本文发表于 ACS Macro Letters，于 2026 年 4 月 7 日在线发表，研究工作由江南大学化学与材料工程学院合成与生物胶体教育部重点实验室完成。通讯作者为 Xuhui Zhang（张旭辉）与 Weifu Dong（东为富），第一作者为 Bohan Lv（吕博涵），其他作者包括 Zhikang Zheng、Guanglong Li、Jing Huang、Ting Li、Yang Wang、Shibo Wang 等。
本研究属于生物基高分子材料与纤维素结构材料领域。石油基结构塑料在工业与日常生活中不可或缺，但其环境问题日益严重。纤维素作为地球上最丰富的生物聚合物，具有可再生、可生物降解等优点，被认为是替代石油基结构材料的理想候选者。然而，纤维素塑料在作为结构材料应用时长期面临一个经典矛盾：再生纤维素、纤维素纳米纸和仿生“砖−砂浆”复合材料虽然具有高拉伸强度和高耐热性，但韧性低；而通过化学接枝或引入增塑剂提高韧性又往往以牺牲强度和耐热性为代价。这一矛盾的根本原因在于高分子链段运动能力的需求冲突——高强度和高耐热性要求限制链段运动，而高韧性则要求链段具有良好的运动能力。因此，如何在纤维素材料中同时实现高强度、高韧性和高耐热性，是该领域长期未解决的关键科学问题。
针对上述难题，作者提出了“微相分离与分子取向协同”的设计策略。其核心思想是：分子取向可以通过增强对链段运动的限制来提高拉伸强度和耐热性；而大量小尺寸微相（100−300 nm）作为应力集中点，能够迫使广泛取向的刚性链段发生运动，从而提高韧性。这一“限制链段运动”与“迫使链段运动”的整合机制在以往文献中尚未见报道。基于该策略，作者成功制备出同时具有超强、超韧和耐热性能的纤维素基结构塑料。
在具体实验流程方面，研究首先以羟乙基纤维素（hydroxyethyl cellulose, HEC）为基体，利用其丰富的活性羟基与甲基丙烯酰氧乙基异氰酸酯（MOI）通过异氰酸酯−羟基反应接枝丙烯酸酯基团。随后，利用季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)（PETMP）通过硫杂−迈克尔加成反应进行交联，得到交联羟乙基纤维素（C-HEC）。该过程采用热塑性加工方式，以二甲基亚砜（DMSO）作为 HEC 的增塑剂以及 MOI 和 PETMP 的溶剂。为保持高生物质含量，MOI 用量仅为 HEC 中羟基摩尔数的 4%，PETMP 用量为 1%。DMSO 分别以 HEC 质量的 100%、200% 和 300% 添加，以调控共混物黏度和 HEC 链段运动能力。随后，将含 DMSO 的 C-HEC 浸入水中，通过溶剂交换诱导相分离（solvent-exchange-induced phase separation, SEIPS）形成大量 100−300 nm 的微相；在此过程中 DMSO 被浸出，相邻的疏水性交联点聚集形成微相。接着，将水合微相分离的 HEC（MPS-HEC）在 25 °C、80% 相对湿度下平衡 12 小时（水含量为 42.2 ± 0.6%），使其具备良好可拉伸性；然后分别预拉伸 20% 和 40%，并在张力下干燥以保持分子取向，得到取向微相分离的纤维素塑料（MPS-HEC-ori20% 和 MPS-HEC-ori40%）。
