浙江大学，Nature Materials！

一、研究背景

聚合物材料的发展对人类文明产生了深远影响，但单一类型的聚合物在新兴应用场景中的局限性促使人们将多种聚合物合并，以实现性能的突破。目前的聚合物整合方法如共混和共聚，常因相容性问题和对聚合物链分布控制有限而无法充分发挥多组分聚合物材料的潜力。

二、关键问题

目前聚合物的研究主要存在以下问题：

1、聚合物整合的现有缺陷

目前聚合物整合方法（如共混、共聚）存在不相容性和对聚合物链分布控制有限等问题，导致难以实现不同聚合物链的有效协同作用，限制了聚合物材料性能的提升。

2、分子水平整合存在重大挑战

尽管织造技术在宏观层面可实现材料的高度集成和协同，但目前对织造聚合物网络的研究主要集中在相同组分的分子链上，如何利用织造启发的策略实现不同聚合物链在分子水平上的有效整合和协同作用，仍是亟待解决的难题。

三、新思路

有鉴于此，浙江大学黄飞鹤、李光峰等人报道了通过非对称缠结节点实现聚合物链缠结的方法，其灵感来自具有不同经线和纬线的宏观编织材料，在分子水平上实现聚氨酯和环氧树脂链的整合。聚合物网络内丰富的动态缠结，使人联想到编织拓扑结构，使柔性聚氨酯链和刚性环氧链能够在外部应力下协同工作，从而赋予最终网络优异的机械和粘合性能。这项研究表明，编织启发的分子，水平缠结在聚合物集成和性能调制，同时也提供了一个重要的参考，通过编织启发策略的新型多组分聚合物材料的设计。

技术方案：

1、合成并表征了WPU-EP 网络

本研究通过编织启发的非对称纠缠节点构建了WPU-EP网络，实现了PU和EP链段的有效整合。该网络结构稳定，缠结节点增强了链段结合，提升了材料性能，为协同效应创造了有利条件。

2、研究了WPU-EP、SPU-EP和CPU-EP的机械性能

本研究对比了 WPU-EP、CPU-EP 和 SPU-EP 三种聚合物网络的机械性能，发现 WPU-EP 因缠结节点具有最高拉伸率、最大断裂应力和超高韧性，表现出优异的结构稳定性和动态性，缠结节点对性能提升起关键作用。

3、深入解析了WPU-EP的属性

研究发现增加缠结节点比例可显著提升WPU-EP网络的强度和韧性；提高EP含量则降低韧性但增强回复能力，表明可通过调控节点和组分比例优化聚合物网络性能。

4、研究了聚氨酯-环氧树脂复合材料的粘接性能

WPU-EP粘合剂与传统粘合剂相比，拉伸强度略高且刚度低。其剪切强度显著高于对照组，达15.1 MPa，且在牵引2.1吨汽车实验中表现出色，展现了优异的粘接性能和实用价值。

技术优势：

1、实现了分子水平上的聚合物链整合

本文通过设计并合成双羟基三齿配体，与聚四亚甲基醚二醇和二异氰酸酯共聚，形成含有三齿结合位点的线型聚氨酯。利用醋酸钯使三齿结合位点与单齿配体配位结合，形成编织启发的不对称缠结节点，进而促进聚氨酯和环氧树脂链的整合，构建出具有优异性能的聚合物网络。

2、实现了动态性能与机械性能的协同提升

在聚合物网络中，柔性聚氨酯链段和刚性环氧树脂链段通过缠结节点高度集成。柔性链段可动态解离和滑移，吸收耗散能量；刚性链段和复杂拓扑结构作为骨架维持网络完整性。这种整合和协同作用使网络具备优异机械性能。

技术细节

设计、合成和结构表征

本研究以聚氨酯（PU）和环氧树脂（EP）为例，探索拓扑缠结对不同聚合物整合和性能提升的协同作用。PU以弹性和柔韧性著称，而EP固化后强度高但脆性大，工业中常将二者混合使用。研究中合成了 WPU-EP 网络，其关键在于利用编织启发的非对称纠缠节点诱导纠缠，通过模型配体构建并分析了非对称纠缠节点的晶体结构，证实了其可行性。WPU-EP 网络由 PU 和 EP 链段通过极性官能团逐步聚合而成，具有结构稳定性。通过傅里叶变换红外光谱分析了三种聚合物网络的特征官能团信号变化，表明反应完全且网络中存在交联。差示扫描量热法（DSC）分析了三种网络的热转变行为，发现 WPU-EP 中没有观察到部分相分离现象，说明缠结节点增强了两种聚合物的整合，使链段更紧密地结合，保持结构动态性，为协同效应创造了有利条件。

