#2026第11届生物基大会暨展览 将于5月20-22日在上海举办。展会将以“11场主题论坛+7大同期活动+1000个新品展示+1场行业评选”为载体，打造上下游交流平台，助力产业全面绿色转型。

为让更多生物基青年学者有机会展示成果，进一步促进产学研转化与合作。展会将同期举办“第5届生物基前沿科技青年科学家论坛”与科技成果展示对接活动，共设置80场报告，欢迎高校和科研院所团队报名分享！

关键词 |生物基材料|中国科学技术大学傅尧教授团队

环氧树脂凭借优异的机械性能和热稳定性，在风电叶片、电子封装、动力电池等新兴能源领域应用广泛。然而，由于其高交联密度的结构特点，传统环氧热固性材料面临“强度-韧性-可回收性”难以兼顾的难题：高交联度虽赋予高强度，却容易导致脆性；加入柔性链段虽能提升韧性，又常以牺牲强度为代价；而实现可回收性，往往降低耐热性和力学性能。如何在同一材料体系中同时实现高强度、高韧性与完全可回收，成为可持续高分子材料领域亟待突破的核心科学挑战。

【生物基科技】获悉，近日，中国科学技术大学傅尧教授团队创新性地提出“反应差异诱导的受限相分离”策略，成功合成了一种高性能生物基环氧Vitrimer（PTA-A4B4）。该材料通过分步固化工艺，构筑了“刚性连续相+化学锚定软畴”的受限相分离结构，实现了63.45 MPa的拉伸强度与3.75 MJ m-3的韧性，并借助双动态共价网络赋予了材料优异的闭环可回收性。

团队进一步利用机器学习辅助结构-活性关系分析，揭示了刚性-柔性分子平衡是决定力学性能的关键描述符。该工作让叶片在风场中拥有“新陈代谢”能力，并为下一代可持续高性能复合材料的分子工程设计提供了全新范式。

相关研究以“Recyclable Bio-Based Epoxy Vitrimer with High Strength-Toughness via Restricted Phase Separation Strategy”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上。

图文解析

研究结合计算与实验，系统阐释了“反应差异诱导受限相分离”策略从分子设计到宏观性能的全链条实现路径。首先通过DFT计算锁定硫醇-环氧与羧基-环氧反应的动力学差异窗口；进而依托分步固化工艺构筑化学锚定的刚性连续相/柔性软畴双连续结构；随后从多尺度表征、动态交换机理到复合材料制造层层递进，完整呈现了这一从反应动力学设计到工程应用验证的精彩探索过程。

团队首先通过DFT计算证实：TBD催化下，硫醇-环氧反应的吉布斯自由能垒（19.9 kcal mol-1）较羧基-环氧反应（23.5 kcal mol-1）低3.6 kcal mol-1，为分步固化提供了热力学依据。PTA通过硫辛酸（TA）熔融开环聚合制备，硫醇/羧基摩尔比固定为1:27.17，PDI稳定在1.72~1.85。分步固化工艺：40 °C预固化15 min（硫醇-环氧优先反应）→80 °C固化4 h（羧基-环氧交联）→160 °C后固化1 h。原位红外实时监测显示：硫醇信号先于羧基信号完全消耗，酯羰基（1745 cm-1）信号逐步增强，证实了反应的可控合成。

为验证受限相分离策，团队采用同配方、一步法固化工艺制备TA-A4B4对照。

拉伸显示：TA-A4B4呈现典型脆性断裂（韧性0.88 MJ m-3），而PTA-A4B4呈现强韧型断裂（韧性3.75 MJ m-3），韧性提升326%。

SAXS/WAXS分析：低q区（0.00633–0.01184 Å-1）：幂律指数p由3.325（TA-A4B4）降至2.653（PTA-A4B4），表明相界面由光滑转向粗糙，相分离程度显著增强。

高q区Guinier分析：回旋半径Rg由28.3 Å降至24.2 Å，证实形成了更致密的受限微区。2D SAXS各向同性散射：硬相畴呈随机取向。

WAXS：q1=14.2 nm-1（d1=0.336 nm）、q2=18.5 nm-1（d2=0.442 nm），PTA-A4B4散射强度显著增强，硬相畴有序度提高。

AFM相图：PTA-A4B4：清晰呈现明-暗交替双连续结构。暗区（低相位角）为刚性环氧硬相，明区（高相位角）为PTA软畴。TA-A4B4：无明显相分离结构，证实一步法固化抑制了相分离。

