聚丙烯酸酯（PA）互连单网络结构。该再生材料初始呈现柔软弹性；当受到100 °C热刺激时，动态肟氨酯键解离，触发PU链段脱落与重组，使初始的PU/PA互连单网络逐渐异构化为互穿双网络。这一转变不仅增强了能量耗散作用，还大幅缩短了PA链段的交联间距，限制了分子链段运动，使材料从软橡胶转变为硬质/半硬质塑料（模量从5 MPa升至270 MPa，增强54倍）。

为验证上述机制，团队从分子、纳米和宏观尺度开展了系统研究。在分子层面，通过模型小分子实验并结合¹H NMR分析，系统研究了丁二酮肟对氨酯键、脲键和缩二脲键的断键机理与动力学，以及肟氨酯键之间的动态交换反应及其动力学。在纳米尺度，原子力显微镜（AFM）显示，热刺激后形貌从PU/PA互连单网络转变为PU链脱落聚集的连续暗区与PA链堆叠的亮区；小角X射线散射（SAXS）表明，散射峰从q₁ = 0.05396 Å⁻¹（d₁ ≈ 11.6 nm）移至q₂ = 0.04876 Å⁻¹（d₂ ≈ 12.9 nm），强度显著增加，表明硬段微区变得更大更纯，印证了PU链段的脱落与聚集。在宏观尺度，溶胀实验表明平衡体积溶胀率从223%增至275%，进一步佐证了高溶胀率PU链段的脱落；动态热机械分析（DMA）显示玻璃化转变温度向高温移动，归因于PA链段交联间距缩短；红外光谱（FTIR）显示PU/PA链中C-O-C键特征峰逐渐合并，反映了网络互穿结构的形成。这些实验结果协同验证了基于动态肟氨酯键的拓扑异构机制。

基于上述拓扑转变机制，再生材料展现出卓越的力学可编程性。初始模量为5 MPa，在100 °C热刺激6小时后可提升至270 MPa，增强54倍。模量增强呈现时间依赖性，终端用户可通过控制加热时长按需定制弹性模量。通过调节PUF废料含量和辅助添加剂，可获得不同力学性能和可编程窗口的材料。所有再生产品均为高价值光固化3D打印树脂，力学性能可媲美商用光固化树脂。验证实验和对照实验证实，动态肟氨酯键是实现力学可编程性的关键。

得益于光固化前驱液的数字光处理3D打印能力，再生材料可被加工为复杂几何结构。热刺激下54倍的模量增强（5 MPa至270 MPa）进一步解锁了多种终端用户可参与编程的应用场景：一是便携式、多用途细丝，初始柔软态可卷曲收纳、方便携带或运输，也可捆绑物品；热刺激后，可转变为刚性长杆或承重挂钩。二是便携式、多用途薄膜，初始柔软态可卷绕或平铺收纳、方便携带或运输；热刺激并辅助剪纸技术后，可转变为刚性承重桌或风扇叶片。三是弹性系数可调弹簧，满足多种悬挂系统需求，可通过调节热刺激时间或局部区域进行调控。四是可切换缓冲/支撑材料系统。五是仿生力学梯度，通过空间选择性热刺激（内层冰冷却、外层吹风加热），可在单一材料中实现力学梯度分布。

料内部构筑了从柔软到刚硬的连续力学梯度，为仿生工程提供了新思路。

图4. 力学可编程再生材料的概念验证性应用展示。（a）3D打印赋能再生产品，可构建定制化复杂几何结构。（b-c）便携式、多用途细丝和薄膜。（d）弹性系数可调弹簧。（e）可切换柔性缓冲/硬性支撑材料系统。（f）仿生力学梯度。

值得注意的是，各中间状态在室温下稳定（存放两周模量无变化，30%应变下10次循环不影响最终硬化模量）。终端用户可通过控制加热时长进行分步编程。材料达到最大刚度后，仍可通过肟介导解聚、丙烯酸酯接枝、光固化再次循环利用。新再生产品可恢复柔性状态，且依然具备热触发硬化能力。所有试剂均为商业化廉价原料，工艺温和，易于工业推广。该策略将聚氨酯废料转化为可编程智能材料，赋予终端用户按需定制产品性能的能力，为废旧塑料循环利用开辟了一条以“动态适配终端用户需求”为核心理念的全新方向，极具应用吸引力。

该论文第一完成单位为杭州师范大学。材化学院2023级化学专业硕士研究生李杨飞、2024级化学专业硕士研究生陈建军为共同第一作者，材化学院朱雨田教授、刘增贺助理研究员为该论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金的资金资助。