聚氨酯弹性体具有结构高度可设计、力学性能优异以及黏弹响应丰富等特点，在振动隔离、冲击防护和噪声控制等领域具有广泛应用前景。然而，传统聚合物阻尼主要依赖玻璃化转变附近的链段运动，因此其有效能量耗散往往局限于较窄的温度和频率范围。与此同时，简单通过在主链中大量引入氢键、离子键或配位键等动态相互作用来增强耗能，又容易限制链段运动并诱发局部应力集中，最终导致材料延展性、回复性或加工性能下降。如何在保持材料力学稳定性的同时拓宽其耗能时间尺度，是高性能阻尼弹性体设计中的关键问题。

  近日，华南理工大学张安强教授团队提出一种基于悬垂链拓扑与层级聚集结构（hierarchical aggregates）的聚氨酯弹性体设计策略（图1）：将具有不同作用强度的动态相互作用引入悬垂侧链，通过两性离子聚集以及Zr⁴⁺配位进一步构筑层级物理交联结构，其核心优势并非简单来源于增加动态键数量，而在于通过“悬垂链拓扑—多重动态相互作用—层级聚集结构”实现了不同尺度结构单元的协同响应：聚集结构在外界载荷下通过解离、滑移和重组持续耗能，而聚氨酯主网络则承担稳定的力学支撑，从而在一定程度上缓解了传统阻尼弹性体中力学强度与能量耗散能力之间的矛盾。该工作从动态键的空间分布和聚集层级出发，而不仅仅关注动态键本身的数量和强度，为高性能聚氨酯阻尼材料的分子结构设计提供了新的思路，也为振动隔离、冲击防护及噪声控制等领域的高强韧耗能弹性体开发提供了新的参考。

  2026年8月13日，相关成果以Dangling-Chain Topology Enables Synergistic Dissipation in Hierarchical Aggregate Elastomers为题发表于Macromolecules。论文第一作者为华南理工大学材料科学与工程学院博士生贾伟光，通讯作者为华南理工大学材料学院张安强教授与华南农业大学材料与化学工程学院林雅铃教授。该研究得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金项目的支持。

图1. PU-Ix和PU-Ix-CC的合成路线、结构设计及振动耗能机制示意图

  研究团队首先以PCDL为软段、HMDI和IPDA构筑聚氨酯主链，并将PDMAEMA-diol引入体系形成具有悬垂链特征的聚氨酯结构。随后利用1,3-丙磺酸内酯对PDMAEMA侧链进行两性离子化，在悬垂链上形成季铵盐/磺酸根结构，并进一步引入Zr⁴⁺与磺酸根发生配位。由此，体系中同时存在氢键、离子相互作用以及金属配位等多种非共价作用。与将大量动态键直接引入主链不同，这些相互作用主要分布于悬垂链及其聚集区域，使其能够作为相对独立的牺牲物理交联点，在外力作用下承担耗能和应力缓冲功能。

  为了证明这种层级聚集结构的形成，作者进一步通过TEM/EDS、AFM及SAXS对材料内部微观结构进行了系统表征。其结果表明，未配位试样整体形貌较为均匀，但S元素已经表现出一定程度的局部聚集；在进一步引入Zr⁴⁺后，PU-Ix-CC中出现了更加明显的相分离结构，并观察到S和Zr元素的共同富集（图2c-f）。而随着两性离子化程度提高以及配位作用的引入，聚集相尺寸明显增大。SAXS结果进一步表明，散射强度和电子密度差异逐渐增强，聚集相特征间距逐渐减小，说明体系由较为松散、无序的局部聚集逐步演化为更加致密的聚集结构（图2h-i）。

图2. PU-Ix和PU-Ix-CC的热性能、微观形貌及聚集结构表征

  基于时间—温度叠加原理构建的主曲线显示，PU-I₃₀-CC在高达10⁷ rad/s的频率范围内仍未出现G’与G”的交点，表明其在较高频率下仍可维持稳定的橡胶态特征。与此同时，在10² rad/s以上，其tanδ始终保持在0.3以上，并在10⁷ rad/s附近达到约0.7，体现出较好的高频能量耗散能力（图3a）。值得注意的是，随着剪切应变由0.1%逐渐提高至500%，PU-I₃₀-CC的阻尼响应显著增加，在500%应变附近达到初始水平的210%以上（图3f）。这种明显的应变响应型耗能行为表明，材料内部的动态结构并非静态物理交联点，而是能够在大形变过程中持续通过滑移、解离及重组参与能量耗散。

图3. PU-Ix和PU-Ix-CC的流变、应力松弛及应变响应行为

  层级聚集结构的引入并未以牺牲力学性能为代价，反而赋予材料优异的增强增韧效果（图4）。优化后的PU-I₃₀-CC表现出约45.0 MPa的拉伸强度、1292%的断裂伸长率、30.0 MPa的杨氏模量以及272.6 MJ/m³的韧性，实现了高强度、高延展性和高韧性的协同。此外，由于体系主要依赖可逆非共价作用维持层级结构，PU-I₃₀-CC仍保留了较好的网络重构能力。经过多次溶解再加工后，材料在后续循环中的力学性能变化较小，说明高温和溶剂处理可以使动态相互作用暂时解离，并在重新成膜后恢复聚集网络。

图4. PU-Ix和PU-Ix-CC的拉伸性能及循环再加工性能

  为了进一步阐明材料在拉伸过程中的耗能机制，作者通过循环拉伸、双对数力学分析、原位拉伸SAXS以及二维相关红外光谱建立了从宏观力学响应到微观结构演变的完整证据链（图5）。原位拉伸SAXS直接揭示了层级聚集结构在拉伸过程中经历“解离—重排—取向”的动态演化，证明这些聚集结构能够通过持续重构参与能量耗散（图5f）。同时，结合变温FTIR与2D-COS分析，作者进一步发现氢键、两性离子缔合以及金属配位之间存在耦合且具有不同的响应先后关系，说明该材料内部形成了一个具有多尺度、分阶段响应特征的动态物理交联网络（图5g-i）。

图5. 循环耗能、三阶段力学分析、原位SAXS及2D-COS表征

  在完成结构和机理分析后，作者进一步通过落球冲击实验验证材料在实际高速加载条件下的防护能力。其结果表明，得益于独特的结构设计，该聚氨酯弹性体在一定程度上能够很好地耗散高频条件下的能量，进而保护脆弱物体，其性能优于未填充的硫化天然橡胶（图6）。

图6. 与天然橡胶等材料的落球冲击及实际防护对比

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6c01161