极端低温环境下的材料脆性问题，长期制约着极地探索、航空航天及低温工程的发展。传统抗冲击塑料在低温下因聚合物链运动受限而变脆，易发生灾难性断裂。尽管近年来非共价相互作用（如氢键）被用于提升材料韧性，但如何设计出在深低温条件下仍保持高抗冲击性和韧性的塑料，仍是巨大挑战。

吉林大学孙俊奇教授团队成功研发出一种超韧聚脲-聚氨酯（PUU）塑料。该材料通过多类型氢键（结合能跨度达3.7–38.2 kcal mol⁻¹）交联柔性聚四氢呋喃醚二醇（PTMEG）链，形成双连续相分离纳米结构。在-50°C环境下，其屈服强度达81.1 MPa，断裂强度133.0 MPa，断裂伸长率220.9%，冲击能量吸收达3.8 J（0.3 mm厚度样品），性能媲美常温超韧塑料。-196°C液氮中仍保持柔韧性，可承载5 kg重物12小时不破裂。

材料制备与基础特性

PUU塑料以尿素、2,6-吡啶二甲醇（PY）、PTMEG和二环己基甲烷二异氰酸酯（HMDI）为原料，通过逐步聚合反应合成（图1a）。溶液浇铸成型的塑料薄膜（0.3 mm厚，40×30 cm）呈现均匀透明状态（图1c），透光率达92.2%（550 nm）。热分解温度308.2°C和玻璃化转变温度178.6°C表明其优异热稳定性。

图1：PUU塑料的制备 a) PUU塑料的合成路线。 b) PUU塑料制备过程示意图。 c) 厚度0.3 mm、尺寸40 cm × 30 cm的PUU塑料片数码照片。 

低温抗冲击与力学性能

在-50°C冲击测试中，PUU塑料最大冲击力达667.8 N，冲击能量3.8 J，远高于商用聚碳酸酯（PC）的456.3 N/1.9 J（图2a,c）。PC在低温下发生脆性断裂（图2d-ii），而PUU仅出现韧性穿孔（图2b-ii）。对比9种商用抗冲击塑料（如PA、ABS、HDPE），PUU在低温下的抗冲击性能全面领先（图2e）。拉伸测试显示，-50°C下其韧性保持213.2 MJ m⁻³（图2f），动态力学分析（DMA）证实-100°C仍具链运动能力（图2g,h）。

图2：PUU塑料的抗冲击性与韧性 a) PUU塑料在25°C和-50°C下的力-位移曲线。 b) PUU塑料在i) 25°C和ii) -50°C冲击后的损伤形貌数码照片。 c) PC塑料在25°C和-50°C下的力-位移曲线。 d) PC塑料在i) 25°C和ii) -50°C冲击后的损伤形貌数码照片。 e) PUU塑料与商用抗冲击塑料在25°C和-50°C下的冲击能量与最大抗冲击力（MIRF）对比。 f) PUU塑料在不同温度下的应力-应变曲线。 g) PUU塑料在-100°C、80 MPa应力下持续1小时的蠕变-回复行为。 h) PUU塑料在-100°C下连续7次80 MPa应力加载-卸载循环。 i) PUU塑料条（0.2 mm厚）在液氮（-196°C）中承载5 kg重物12小时。 

纳米结构与氢键设计

小角X射线散射（SAXS）揭示PUU存在17.9 nm周期的双连续相分离结构（图3a）。红外光谱（FTIR）检测到五类氢键化羰基峰（1724–1626 cm⁻¹），证实多元氢键交联网络（图3b）。原子力红外成像（AFM-IR）直观显示刚性纳米域（氢键聚集体）与柔性PTMEG链相互贯穿（图3c），构成“刚柔并济”的纳米骨架（图3d）。

图3：PUU塑料的结构表征 a) PUU塑料的一维SAXS图谱（插图为对应二维SAXS图谱）。 b) PUU的C=O伸缩振动区域FTIR光谱。 c) 在1639 cm⁻¹处采集的AFM-IR图像（亮区：氢键化尿素C=O富集的刚性域；暗区：PTMEG链）。 d) PUU塑料双连续相分离结构示意图。 

能量耗散机制

DMA松弛峰（-20.2°C和-69.6°C）表明氢键动态解离提升链运动性（图4a）。应变速率频率叠加实验证实材料在10⁻⁷–10¹³ Hz宽频域内具备多重能量耗散能力（图4b）。-50°C循环拉伸显示，应变增至200%时能耗从9.0 MJ m⁻³升至103.2 MJ m⁻³（图4c,d）。原位X射线证实：拉伸中刚性纳米域变形排列（图4f），且PTMEG链无结晶化，维持低温延展性（图4e）。

图4：PUU塑料低温抗冲击性与韧性的机理研究 a) 50 Hz频率下PUU塑料的DMA曲线。 b) PUU塑料的时温叠加tan δ曲线。 c) -50°C下PUU塑料连续应变递增的加载-卸载循环曲线（无间歇）。 d) 各循环对应的滞后面积。 e) PUU塑料在25°C（0%应变）与-50°C（0%和200%应变）下的WAXD图谱。 f) -50°C下PUU塑料在0%和200%应变时的二维SAXS图谱。 

环境稳定性与循环利用

PUU塑料在酸、碱、盐水中浸泡24小时后力学性能无损（图5a-c）。氢键动态性赋予其自愈能力：断面经溶剂活化后60°C加热10小时，愈合效率达100%，可重新承载5 kg重物（图5d-f）。热压回收实验表明，三次循环再加工后力学性能保持稳定（图5g,h）。

图5：PUU塑料的耐水性、自愈性与可回收性 a) PUU塑料在25°C水中、1 M HCl、1 M NaOH及饱和NaCl水溶液中浸泡24小时后的光学照片。 b) 原始PUU塑料与浸泡后（未干燥）样品的应力-应变曲线。 c) 原始PUU塑料与浸泡干燥后样品的应力-应变曲线。 d) i) 切割成两片的PUU塑料；ii) 60°C愈合10小时后的显微照片。 e) 愈合后的PUU塑料片成功承载5 kg重物的数码照片。 f) PUU塑料在60°C下愈合不同时间的应力-应变曲线。 g) 热压法回收PUU塑料示意图（红色枫叶与蓝色银杏为染色塑料再成型）。 h) 热压法回收三次的PUU塑料应力-应变曲线。

应用前景

该材料以廉价原料和简易工艺实现量产，兼具低温超韧性、自修复性及可回收性，为航天器低温部件、极地装备、液氮储运系统提供了革新性解决方案。孙俊奇团队提出的“宽谱氢键交联”策略，为设计极端环境高分子材料开辟了新路径。