北京化工大学先进弹性体材料研究中心在中国工程院院士张立群教授带领下，围绕能源、资源、环境、生命健康等领域的重大需求和传统橡胶产业的技术升级，从基础科学研究、关键技术创新和重大工程应用等方面展开全链条研究，培养高水平创新人才，推动弹性体材料领域基础科学和技术水平的提高。
面对弹性体材料日新月异的快速发展，更好地促进橡胶行业的科技进步，中心特推出重要研究成果展示栏目，与同行共勉。本期展示的主要成果如下：
（一）聚硫辛酸酯弹性体一步法热聚合助力绿色离子器件新路径
生物基单体为实现可持续的离子导体提供了一条富有前景的途径。天然分子硫辛酸（TA）因其能用来制备可回收与自愈合弹性体而备受关注。基于硫辛酸的离子导体虽具有制备简单、可回收等优点，但其存在离子电导率低、可设计性差等问题。TA侧链修饰制备出的硫辛酸酯（TE），为设计具有足够离子导电性和其他定制性质的聚合物提供了一个化学平台；然而，TE基聚合物（PolyTE）作为高性能离子导体的潜力仍然没有得到很大的开发，其高效合成仍是一大挑战。为了解决这一问题，人们探索了几种TE合成策略，不幸地是这些策略往往需要复杂的条件，多步骤的过程控制，使用溶剂或昂贵的催化剂。更重要的是，这些方法往往只能在室温下进行，使得TE无法实现离子导体的一步成型，降低了PolyTE的工业应用潜力。因此，开发一种简洁、无溶剂、高效的TE聚合策略是实现PolyTE在离子器件中高性能应用的关键。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202520298
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、王秀芬教授、博士生吴兆麟等成功设计并制备出由锂盐催化聚合的生物基可持续离子导体PolyTE。相关研究成果以“Stretchable and Sustainable Poly(thioctic ester) Elastomers Catalyzed by Lithium Salt for Ionic Sensors and Thermoelectrics”为题，发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上。
该工作设计并合成了6种TE单体，通过锂盐催化实现了TE单体的高效聚合，构建了具有多层次动态网络的交联PolyTE弹性体，如图1所示。锂盐在离子导体中兼具催化聚合与导电的双重功能。该方法无需溶剂、高效便捷，适用于室温和高温下各种TE的聚合，可实现PolyTE基离子导体的一步成型。合成的弹性体具备优异的可设计性、高离子电导率、良好的拉伸性。如图2所示，所合成的弹性体还具有内在的自愈合性、强附着力以及完全的可回收性。研究还展示了该材料在离子传感器与离子热电电容器中的广泛应用潜力，为绿色离子器件的设计与制备开辟了新路径。
图1 TE单体及PolyTE交联网络的结构设计
图2 PolyTE样品（a，b）自愈合照片及其自愈效率；（c）修复过程中实时电阻变化；（d）熔融回收与闭环回收的流程图；（e）应力-应变曲线；（f）变温FTIR光谱；（g，h）PolyTE在不同表面的粘附强度及其经历10次破坏-粘附循环后的粘附强度
（二）热-力耦合作用下PUE压缩疲劳行为及多尺度结构演变
聚氨酯弹性体（PUE）兼具较高强度、良好弹性和优异缓冲性能，在各类弹性承载构件中具有广泛应用前景。服役过程中，这类材料常需长期承受循环压缩载荷，其耐疲劳性能因而对构件的服役寿命和使用可靠性具有重要影响。然而，不同于拉伸疲劳，PUE在压缩疲劳过程中不仅伴随力学性能的衰减，还易产生内生热积累，形成复杂的热-力耦合作用，持续驱动其多尺度结构演化并最终导致失效。尽管已有研究关注PUE疲劳行为，但现有工作多集中于拉伸工况或宏观性能变化，对压缩疲劳条件下温升、多尺度结构演化与失效机制之间的内在联系仍缺乏系统认识。因此，开展热-力耦合作用下PUE压缩疲劳行为及其多尺度结构演变研究具有重要意义。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c15391
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心卢咏来教授、秦璇教授、博士生王敏等围绕PUE压缩疲劳过程中的多尺度结构演变开展了研究。该成果以“Thermo-mechanically driven hierarchical evolution in polyurethane elastomers subjected to compression fatigue”为题，发表在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
