华南理工大学马春风教授AM: 拓扑调控聚脲—从结构设计到新兴应用
2026-07-06 15:57:48
作者：高分子科学前沿 来源：高分子科学前沿
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聚脲作为一种高性能聚合物，兼具涂料、橡胶和塑料的特性，表现出高强韧、高耐磨、高防护性能，在涂层材料、粘合剂、冲击防护等领域具有不可替代的应用价值，被称为“黑科技”材料。特别是其独特的可编程力学性能、强界面黏附性以及动态自修复能力，使聚脲在柔性电子器件、固态电解质、软体机器人和生物传感器等新兴前沿领域中展现出巨大的应用潜力。然而，聚脲目前仍面临异氰酸酯与氨基反应速度过快、结构可调性受限、功能性单一等关键挑战。近年来，随着聚脲领域的蓬勃发展以及国内外学者的持续攻关，在合成方法、拓扑调控及功能应用拓展等方面均取得了重要进展。例如，研究者开发了低活性胺类化合物及非异氰酸酯绿色合成路线，有效解决反应过快和异氰酸酯毒性问题；通过合理设计拓扑网络，可有效调控微相分离、氢键密度及链段运动性，从而调节强度、韧性、应变速率敏感等力学性能，并赋予其阻尼、自修复、形状记忆等功能。进一步将聚脲由传统的防护领域拓展至柔性电子、固态电解质等新兴领域。华南理工大学海洋工程材料团队长期致力于海洋先进防护高分子材料研究。近年来，借助于高分子材料创新设计，先后研制了降活型、封闭型以及溶剂调控型聚脲/聚氨酯材料，并开发其在防污防腐、修复加固、冲击防护等领域的应用(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，该团队从高分子材料创新设计入手，系统总结了功能性聚脲的分子结构、合成方法、拓扑调控及性能与应用的关系，涵盖合成策略、网络结构设计、新兴应用等，并展望未来发展方向。1) 在合成方法方面，使用低活性胺化合物和封闭技术等策略可以精确调节反应速率，确保可控的聚合物网络形成。特别是，非异氰酸酯合成策略代表了绿色化学的突破，因为这种方法完全避免了有毒的异氰酸酯原料，从而大大减少了对环境的影响。2) 在结构调控方面，通过精心设计硬段和软段的化学结构，并在各种超分子相互作用的同时引入动态共价键，可有效调节聚脲网络的微相分离、相域尺寸、界面相容性和氢键密度。其直接决定聚脲的强度、韧性、弹性恢复和抗疲劳性，并可进一步赋予其阻尼、自修复、形状记忆等功能，从而推动高性能聚脲材料的不断迭代。3）在应用拓展方面，聚脲已从传统的防护领域扩展到柔性电子器件、固态电解质、软体机器人和生物传感器等新兴前沿领域。其分子设计的多功能性赋予其具有可定制结构和可编程功能，使聚脲在不同技术领域和场景中展现出巨大应用潜力。图2.拓扑调控聚脲的分子结构、合成方法、拓扑调控及性能与应用的关系综上所述，本文系统总结了功能性聚脲的分子结构、合成方法、拓扑调控及性能与应用的关系，重点讨论了合成策略、网络结构设计、新兴应用等。展望未来，聚脲材料的趋势和重点是采用“材料—结构—功能”的设计理念，从绿色合成与制备工艺优化、新型网络结构设计与表征、人工智能（AI）设计和性能预测、新兴领域扩展应用等方面持续推进。该综述旨在为该领域的持续创新提供参考，驱动聚脲材料朝着可持续性、多功能性、高性能化方向发展。相关工作以“Topology-Regulated Polyurea: From Structural Design to Emerging Applications”为题发表在《Advanced Materials》上，东北大学副教授张志鹏为本文第一作者（华南理工大学博士毕业生），马春风教授为本文通讯作者。
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