木质素介导有序硬域构建机械强韧、长效耐候的生物基聚氨酯弹性体

针对传统聚氨酯(PU)在恶劣环境下易降解的问题，研究人员通过木质素介导共价/非共价组装策略，设计出具有有序硬域结构的生物基聚氨酯(LPU)。该材料展现出60.39 MPa拉伸强度、532.52%断裂伸长率和183.24 MJ/m3 韧性，经96 h UV辐照、60 d海水腐蚀和7 d 100℃老化后仍保持优异机械性能，为开发环境耐受型工程材料提供新思路。

　　

在工程材料领域，传统聚氨酯(PU)虽具有优异的机械性能和加工特性，却在紫外线辐射、高温高湿等恶劣环境下易发生降解，严重制约其在航空航天、海洋工程等领域的长期应用。现有改进方法如添加纳米填料往往面临分散性差、添加量受限等问题，而化学改性又可能牺牲材料本征性能。自然界中，植物通过木质素与多糖形成的复合结构实现环境耐受性，这一现象为材料设计提供了仿生灵感。

浙江理工大学的研究团队受此启发，创新性地将木质素作为结构单体整合到PU骨架中，通过原位聚合构建具有有序硬域的木质素衍生聚氨酯(LPU)。研究通过木质素与六亚甲基二异氰酸酯(HDI)反应形成氨基甲酸酯键(-NHCOO-)，同时利用木质素丰富的酚羟基建立多重氢键网络，形成软-硬纳米相分离结构。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为解决工程材料环境耐受性难题提供了新方案。

关键技术包括：1) 木质素提取与表征（Mw=1066 Da）；2) 通过控制羟基摩尔比调控硬域有序度；3) 人工加速老化实验（UV辐照、海水浸泡、热老化）；4) 多尺度结构表征（FTIR、XRD、SAXS）；5) 力学性能系统测试（拉伸强度、模量、韧性）。

【材料合成与结构表征】
通过将木质素与PTMEG-1000多元醇按比例替代，成功构建酚类-氨基甲酸酯交联网络。红外光谱证实硬段中氨基甲酸酯键与氢键的形成，小角X射线散射(SAXS)显示木质素含量达70%时出现明显的纳米相分离峰，证实有序硬域的形成。

【力学性能突破】
70%木质素替代的LPU展现卓越综合性能：拉伸强度(60.39 MPa)和弹性模量(235.71 MPa)分别达传统PU的2.82倍和5.43倍，同时保持532.52%的高延伸率。动态力学分析表明硬域作为物理交联点有效耗散能量，使韧性提升至183.24 MJ/m³
。

【环境耐受机制】
加速老化实验揭示木质素的多重防护作用：1) 酚羟基淬灭自由基；2) 共轭结构吸收UV；3) 致密氢键网络阻隔腐蚀介质渗透。经96 h UV辐照后，LPU强度保持率达92%，远超未改性PU的35%。

【结论与意义】
该研究通过仿生策略将木质素的结构与功能特性完美整合到PU中，不仅实现机械性能的突破（初始分解温度提升75℃），更创造出兼具本征耐候性的生物基材料。Li Zhan等提出的"木质素定义硬域"概念，为开发新一代环境适应性工程材料开辟道路，同时为木质素高值化利用提供范例。这种免添加剂的改性方法避免了传统共混材料的迁移失效问题，在风电叶片涂层、海洋装备等极端环境应用场景展现出巨大潜力。