由于热塑性聚氨酯弹性体具有出色的强度、韧性和弹性，近年来在电子皮肤、可穿戴电子和人机互动设备领域具有广大的应用需求。这些聚氨酯弹性体通常表现出极高的强度(>20 MPa)和拉伸性(>1000%)。然而，由于缺乏分子链间的化学交联作用，开发阻燃且抗熔滴的热塑性聚氨酯弹性体仍然是一个巨大的挑战。此外，研制可生物降解的聚氨酯弹性体具有极大的环境效益。

我们制备了一种高强、可生物降解、阻燃、抗熔滴和可生物降解的生物基聚氨酯弹性体。该聚氨酯弹性体以松香酸衍生物为硬段，聚己内酯二醇为软段，然后通过动态氢键与纤维素纳米晶体实现物理交联。弹性体力学强度的显著提高和优异的燃烧抗滴落性能是因为聚氨酯弹性体和纳米纤维素之间的氢键交联；出色的降解性能部分归因于硬段结构中的松香酸和软段聚己内酯二醇的双重降解作用，部分归因于纳米纤维素的催化和灯芯降解作用。

图1. 聚氨酯弹性体(PU-RD)和聚氨酯弹性体/纳米纤维素(PU-RD/CNC)的制备和性能表征。(a) PU-RD的合成过程。(b) PU-RD/CNC的制备示意图。(c) PU-RD和PU-RD/CNC的AFM高度图。(d) PU-RD和PU-RD/CNC的紫外透射光谱图。(Ⅰ: PU-RD, Ⅱ: PU-RD/1.0CNC, Ⅲ: PU-RD/3.0CNC, Ⅳ: PU-RD/5.0CNC)。

图2. PU-RD和PU-RD/CNC的力学性能。(a) 应力-应变曲线。(b) 储能模量随温度变化曲线。(c) 储能模量和(d) 粘度随频率变化曲线。(e) 波长在3500-3100cm^-1的红外光谱图。(f) 羟基峰位移变化曲线。(g) PU-RD/5.0CNC的原位红外光谱图。(h) 损耗模量随温度变化曲线。(i) 蠕变曲线。

图3. PU-RD和PU-RD/CNC的阻燃和抗滴落性能。(a) 垂直燃烧结果。(b) 残炭SEM图。(c) 储能模量和 (d) 粘度值随温度的变化曲线。(e) 残炭拉曼光谱图。

图4. PU-RD和PU-RD/CNC的生物降解和循环使用性能。(a) PU-RD和(b) PU-RD/5.0CNC降解过程的表面形貌SEM图。(c)商用聚氨酯、PU-D（不含松香酸）、PU-RD和PU-RD/5.0CNC降解过程的质量变化图。(d) PU-RD和 PU-RD/5.0CNC浸入水中24小时前后的对比图。(e) CNC灯芯效应示意图。(f) PU-RD/5.0CNC薄膜的循环过程。(g) PU-RD/5.0CNC循环5次的应力-应变曲线。

图5. PU-RD/5.0CNC作为压力传感器的封装材料。(a) 无和 (b) 有 PU-RD/5.0CNC作为封装材料的电子传感器俯视图。(c,d) (a,b)图中相应砝码信号映射图。(e) 无和 (f) 有PU-RD/5.0CNC作为封装材料的压力传感器点燃后的燃烧图。

张猛，中国林科院林化所研究员，博士生导师，林化所科技处处长。担任《聚氨酯工业》《生物质化学工程》等期刊编委，江苏省部属科研院所联合会副理事长、国家重点研发计划项目和国家自然科学基金评审专家等；入选全国林草青年拔尖、江苏省333高层次人才，中国林科院杰出青年，江苏省科技副总等。主要从事松香、植物油等林业生物质绿色化学转化制备生物基化学品及功能高分子材料研究。主持承担国家自然科学基金4项，国家重点研发计划子课题4项等。获得梁希林业技术发明一等奖（第二）和科技进步二等奖（第三）、江苏省科技进步二等奖（第三）、中国商业联合会科技进步一等奖（第七）等。以第一作者或通讯作者在Advanced Science，Chemical Engineering Journal，Cell Reports Physical Science等期刊发表论文60余篇，其中SCI 40余篇；受邀撰写英文专著2章；第一发明人获授权国际和国家发明专利10件。

宋平安，南昆士兰大学农业与环境科学学院教授，澳大利亚研究基金委未来研究员（澳洲杰青）。2009年获得浙江大学高分子化学与物理专业博士学位。主要致力于高分子材料的共混改性及其结构-性能关系、阻燃剂及阻燃涂层、火灾预警等方面的研究。迄今，已主持包括6项国家级项目在内的30余项科研项目。以第一作者和/或通讯作者等在Science, Adv. Mater.(3), Matter，Adv. Funct. Mater.(4)，ACS Nano(4)， Prog. Mater. Sci.，Prog. Polym. Sci.，Mater. Sci. Eng. R: Rep. 和Macromolecules (5) 等材料和高分子领域的国际知名学术期刊上发表SCI收录论文250余篇；总被引用达16,200余次，H-指数77 (谷歌学术)。2023年高被Clarivate高被引学者，研究工作得到Science、澳大利亚ABC News、MIT技术评论等媒体的广泛报道；研究工作入选澳大利亚研究基金委年度报告。编写英文书籍1本，章节2章。目前担任期刊Sustainable Materials and Technologies（IF: 9.6）的副主编，以及Compos. Part B: Eng.（IF:13.1）、 J. Mater. Sci. Technol.（IF：10.9）和ACS Sustainable Chemistry &Engineering (IF:8.4) 的期刊的助理编辑和编委。

Xue Y, Zhang T, Peng H, et al. Fire-retardant, anti-dripping, biodegradable and biobased polyurethane elastomers enabled by hydrogen-bonding with cellulose nanocrystals. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6397-0.