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  纖維素雖是可再生資源，但因其強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)和高結(jié)晶度阻礙其熱加工性能。傳統(tǒng)纖維素通過添加30%致癌的芳香物質(zhì)作為增塑劑來提高其熱加工性能，但會(huì)嚴(yán)重影響纖維素基復(fù)合材料的性能以及可持續(xù)性。近年來，基于纖維素結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵改性實(shí)現(xiàn)了從“氫鍵網(wǎng)絡(luò)到動(dòng)態(tài)共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)”的纖維素生物塑料，但也會(huì)造成纖維素材料的力學(xué)性能下降（強(qiáng)度<20 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率≤3%）。因此，亟需發(fā)展穩(wěn)健有效的纖維素?zé)峒庸げ呗�，�?shí)現(xiàn)高性能纖維素生物塑料的綠色熱成型加工。

  武漢理工大學(xué)董麗杰研究團(tuán)隊(duì)近年來致力于無溶劑納米流體技術(shù)研究，提出了通過長(zhǎng)鏈季銨鹽可控接枝賦予剛性棒狀聚合物的流變可調(diào)特性與優(yōu)異溶解性，并誘導(dǎo)聚合物類流體填料的定向排列(Chem. Eng. J. 2017, 328, 343–352)；有效地提升了填料與聚合物電介質(zhì)材料之間的界面相容性和極化性能(Energy Storage Mater. 2020, 33, 1，Adv. Mater. 2021, 2102392)，改善聚合物電介質(zhì)復(fù)合材料的加工粘度和熔融指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了可連續(xù)化熔融擠出的大尺寸柔性電介質(zhì)復(fù)合薄膜材料（Adv. Funct. Mater. 2023, 2300555）。

圖 1 纖維素復(fù)合生物塑料的設(shè)計(jì)策略與氫鍵調(diào)控機(jī)制

  近期，武漢理工大學(xué)董麗杰教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于無溶劑石墨烯納米流體的氫鍵置換策略（圖1），利用無溶劑石墨烯納米流體（Rt-G）的表面有機(jī)柔性長(zhǎng)鏈體積不匹配和極性，實(shí)現(xiàn)其在高低溫下的流變可調(diào)特性（圖2）；利用Rt-G表面的離子長(zhǎng)鏈烷基軟殼取代乙基纖維素（EC）分子鏈間的氫鍵，實(shí)現(xiàn)纖維素復(fù)合材料的氫鍵可控?cái)嗔雅c重組，制備出可反復(fù)熱成型的纖維素復(fù)合生物塑料，并表現(xiàn)出良好機(jī)械性能和導(dǎo)熱性能。系統(tǒng)地闡述了流變可調(diào)的無溶劑石墨烯納米流體（Rt-G）的合成過程與流變特性，揭示了 Rt-G 的滑動(dòng)和流動(dòng)性機(jī)制。制備的纖維素復(fù)合生物塑料在 150℃和20MPa 下可高效熱加工，經(jīng)多次熱成型和溶劑回收后仍保持優(yōu)異性能。其韌性和導(dǎo)熱性較純 EC 提升約 5 倍，拉伸強(qiáng)度達(dá) 36.8MPa（圖3），為高性能、可持續(xù)的石油基塑料替代品提供了新路徑。該工作以“A Robust Strategy for Thermoformable Cellulosic Composite Bioplastics Via Hydrogen Bonds Substitution”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上（Mater. Horiz., 2025， DOI: 10.1039/D5MH01191D）。文章第一作者是武漢理工大學(xué)博士研究生劉徐越，通訊作者為武漢理工大學(xué)王澤鴻副研究員和董麗杰教授。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

圖 2 流變可調(diào)的無溶劑石墨烯納米流體（Rt-G）的合成流程、結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)勢(shì)及分子結(jié)構(gòu)模型

圖 3：纖維素復(fù)合生物塑料力學(xué)性能增強(qiáng)及機(jī)理

  這項(xiàng)工作通過流變可調(diào)的無溶劑石墨烯納米流體（Rt-G）精準(zhǔn)調(diào)控乙基纖維素（EC）的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，Rt-G 表面的離子長(zhǎng)鏈烷基軟殼與 EC 形成動(dòng)態(tài)氫鍵，替代了 EC 分子鏈間原有強(qiáng)氫鍵，既降低材料熔融溫度以實(shí)現(xiàn)溫和熱加工，又通過氫鍵的可逆斷裂與重組賦予材料重復(fù)熱成型能力。Rt-G 的引入誘導(dǎo) EC 形成有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，減少純 EC 因無序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中；同時(shí)，Rt-G 的軟殼結(jié)構(gòu)有效避免石墨烯團(tuán)聚，促進(jìn)應(yīng)力在材料內(nèi)部高效傳遞，顯著提升了拉伸強(qiáng)度（達(dá) 36.8 MPa，較純 EC 提升 171.2%）和韌性（斷裂伸長(zhǎng)率達(dá) 9.7%，提升 462%）。此外，Rt-G 自身的高導(dǎo)熱性構(gòu)建了連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，降低了界面熱阻，使材料導(dǎo)熱系數(shù)較純 EC 提升 563%；且動(dòng)態(tài)氫鍵作用確保材料在多次熱加工和回收后仍能保留 80% 以上的力學(xué)性能，綜合性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)纖維素材料。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5MH01191D

董麗杰教授簡(jiǎn)介

董麗杰，現(xiàn)任武漢科技大學(xué)副校長(zhǎng)，武漢理工大學(xué)智能材料與器件研究中心副主任、材料科學(xué)與工程學(xué)院二級(jí)教授、湖北省隆中實(shí)驗(yàn)室柔性智能材料與器件實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)高層次人才。主要從事有機(jī)/無機(jī)功能復(fù)合材料、高分子材料加工、柔性智能材料等領(lǐng)域的研究工作。主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等25項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研課題；在Adv. Mater.、J.Am.Chem.Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.等國(guó)際期刊發(fā)表論文220余篇，H因子45；授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利40余項(xiàng)。作為第一完成人獲湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃；擔(dān)任第三批“全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人；獲評(píng)2024年度全國(guó)三八紅旗手。