图  编织诱导非对称缠结节点交联聚合物网络WPU-EP的设计与构建

图  聚合物网络WPU-EP、SPU-EP和CPU-EP的结构表征

WPU-EP、SPU-EP和CPU-EP的机械性能

本研究通过对比WPU-EP、CPU-EP和SPU-EP三种聚合物网络的机械性能，发现WPU-EP具有最高的拉伸率（3105%）和最大断裂应力（63.3 MPa），以及989 MJ/m³的超高韧性。其优异性能归因于基于金属配位的缠结节点，增强了聚合物链的缠结，促进了PU和EP的协同效应。在应力松弛行为测试中，WPU-EP表现出较好的稳定性，其活化能为32.4 kJ/mol，优于SPU-EP。动态力学分析表明，WPU-EP的储能模量随温度升高稳定下降，损耗模量在-45°C附近形成宽峰，与PU软段有关。大振幅振荡剪切实验显示，WPU-EP的模量随时间增加，表明其网络结构在应力下具有动态性和稳定性。脱金属后，WPU-EP的最大应力降低，但拉伸性能变化不大，说明链缠结在维持结构完整性方面起关键作用。

图  WPU-EP、CPU-EP和SPU-EP的机械性能

深入了解WPU-EP的属性

本研究进一步探讨了缠结节点比例和环氧树脂（EP）含量对聚合物网络性能的影响。首先，通过制备不同节点比例（1%、5%、10%）的WPU-EP样品，发现最大应力和断裂应变随节点比例增加显著提升，从8.7 MPa和276%增至63.3 MPa和3105%。这主要是因为节点含量影响交联密度，节点不足会导致网络结构松散和相分离。循环拉伸试验表明，节点增加增强了能量耗散。接着，研究了不同EP含量（15%、20%、30%、50%、70%）对网络性能的影响。结果表明，随着EP含量增加，最大应力和韧性降低，残余应变和回复能力增大。损耗因子分析显示，EP含量增加导致相分离现象更明显，刚性增加。基于实验结果，优选了节点比例为5%、EP含量为15%的WPU-EP样品进行哑铃举升实验，仅46 mg的片材可轻松举升3 kg哑铃，展示了不对称缠结节点在构建高性能多组分聚合物网络中的巨大潜力。

图  缠结节比例和EP含量对WPU-EP性能的影响

聚氨酯-环氧树脂复合材料的粘接性能

本研究将基于WPU-EP的粘合剂与传统增韧EP粘合剂进行对比。WPU-EP粘合剂在铝基材上的抗拉强度略高于对照组，且刚度较低，表现出与传统共价交联网络相当的粘合性能。在剪切强度测试中，WPU-EP粘合剂表现出更高的剪切强度（15.1 MPa），远高于对照组的6.82 MPa，且在实际应用中展现出优异的粘接性能。实验中，仅2.5厘米×1.3厘米的粘合面积就能成功牵引2.1吨的汽车，且在牵引过程中和完成后均未出现粘合区异常。这表明WPU-EP粘合剂不仅具有高拉伸和剪切强度，还具有很高的实用价值。

图  WPU-EP胶粘剂与对照胶粘剂的粘接性能

五、展望

总之，本研究通过编织引发的不对称缠结节点，实现了聚氨酯和环氧树脂的有效整合，形成具有优异力学性能和粘合性能的聚合物网络。这一成果将编织型聚合物网络从单组分推进到多组分体系，使不同聚合物可通过缠结节点整合，实现协同作用。未来有望探索更多聚合物组合，充分发挥分子编织在新材料设计中的潜力。

参考文献：

He, Z., Chen, L., You, W. et al. Weaving-inspired asymmetric entangled nodes in multi-component polymer networks. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02400-w

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