在结构表征方面，原子力显微镜（AFM）的 DMT 模量图显示 MPS-HEC 中存在大量模量较低、尺寸为 100−300 nm 的微相。小角 X 射线散射（SAXS）曲线在约 0.3 nm⁻¹ 处出现弱峰，表明存在纳米畴；通过 Guinier–Porod 模型拟合得到纳米畴的回转半径为 7.97 ± 0.09 nm，对应球形粒子半径约为 10.28 ± 0.11 nm，远小于观测到的微相尺寸，说明微相由纳米畴组装而成。动态力学分析（DMA）显示两个玻璃化转变，分别对应分散微相（70−115 °C 的弱峰）和连续相（约 158.3 °C 的主峰）。扫描电子显微镜（SEM）证实了微相尺寸在预拉伸后明显减小：MPS-HEC 的平均微相尺寸为 152.6 ± 38.3 nm，MPS-HEC-ori20% 为 86.6 ± 28.2 nm，MPS-HEC-ori40% 为 98.2 ± 26.4 nm。二维广角 X 射线散射（2D-WAXS）图谱中，取向样品呈现明显的弧形衍射信号，证实了分子取向的存在。取向度（F）从 MPS-HEC 的 0.022 增加到 MPS-HEC-ori40% 的 0.11，Herman 取向参数（P）从 0.011 增加到 0.062。与此同时，玻璃化转变温度（Tg）从 MPS-HEC 的 158.3 °C 提高到 MPS-HEC-ori40% 的 168.9 °C，进一步证明取向结构增强了分子链段运动的限制。
在力学性能方面，未取向的 MPS-HEC 拉伸强度为 79.3 ± 4.1 MPa，断裂伸长率为 45.1 ± 2.8%。经 40% 预拉伸后，MPS-HEC-ori40% 的拉伸强度显著提高到 161.6 ± 9.4 MPa，同时保持 21.7 ± 1.3% 的断裂伸长率。DMSO 含量对最终力学性能有显著影响：以 HEC 质量 300% 的 DMSO 制备的 MPS-HEC-ori40%-DMSO300 拉伸强度达到 204.1 ± 10.8 MPa，断裂伸长率为 20.5 ± 1.4%，韧性高达 27.1 ± 1.6 MJ/m³。一个仅 0.26 g 的样品可承受 9 kg 重物，承载能力超过自身重量的 30000 倍。与文献报道的纤维素塑料相比，该材料在同时实现高拉伸强度和高断裂伸长率方面表现出明显优势；与代表性工程塑料相比，其拉伸强度更高，同时保持具有竞争力的韧性。断裂面的 SEM 观察显示，拉伸断裂后的 MPS-HEC-ori40% 截面出现大量孔洞和基体变形，侧面 SEM 显示沿拉伸方向进一步增强的取向结构，表明大量小尺寸微相作为应力集中点成功迫使广泛刚性链段发生运动，从而在保持高强度的同时实现了较高韧性。
在耐热性与光学性能方面，MPS-HEC-ori40% 在 180 °C 加热 10 分钟后仍能保持良好的形状保持性，而未取向的 MPS-HEC 则发生明显软化和变形。在 180 °C 下，MPS-HEC-ori40% 的储能模量为 23.96 MPa，是 MPS-HEC（5.73 MPa）的 4.2 倍，说明取向显著提高了高温刚性。光学测试显示，0.5 mm 厚的 MPS-HEC-ori40% 在 550 nm 处可见光透过率为 80%，并能完全屏蔽 305 nm 以下的紫外光。厚度从 0.1 mm 增加到 0.8 mm 时，可见光透过率仅略有下降，但 0.1 mm 厚样品不能完全屏蔽 305 nm 以下紫外光，而 0.3 mm 以上厚度则可实现完全屏蔽。这一光学特性源于微相尺寸对光的米氏散射（Mie scattering）和瑞利散射（Rayleigh scattering）的选择性作用。
该研究的主要亮点在于首次将“限制链段运动”与“迫使链段运动”两种机制进行战略耦合。以往纤维素取向体系和相分离体系虽各有报道，但取向体系往往牺牲断裂伸长率，相分离体系则难以同时提高强度。本研究通过设计大量 100−300 nm 的小尺寸微相作为应力集中点，迫使取向刚性链段在拉伸过程中发生广泛运动，同时取向结构限制链段热运动以提高强度和耐热性，成功克服了纤维素材料强度、韧性和耐热性之间的经典权衡。该工作为通过调控链段运动能力设计强韧高分子材料提供了新范式，并有望推动纤维素基结构材料替代石油基工程塑料。