这篇文档属于类型a，是一篇关于新型纤维素基聚亚胺动态共价网络材料（cellulose-based polyimine vitrimer, Cel-PI）的原创研究论文。以下是详细的学术报告：

作者及发表信息

本研究由Zhiping Su、Lan Cui等共同完成，通讯作者单位为未明确标注的研究机构（从致谢部分推测可能与中国四川天府峨眉计划相关团队合作）。论文发表于Chemical Engineering Journal（Volume 471, 1 September 2023），标题为《Robust, waterproof, and degradable cellulose-based polyimine vitrimer for plastic replacement》，DOI: 10.1016/j.cej.2023.144501。

学术背景

研究领域：本研究属于高分子材料科学与可持续材料领域，聚焦于开发可降解、可回收的石油基塑料替代品。
研究动机：传统石油基塑料不可降解，导致严重的环境污染。纤维素（cellulose）作为地球上最丰富的可再生生物聚合物，因其可降解性和低成本成为理想替代材料，但纤维素分子链间强氢键（H-bond）作用导致其热塑性加工性能差，难以通过简单热成型工艺制备塑料替代品。
科学问题：如何通过化学修饰打破纤维素的强氢键网络，同时引入动态共价键（dynamic covalent bonds），赋予材料可再加工性、可降解性和高性能。
研究目标：开发一种基于希夫碱反应（Schiff-base reaction）的纤维素基聚亚胺动态网络材料（Cel-PI），兼具高强度、耐水性、热稳定性及闭环回收能力。

研究流程与实验方法

1. 材料合成

• 步骤1：二醛纤维素（DAC）制备
  
  • 研究对象：微晶纤维素（MCC, 2 g）与高碘酸钠（3.17 g）反应，50°C水中氧化10小时，透析后冻干。
    
  • 关键实验：紫外光谱（UV-Vis, 290 nm）测定醛基含量（10.3 mmol/g），证实纤维素链上成功引入醛基（—CHO）。
    
• 步骤2：Cel-PI合成
  
  • 交联反应：DAC与二胺（如1,6-己二胺）在DMSO中室温反应8小时，通过希夫碱反应形成动态亚胺键（—C=N—）。
    
  • 变量控制：对比不同碳链长度二胺（C6/C8/C10）及胺醛摩尔比（0.6:1至1.4:1）对材料性能的影响。
    

2. 材料加工与表征

• 热压成膜：Cel-PI粉末经水浸润（9–11 wt%水分）后，70°C、30 MPa下热压20分钟，形成致密薄膜。
  
• 结构表征：
  
  • FT-IR：1730 cm⁻¹醛基峰消失，1670 cm⁻¹出现亚胺键特征峰。
    
  • XPS/NMR：402 eV氮元素峰（N1s）及160 ppm碳信号（¹³C NMR）证实亚胺键形成。
    
  • XRD：Cel-PI的结晶峰（110/020晶面）消失，表明氢键网络被破坏，材料转为非晶态。
    
• 性能测试：
  
  • 动态力学分析（DMA）：测定储能模量（storage modulus）和玻璃化转变温度（Tg, Cel-PI-C6为192°C）。
    
  • 应力松弛实验：210°C下松弛时间为1246秒，计算亚胺键交换活化能（Ea=84.8 kJ/mol）。
    

3. 功能验证

• 机械性能：Cel-PI-C6薄膜的拉伸强度达46.3 MPa，杨氏模量2.9 GPa，优于多数商用塑料（如HDPE、PP）。
  
• 自修复性：热压15分钟后，受损薄膜的力学性能恢复率超85%。
  
• 耐水性：浸泡15天后Cel-PI薄膜保持完整，而纯纤维素薄膜2天后即崩解；湿态强度保留率85%（Cel-PI-C6）。
  
• 降解与回收：
  
  • 化学降解：5%乙酸溶液20小时或二胺溶液8小时（80°C）可完全降解。
    
  • 生物降解：土壤掩埋3个月后质量损失22%。
    
  • 热压回收：二次回收后杨氏模量保持率100%，但拉伸强度因分子链断裂降至71%。
    

主要结果与逻辑链条

1. 动态网络设计：亚胺键的引入使Cel-PI在加热时发生动态交换（图3c），赋予材料热塑性；同时减少氢键数量（MD模拟显示氢键数从31降至13），提升分子链移动性。
   
2. 性能优化：胺醛比1:1时交联密度最高，机械性能最佳；长碳链二胺（如C10）提升柔韧性但降低强度。
   
3. 环境稳定性：非晶态结构和致密交联网络使Cel-PI具有超低热膨胀系数（0.1 ppm/K）和耐有机溶剂性（浸泡15天无溶胀）。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出了一种通过动态共价化学（DCC）改造纤维素的新策略，解决了纤维素热加工性差的难题。
- 首次将聚亚胺动态网络（polyimine vitrimer）与纤维素结合，实现了高性能与可持续性的统一。

应用价值：
- Cel-PI可作为石油基塑料的替代品，适用于高强、耐候的包装或工程材料。
- 闭环回收和降解特性符合循环经济需求，减少白色污染。

研究亮点

1. 创新方法：无需催化剂或增塑剂，室温下通过希夫碱反应一步合成Cel-PI。
   
2. 性能突破：Cel-PI的强度（46.3 MPa）和热稳定性（Tg=192°C）远超多数生物基塑料（如PLA）。
   
3. 多场景降解：支持化学降解、生物降解和热压回收三种绿色处理途径。
   

其他有价值内容

• 分子动力学模拟：量化了氢键与亚胺键的竞争关系，为材料设计提供理论依据。
  
• 对比分析：Cel-PI的机械性能与环氧树脂相当，但具备环氧树脂缺乏的可回收性（图S13）。
  

（全文约2000字）