SEM：拉伸断面沿拉伸方向均匀分布的亚微米级微裂纹，为典型能量耗散特征。液氮脆断面：光滑致密，无缺陷。

DMA：PTA-A4B4呈现双Tg（49.03°C、82.62°C），双玻璃化转变行为是相分离的明确证据。

PTA-A4B4作为典型vitrimer，其拓扑网络重排依赖于二硫键与酯键的协同动态交换，于180°C、20 MPa热压1 h，破碎样条完全恢复初始状态，两次回收循环后力学性能保持率大于95%。通过热膨胀实验（恒定应力10 kPa）和应力松弛实验揭示了热重排机制，Arrhenius拟合计算出活化能Ea = 82.93 kJ mol-1，显著低于多数已报道Vitrimer体系。DFT计算揭示低Ea成因：TBD催化下，S-S键异裂能垒仅6.5 kcal mol-1，形成关键中间体SS-2。随后发生酯交换：呋喃基环氧单体DGFDC引入的叔胺基团与TBD形成双氢键协同活化网络，TBD同时与羰基氧（吸电子）和羟基（供质子）作用，叔胺与另一分子羟基形成额外氢键。其中，分子间酯交换能低于分子内路径。呋喃环稳定效应：电子共轭效应稳定酯基，抑制非选择性酯交换，保障动态交换过程中力学性能不衰减。

PTA-A4B4的双动态网络设计使其具备碱触发完全降解能力，可在1 M NaOH，25°C，10 h内实现完全降解（降解率100%）。降解机制为：（1）OH-亲核进攻酯键羰基碳→四面体氧中间体→酯键断裂，生成羧酸盐与多元醇；（2）碱介导二硫键裂解→生成脱质子化硫醇化合物。再生性能：回收TA再聚合制备PTA-A4B4，拉伸强度为60.74 MPa，保持率大于95%。

复合材料制备：树脂配方：DGFDC : TDF : PTA = 1 : 1 : 3，玻璃纤维毡浸渍15 min →层叠→ 80°C/2 MPa预固化30 min → 160°C/3 MPa完全固化4 h成功制备小型风电叶片模型。工艺模拟方面，通过COMSOL非稳态热传导模型并输入实测导热系数，在100°C下进行模拟固化并以0.5小时为间隔监测，实验实测放热峰为93.80°C，与模拟值的偏差仅3.88%，验证了该工艺的可放大性；耐候性测试表明，经300小时加速老化后材料无开裂、无黄变，DMA显示老化前后储能模量与玻璃化转变温度基本不变，SEM观察则证实纤维-树脂界面结合良好、无脱粘现象。材料表现出优异的抗湿性与抗蠕变性能，平衡吸水率低于0.25 wt%，在35 °C服役温度下蠕变应变仅为0.13%，恢复率高达73.7%。此外，复合材料具备双路径回收能力，热压重塑路径通过破碎后在180 °C、20 MPa条件下热压1小时即可重塑，拉伸强度保持率超过92%，化学降解路径则利用1 M NaOH在25°C下处理10小时使树脂完全溶解，经过滤获得高纯度玻璃纤维，TGA测试显示其热失重低于2%。

总结与展望

本研究通过反应差异诱导的受限相分离策略，成功构建了一种兼具高强度（63.45 MPa）、高韧性（3.75 MJ m-3）与完全可回收性的生物基环氧Vitrimer（PTA-A4B4），其核心创新与科学贡献体现在分子工程策略创新方面，利用硫醇-环氧与羧基-环氧反应动力学差异实现分步固化，驱动热力学不相容体系形成化学锚定的受限相分离结构，即刚性连续相保强度、锚定软畴增韧性，从而破解强度-韧性互斥困局；在AI驱动结构-活性关系解析方面，通过XGBoost模型结合SHAP分析首次将RotatableBondRatio确认为环氧Vitrimer力学性能的关键分子描述符，为高性能生物基热固性树脂的理性设计与高通量筛选开辟新路径；在动态共价化学协同机制方面，二硫键与酯键双动态网络结合叔胺/TBD协同催化，实现了低活化能（82.93 kJ mol-1）拓扑网络重排，赋予材料高效热重塑与闭环化学回收能力，单体回收率达75%、纯度超过95%、再生性能保持率超过95%；

此外，通过应用场景闭环验证，从树脂分子设计、复合材料工艺、风电叶片原型制造到双路径回收，完成了生物基可回收环氧复合材料全生命周期可持续性的完整验证，为下一代绿色风电叶片与新能源装备提供了兼具科学原创性与工程可行性的解决方案。

▌参考信息：本文部分素材来自呋喃基生物新材料。由作者重新编写，系作者个人观点，本平台发布仅为了传达一种不同观点，不代表对该观点赞同或支持。如果有任何问题，请联系我们：15356747796（微信同号）。