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兰州化物所研发出极地可穿戴设备用超敏多功能材料
2025年12月25日 09:17:44
来源：化工仪器网 作者：杨 点击量：5252
中科院兰州化物所聚合物自润滑复合材料课题组创新性地提出了“分子工程策略”，通过引入物理交联和化学交联，在聚氨酯内部构筑交织网络结构。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心聚合物自润滑复合材料课题组在材料领域取得突破。他们开发的形状记忆聚氨酯材料，通过独特的分子工程策略，在聚氨酯内部构筑交织网络结构，解决了传统聚氨酯材料力学性能与功能特性难以兼顾的矛盾。这种新材料在极端低温环境下仍能保持高强度、韧性和灵敏的传感能力，为极地可穿戴设备和柔性电子技术提供了创新的材料解决方案。
聚氨酯被誉为“第五大塑料”，在工业生产和日常生活中扮演着不可或缺的角色。传统聚氨酯材料面临一个根本性矛盾：强化学交联可提供高力学性能，却牺牲了材料的动态性与可修复性。
随着柔性电子技术的快速发展，传感系统正朝着可拉伸、自适应和自修复的方向变革。柔性传感器凭借其共形粘附、机械耐久性和生物相容性优势，在健康监测、人机交互和软机器人等领域展现出巨大潜力。然而当前柔性传感器的核心发展瓶颈在于如何同时实现环境稳定性、自修复能力和高信号保真度。常规柔性传感器主要依赖水凝胶或弹性体基质注入离子液体或导电填料，难以同步实现高离子电导率、环境稳定性和形状记忆性能等关键指标。
中科院兰州化物所聚合物自润滑复合材料课题组创新性地提出了“分子工程策略”，通过引入物理交联和化学交联，在聚氨酯内部构筑交织网络结构。研究团队将四重氢键与交织网络结构相结合，四重氢键能有效耗散能量，而交织网络结构则能在外力作用时稳定分子网络。这种分子网络设计在提升聚氨酯材料强度的同时，没有以牺牲弹性为代价，还能赋予聚氨酯动态特性，实现诸如形状记忆、自修复和可回收等功能。
为实现材料的导电性，研究人员创新性地引入含氟扩链剂和多氢键单元，构建了氟-阳离子相互作用与高密度氢键协同的动态网络。氟的高电负性不仅与封端剂形成离子键增强网络稳定性，还通过偶极相互作用固定阳离子，构建阴离子传输通道，保障离子高效迁移。
经过这种分子工程改造后的聚氨酯材料展现出令人瞩目的综合性能。在极端低温环境下，材料仍保持优异性能：在-40℃时，材料强度达32.31 MPa，韧性为107.05 MJ m⁻³，离子电导率为1.46×10⁻⁶ S cm⁻¹。该材料表现出负温度系数行为，在-40℃至-30℃超低温区间的温度系数电阻高达8.05% ℃⁻¹，这一指标优于大多数已报道的柔性温度传感器。
材料的形状记忆功能同样出色：形状恢复率随循环次数增加从86.5%升至94.8%，固定率稳定在约98.3%。材料在低温下可固定临时形状，室温下快速恢复原始形状，展示了在智能可穿戴设备中的应用潜力。自修复性能方面，室温下1小时修复效率达85.4%，3小时可达97.4%，显著延长了材料在苛刻环境下的使用寿命。
作为高灵敏、可自修复的“离子皮肤”，这种新型聚氨酯材料在健康监测方面表现卓越。实验证明，它能精准监测手指、手腕、肘部等关节的不同弯曲动作，并区分深、浅不同的呼吸模式。尤为关键的是，当用作心电图监测电极时，它采集的信号质量符合临床要求，T波与R波振幅比在0.2-0.4的临床可接受范围内，满足医疗级心血管评估标准。
研究团队表示，这项技术为极地勘探、低温医疗和特殊环境监测等领域的可穿戴设备发展提供了创新材料平台。这一巧妙的分子设计为极端环境下柔性电子设备的设计提供了新的聚合物工程策略，突破了传统材料的性能权衡限制。
相关成果Shape-memory polyurethanes for polar wearables with ultrasensitive multi-monitoring于近日发表于《自然-通讯》(nature communications)。
参考来源：中科院兰州化物所研
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