基于DA键交联的环氧改性聚氨酯弹性体：兼具耐磨、耐候、防腐与自修复功能的多功能材料设计

【编辑推荐】针对高速列车面临磨损、紫外线老化和腐蚀等多重挑战，研究人员通过DA（Diels-Alder）键交联技术开发了环氧改性聚氨酯弹性体（PUE-1）。该材料在软段分子量1000 g/mol和环氧树脂含量5 wt%条件下表现出卓越性能：24小时磨损质量损失仅9.1 mg，15天UV加速测试后拉伸强度仅下降18.6%，自修复效率达77.3%，低频模量提升2个数量级。这项研究为多功能防护材料的设计提供了新范式。

　　

随着高速铁路运输的快速发展，列车外表面长期暴露于高速磨损、紫外线辐射和化学腐蚀等严苛环境中，传统材料难以兼顾机械性能与长效防护需求。聚氨酯虽具有优异的耐磨性和耐候性，但在高湿环境中易水解，且对金属基底的附着力和防腐性能不足；环氧树脂虽能弥补防腐缺陷，却缺乏动态修复能力。这一矛盾促使材料科学家寻求创新解决方案——将动态共价化学引入高分子设计领域。

中国的研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表的研究中，通过三步法合成策略（图1）构建了DA键交联的环氧改性聚氨酯弹性体体系。关键技术包括：1）通过FT-IR和¹H NMR验证DA键的可逆交联结构；2）采用加速UV老化实验（QUV测试仪）评估耐候性；3）通过电化学阻抗谱（EIS）分析30天腐蚀行为；4）基于热触发DA键逆反应实现自修复功能验证。

【物理和化学性质】
红外光谱（FT-IR）显示3302 cm^?1处N-H键特征峰证实氨基甲酸酯结构形成（图2a）。X射线衍射（XRD）表明环氧树脂的引入使结晶度从23.1%降至11.4%，增强材料柔韧性。

【机械性能】
当软段分子量为1000 g/mol时，PUE-1的拉伸应力达14.3 MPa，比未改性样品提高37%；弹性模量提升352%，归因于环氧网络与聚氨酯的协同效应。

【耐磨与耐候性】
砂纸磨损测试中，PUE-1的24小时质量损失（9.1 mg）仅为传统聚氨酯的1/3。QUV测试显示其羰基指数增幅较对照组低58%，证实环氧结构有效抑制光氧化降解。

【自修复功能】
80°C热处理16小时后，划痕样品的断裂能恢复率达77.3%，DA键的可逆反应使材料具备三次以上循环修复能力（图5d）。

【腐蚀防护机制】
EIS测试中，含5 wt%环氧树脂的样品低频阻抗模量达1.7×10⁶ Ω·cm²，比纯聚氨酯高2个数量级，环氧交联网络形成致密屏障抑制电解质渗透。

这项研究通过分子设计实现了材料多功能集成：DA键赋予动态修复能力，环氧树脂增强防腐性能，而聚氨酯软段调控保持基体韧性。其重要意义在于：1）为高速列车外防护材料提供新选择；2）开创了通过可逆化学构建长效防护材料的通用策略；3）提出的"环氧-聚氨酯-DA键"三元体系可拓展至其他需要兼顾机械强度与环境耐受性的应用场景。作者在讨论中指出，未来可通过引入纳米填料进一步优化导热性或电磁屏蔽性能，推动多功能材料在极端环境下的工程应用。