该工作围绕PUE压缩疲劳过程中由内生热积累引发的热-力耦合作用，系统研究了材料的多尺度结构演变及其失效机制。通过构建低微相分离程度（LP）和高微相分离程度（HP）两类PUE体系，同步监测内部与表面温度，结合多种表征手段，揭示了热-力耦合作用下材料从氢键作用、片晶结构到球晶形貌的多尺度结构响应规律。研究表明，LP样品在循环压缩初期更易发生热积累，内部温度最高可达126.6 ℃（图3），并诱导硬段重排形成有序性较差的新聚集体，发生“量增质降”的特殊现象；随着循环进行，片晶发生剪切滑移与重构，球晶逐渐由球形转变为椭圆形并发生碎裂，最终出现晶体熔融和硬相网络失稳，压缩永久变形率达到17.2%（图4）。相比之下，HP样品由于具有更高的微相分离程度和更稳定的硬相网络，在疲劳过程中主要表现为片晶取向重排和球晶逐步碎裂，能够有效缓解局部应力集中并维持结构完整性，最终压缩永久变形率仅为6.2%。该研究阐明了热-力耦合作用下PUE压缩疲劳过程中温升、微相结构变化与宏观性能劣化之间的内在联系，为高耐疲劳PUE的结构设计与性能优化提供了新的理论依据。
图3 (a) 内部温度随疲劳次数的变化；(b)测温位置示意；（c）表面温度随疲劳次数的变化；（d）疲劳测试6.0M次前后PUE样品照片
图4 LP（a–d）和HP（e–h）在压缩疲劳过程中的结构演变示意：（a，e）初始状态；（b，f）3.0M次疲劳；（c，g）4.5M次疲劳；（d，h）6.0M次疲劳
（三）可用于柔性可穿戴电子的新型高拉伸、自愈合聚氨酯弹性体研究
随着可穿戴电子、软体机器人以及智慧健康监测技术的迅速发展，核心材料正朝着高断裂伸长率、高韧性、皮肤匹配模量、自愈合能力、耐水耐汗及长期稳定性等多性能并重的方向演进。然而，传统弹性体通常面临拉伸强度与断裂伸长率难以兼具的矛盾，同时多数自愈合材料需要高温才能恢复性能，难以满足人体皮肤附近（约36 °C）的工作条件。在此背景下，开发兼具超高拉伸性、优异韧性、体温附近自愈合能力与环境稳定性的新型聚氨酯弹性体，成为柔性电子材料领域亟待解决的关键问题。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110908
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心张立群院士、秦璇教授、博士生田语舒等提出一种基于可调控微相分离结构的新型高性能聚氨酯弹性体设计策略，成功研制出一种高拉伸、高韧性、可低温自愈合的聚氨酯弹性体（HTPB-PU）。相关成果以“Ultra-stretchable, tough, and self-healing polyurethane with tunable microphase separation for flexible wearable electronics”为题，发表在国际知名期刊《Nano Energy》上。
该研究围绕如何在柔性电子材料中同时实现高断裂伸长率、强韧性与低温自愈合这一核心难题，构建了以微相分离精准调控为基础的聚氨酯弹性体结构设计体系。通过调节动态二硫键含量与氢键自组装行为，研究了微相分离结构的形成机制，以及微相分离程度对HTPB-PU力学性能、自愈合性能与环境稳定性等的影响。该研究系统探究了不同HEDS/DTO比例对硬段聚集与硬相分散、软硬段相容性等微相分离结构的影响及其在提升材料强韧性和自愈合等性能中的关键作用，如图5所示。基于该策略构筑的HTPB-HEDS0.8-DTO0.2弹性体在强度、断裂伸长率与柔韧性之间取得了优异平衡。相较传统软材料体系，该材料在实现了高达2180%的断裂伸长率、42.8 MJ·m-3的韧性，其杨氏模量（约110 kPa）与人体皮肤相近，可承受自身质量16666倍的拉伸负载。此外，该材料在36 °C条件下即可实现高效自愈合；在水、汗液、PBS、酸碱等环境中浸泡30d后仍保持稳定，表现出突出的环境稳定性，如图6所示。研究团队还进一步将该材料与液态金属结合，组装成“三明治”结构的电子皮肤应变传感器，可实现较大范围应变检测，并成功应用于脉搏波、喉部发声及关节运动等多类生理信号监测，为柔性电子皮肤和可穿戴电子领域提供了重要的材料基础与分子设计思路。
图5 HTPB-PU的微相分离结构、力学性能和自愈合性能
图6 HTPB-PU的微相分离结构设计、综合性能优势和可穿戴应用性能示意
（四）适用于芳纶纤维且具有高界面粘合的新型环保浸渍体系研究
随着高性能橡胶制品对轻量化、高强度和长寿命需求的不断提升，芳纶纤维因其优异的力学性能、耐高温性和化学稳定性，在橡胶复合材料中展现出重要应用前景。然而，芳纶纤维表面化学惰性较强，与橡胶之间的界面结合能力较弱，限制了其增强作用的充分发挥。目前广泛应用的间苯二酚-甲醛-胶乳（RFL）浸渍体系虽然能够有效改善纤维/橡胶界面粘合，但其中涉及甲醛和间苯二酚等组分，存在一定环境与健康风险，已难以完全适应绿色制造的发展要求。因此，开发兼具优异界面粘合性能、环境友好性和良好储存稳定性的芳纶纤维环保浸渍体系具有重要意义。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c04920
