基于金属-赖氨酸配位键与氢键协同作用的室温自修复可回收聚氨酯材料设计与性能调控

本研究针对室温自修复聚合物机械性能与修复效率难以兼顾的难题，通过将Zn2+/Cu2+/Mg2+-赖氨酸配位键与双氢键动态单元集成至聚氨酯(PU)主链，开发出拉伸强度达43.0 MPa、断裂伸长率>657%、室温24小时自修复效率>92%的弹性体，其中PU-Zn-20综合性能最优（韧性59.8 MJ m?3），为生物基自修复材料设计提供新范式。

　　

在材料科学领域，开发兼具优异机械性能和高效室温自修复能力的聚合物一直是重大挑战。传统自修复材料往往面临"高强度低修复率"或"高修复率低强度"的困境，尤其对于无需外部刺激的室温自修复体系更为突出。聚氨酯(PU)因其可设计的分子结构和丰富的动态键类型，被视为实现这一目标的理想平台，但其性能调控机制仍需深入探索。

山东的研究团队在《European Polymer Journal》发表的研究中，创新性地将生物基赖氨酸(Lys)与三种二价金属离子(Zn²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺)配位形成的动态复合物作为链延伸剂，构建了具有双重动态网络（金属-赖氨酸配位键+氢键）的PU材料体系。研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和动态力学分析(DMA)表征材料结构，通过万能材料试验机定量评估机械性能，并建立标准化切口愈合实验评价自修复效率。

材料与方法
研究首先合成Zn(Lys)₂、Cu(Lys)₂和Mg(Lys)₂三种配位复合物，将其与1,3-BAC链延伸剂按特定摩尔比混合，通过IPDI与PCL2000预聚物反应制备PU-M?x系列材料。金属含量(x)精确调控在5%-30%范围，形成PU-Zn?x、PU-Cu?x和PU-Mg?x三个亚系列。

结果与讨论
机械性能调控
所有PU-M?x材料均表现出卓越的机械性能：拉伸强度17.2-43.0 MPa，断裂伸长率657.4%-953.7%，韧性45.8-121.5 MJ m^?3。其中Zn²⁺体系呈现强度-延展性最佳平衡，PU-Zn-20的拉伸强度(25.4 MPa)与韧性(59.8 MJ m^?3)显著优于文献报道的室温自修复材料。

自修复性能
动态配位键与氢键的协同作用使材料在25°C下实现高效自修复：PU-Zn-20和PU-Mg-10的韧性修复效率分别达94.3%和92.7%。原位FTIR证实金属-羧基配位键(<400 cm^?1)和氢键(3320 cm^?1)在修复过程中的可逆重组。

回收性能
热压回收后的PU-Zn-20保留原始强度的91.2%，证明动态网络的可逆性赋予材料良好的循环加工性。

结论
该研究开创性地将生物基赖氨酸金属配位化学引入PU设计，通过多尺度动态键协同效应突破了室温自修复材料的性能瓶颈。PU-Zn-20的综合性能指标为目前报道的同类材料最佳水平，其生物相容性原料选择与温和加工条件，为开发可持续柔性电子基底材料提供了新思路。研究揭示的"金属离子类型-配位强度-动态性"定量关系，为功能性弹性体的分子设计建立了普适性准则。