南京林业大学蒋少华教授团队《Green Chemistry》发表综述:生物基聚氨酯在柔性电子器件中的改性策略

随着“碳中和”目标的提出和电子废弃物环境压力的日益严峻，开发可持续、可降解的生物基材料已成为柔性电子领域的迫切需求。生物基聚氨酯（BPU）因其可调的分子结构和优异的机械性能，被视为替代传统石油基弹性体的理想候选者。然而，如何兼顾其在柔性电子器件中所需的高导电性、力学稳定性与环境耐受性，仍是限制其大规模应用的核心瓶颈。

近日，南京林业大学蒋少华教授团队，在绿色化学领域顶级期刊《Green Chemistry》发表综述文章。该文章系统总结了生物基聚氨酯在柔性电子器件中的最新改性进展，深入探讨了从分子结构设计到复合改性的多尺度策略，并展望了其在下一代智能、绿色电子器件中的应用前景。

图1 生物基聚氨酯的改性策略及其在柔性电子设备中的应用示意图

本文要点：

生物基聚氨酯（BPU）凭借其原料来源丰富（如植物油、木质素、淀粉衍生物）、分子结构可设计性强以及优异的生物相容性，在柔性电子领域的研究热度持续攀升（图2）。尽管前景广阔，但原始BPU在实际应用中仍面临着导电性缺失、力学强度不足、功能单一等“先天缺陷”，难以直接满足高性能电子皮肤或精密传感器对灵敏度、稳定性和自愈合能力的严苛要求。这不仅需要解决单一性能的短板，更需在保持其绿色属性的基础上，实现导电性、力学性能与多功能特性的协同提升。

图2 近年来生物基聚氨酯在柔性电子设备中的研究进展示意图

1. 反应性组分改性：分子设计的精准调控

反应性改性通过化学手段对生物基聚氨酯（BPU）的分子拓扑结构进行“本征重塑”，核心在于对多元醇及异氰酸酯的精准设计（图3）。在多元醇方面，主要采用环氧开环、酯化及酯交换等反应策略，调控分子链的极性与刚柔平衡（如引入长链赋予柔性或刚性环提升强度），从源头解决生物基材料力学性能不足的问题。在异氰酸酯方面，除了筛选脂肪族或芳香族结构以调节耐候性与模量外，重点利用封端技术对活性基团进行保护与释放控制。这种分子层面的调控优化了软硬段分布与反应动力学，显著拓宽了材料的加工窗口并提升了热稳定性，为高性能器件制造奠定了结构基础。

图3 生物基聚氨酯分子结构中反应性组分改性策略示意图。

2. 非反应性组分改性：功能网络的物理构建

非反应性改性侧重于“功能集成”，即在不改变主链结构的前提下，通过物理复合与界面工程构建功能网络（图4）。为突破BPU绝缘的局限，该策略引入碳纳米管、MXenes等导电填料，构建高效的电子传输与电磁屏蔽网络，赋予材料传感与抗干扰能力。同时，为强化“全生物基”属性，利用纤维素、木质素等天然高分子进行共混，借助氢键作用增强基体强度。此外，结合等离子体处理、UV辐照等表面改性技术，有效活化了惰性表面，解决了生物基材料表面能低、与电子元器件界面结合力差的难题。

图4 生物基聚氨酯非反应性成分修改策略示意图

3. 在柔性电子中的应用：从感知到赋能

改性后的BPU在柔性电子领域实现了从单一基底向功能核心的跨越。在传感领域，它作为高灵敏度电子皮肤的基材，能够精准贴合人体并捕捉微弱生理信号，实现健康监测（图5）。在柔性储能领域，BPU被开发为凝胶电解质或多孔隔膜，凭借优异的离子传导率与热稳定性，提升了柔性电池与超级电容器的安全性（图6）。在电子封装方面，BPU薄膜凭借可调的透气性与阻隔性，替代传统塑料提供防腐、疏水及抗冲击保护，确保了器件在动态变形环境下的长期可靠性（图7）。

图5 生物基聚氨酯在柔性传感领域的应用。(A) 监控睡眠的离子电子皮肤示意图。(B) 离子皮肤结构及电极SEM图。(C) 离子皮肤的有限元力学分析。(D) 离子皮肤综合性能对比。(E) 自修复可降解木质素基传感器示意图。(F) 手指多角度弯曲信号检测。(G) 基于自愈合水性生物基聚氨酯的自动归位手推车示意图。

图6 生物基聚氨酯在柔性储能领域的应用。(A) 生物基聚氨酯柔性超级电容器组装示意图及实物展示。(B) 在不同电压窗口下测量的拉贡图。(C) 在不同扫描速率下获得的CV曲线。(D) 在不同充电/放电电流下记录的代表性GCD曲线。(E) 基于生物基聚氨酯的太阳能电池组装。(F) 静电纺丝制备生物基聚氨酯柔性电池隔膜示意图。(G) 生物基聚氨酯储能隔膜循环性能。

图7 生物基聚氨酯在柔性电子封装领域的应用。(A) 生物基亲水聚氨酯涂层示意图。(B) 植物油松香基柔性电子封装胶示意图。(C) 生物基聚氨酯封装材料紫外吸收谱。(D) 生物基聚氨酯封装膜紫外阻隔。(E) 可调疏水生物基聚氨酯封装膜。(F) 在不同条件下生物基聚氨酯弹性封装材料的自愈合效率。

4. 总结与展望

尽管BPU应用潜力巨大，但实现规模化替代仍需突破成本与稳定性瓶颈。未来研究将聚焦三大方向：一是拓展原料来源，开发微藻或农业废弃物等非粮生物质，降低成本并优化单体纯度；二是实现多功能协同，在单一体系中融合高导电、自修复及生物降解性，而非简单的性能叠加；三是革新绿色制造工艺，推动无溶剂合成与闭环化学回收体系的建立，彻底消除微塑料风险，实现柔性电子器件全生命周期的绿色可持续发展（图8）。

图8 生物基聚氨酯面临的挑战与解决策略

该研究以“Modification Strategies for Bio-Based Polyurethanes in Flexible Electronic Devices: A Review”为题发表于Green Chemistry南京林业大学材料科学与工程学院硕士研究生张子扬为第一作者，韩小帅副教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4GC05443E

摘要：南京林业大学材料科学与工程学院蒋少华教授团队发表综述文章；聚焦“生物基聚氨酯+柔性电子”的前沿交叉领域。文章全面总结了通过精准分子调控与功能填料复合提升材料性能的改性策略，展示了其在电子皮肤、自修复传感器及绿色电子封装等场景下的广阔应用前景，旨在推动柔性电子向“全生命周期绿色化”迈进。

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