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心王文才教授、田明教授、博士生卢怡臣等设计并制备了一种适用于芳纶纤维的环保型浸渍体系。该成果以“Novel Environmentally Friendly Dipping System for Aramid Fibers with Strong Interfacial Adhesion and Good Storage Stability”为题，发表在国际知名期刊《Industrial & Engineering Chemistry Research》上。
该工作设计了一种水性聚氨酯/封闭异氰酸酯/胶乳（WCL）复合环保浸渍体系，以水性聚氨酯替代传统RFL体系中的RF树脂网络，并结合山梨醇缩水甘油醚和封闭二异氰酸酯对芳纶纤维进行预处理，从而提升纤维表面化学活性及界面反应能力，如图7所示。研究结果表明，如图8，经该体系处理后，芳纶纤维与橡胶之间的H抽出力可达160 N，达到并优于传统RFL体系152 N的性能水平。同时，浸渍后纤维强度损失低于5%，对其实际使用性能影响较小，且浸渍液表现出优异的储存稳定性。进一步地，结合XPS、FTIR-ATR等表征手段及界面反应分析，系统阐明了芳纶纤维与橡胶之间的界面粘合机制。该方法工艺成熟、效率较高，并具备良好的工业应用潜力，为芳纶纤维增强橡胶复合材料的界面调控及环保浸渍体系的开发提供了新的思路。
图7 芳纶纤维表面浸渍改性处理示意
图8 （a, d）不同WPU质量分数；（b, e）不同CBI添加量；（c, f）不同处理方法的H抽出和剥离力
（五）阳离子乳化剂快速可控合成ENR和ENR胶乳研究
天然橡胶（NR）凭借高弹性、高力学强度及优良的加工性能，在轮胎、医用手套及密封领域应用广泛。然而，其主链丰富的不饱和双键导致气密性、耐老化性和抗湿滑性较差。通过环氧化改性引入极性环氧基团得到的环氧化天然橡胶（ENR），不仅保留了NR的优点，更显著提升了极性和气密性。目前，工业上主要采用原位过氧甲酸法进行改性，但反应体系的酸性环境对胶乳稳定性提出了严峻挑战。目前研究者大多使用非离子乳化剂（如OP-10、吐温-80等）保持胶乳稳定性，但面临着反应速率慢、高固含量下易破乳、高温稳定性差等痛点。因此，开发一种能兼顾高固含量、高反应速率且具有极佳化学稳定性的乳化体系，是实现高性能ENR胶乳高效制备的关键。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pol.20250474
近日，北京化工大学先进弹性体材料研究中心石艳教授、硕士生裴鑫懿、郝元渤采用阳离子乳化剂-十八烷基三甲基氯化铵（OTAC）为稳定剂进行了ENR的合成，实现了高固含量下快速制备不同环氧度的ENR，并探究了OTAC优异稳定环氧化胶乳的机理。相关成果以“Controlled and Expeditious Synthesis of Epoxidized Natural Rubber and Stable latex Modulated by Cationic Surfactants”为题，发表在期刊《Journal of Polymer Science》上。
本工作采用阳离子乳化剂OTAC稳定NR和ENR胶乳，发现OTAC乳化剂能够在高固含量、高反应温度下保持胶乳稳定，并且能够快速、可控合成ENR和稳定的ENR胶乳。如在50%固含量，60℃下反应4 h和6h分别可制备ENR50和ENR60，这是已知文献中固含量最高和反应速率最快的体系。通过测试胶乳的Zeta电位、粒径与粘度，探究了阳离子乳化剂OTAC与非离子乳化剂OP-10的稳定机理与差异：如图9和10所示，发现酸性条件下OTAC体系胶乳的Zeta电位高达+70.9 mV，反应中胶乳保持低粘度，仅为2.0 mPa·s；OP-10体系反应过程中胶乳粘度增加，粘度高达175 mPa·s，且胶乳稀释后破乳，稳定性很差。通过乳化剂在原位环氧化条件的结构跟踪，发现OTAC在反应过程中能保持自身结构稳定性，而OP-10在反应过程中发生部分分解。因此，OTAC体系高的 Zeta电位和结构稳定性、极低的粘度保证了胶乳优异的稳定性和很高的环氧化速率。此外，跟踪两种乳化剂稳定的ENR胶乳储存稳定性，发现OTAC胶乳能够稳定存放至少6个月，而OP-10胶乳在存放12 h后即破乳。本研究工作为不同环氧度ENR，尤其是高环氧度ENR和ENR胶乳的制备提供了一条新的高效的途径。
图9 OTAC乳化剂与OP-10乳化剂制备ENR对比示意
图10 （a）35%固含量下ENR环氧度变化核磁谱；（b）不同温度下环氧化速率；（c）OP-10氧化前后的核磁谱；（d）OTAC氧化前后的核磁谱
