这份研究论文由Zhiping Su、Le Yu、Lan Cui、Guowen Zhou、Xiaoqian Zhang、Xueqing Qiu、Chaoji Chen*和Xiaohui Wang*合作完成，发表于ACS Nano期刊，2023年11月3日出版。研究团队来自华南理工大学、武汉大学、四川农业大学和广东工业大学等多所机构。

研究背景
纤维素因其优异的可再生性和可生物降解性被视为替代石化塑料的理想候选材料。然而，纤维素分子链间存在强氢键（H-bond）作用，限制了分子链的流动性，导致其热加工性能差。传统改性方法（如纤维素酯化）虽然能改善加工性能，但往往需要大量环境不友好的增塑剂，且难以兼具高力学性能和环境稳定性。动态共价化学（Dynamic Covalent Chemistry, DCC）的发展为设计可回收、可重塑的高性能生物基材料提供了新思路。本研究通过动态亚胺化学重构纤维素分子间相互作用，开发了一种兼具热可塑性、高机械强度和环境稳定性的纤维素基塑料。

研究方法与技术路线
研究分为四个主要步骤：
1. 氧化改性制备二醛纤维素（DAC）
- 以微晶纤维素（Microcrystalline Cellulose, MCC）为原料，通过高碘酸钠（NaIO₄）氧化断裂纤维素葡萄糖环上的C2-C3键，引入醛基（-CHO），得到不同取代度（DS=0.1、0.2、0.4）的DAC。氧化条件（温度、时间）通过调节反应动力学控制醛基含量。
- 关键实验：采用羟胺盐酸盐滴定法量化醛基含量，证实DS与氧化程度呈正相关（DS=0.1~0.4对应醛基含量1.26~5.18 mmol/g）。X射线衍射（XRD）显示DAC的结晶度显著低于MCC，表明氢键网络被破坏。

1. 动态共价交联反应

   • 将DAC与植物油脂基二胺（Priamine）通过席夫碱反应（Schiff-base reaction）合成动态亚胺交联网络（动态共价键聚合物，DCP）。调整-NH₂/-CHO摩尔比（1:1至1.8:1）以调控交联密度。
     
   • 表征手段：傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了亚胺键（C=N，1670 cm⁻¹）的形成；X射线光电子能谱（XPS）检测到氮元素信号（C-N键结合能~286 eV）；分子动力学（MD）模拟显示动态亚胺键替代了原始氢键，显著提升了分子链流动性。

2. 热压成型与性能调控

   • 纤维素基塑料粉末在70℃、30 MPa下热压成膜（无需增塑剂）。通过调节DAC的DS和交联密度，力学性能可调范围：拉伸强度3.0~33.5 MPa，断裂伸长率2.5%~108%，韧性43~321 kJ m⁻²。
     
   • 动态力学分析（DMA）：玻璃化转变温度（Tg）随DS增加而降低（DS=0.1时Tg=105℃，DS=0.4时Tg=25℃）。应力松弛实验表明，亚胺键的动态交换活化能（Ea）为29.5~41.4 kJ/mol，支撑材料的热重塑性。

3. 性能验证与降解回收

   • 环境稳定性：纤维素基塑料表现出超低水吸收率（<0.4%）、耐酸碱（10% HCl/NaOH浸泡15天无降解）和高温稳定性（热分解温度>400℃）。
     
   • 降解与回收：化学降解实验中，Priamine/DMSO溶液通过亚胺键的转氨反应实现材料完全降解（9小时内）；机械回收后力学性能保留率达76%。土壤埋藏实验显示，10个月内生物降解率超过80%。

主要结果与结论
1. 氢键重构机制：动态亚胺键替代纤维素分子间的刚性氢键网络，既保留高强度（Young’s模量达1320 MPa），又赋予材料热塑性（70℃即可加工）。
2. 性能可设计性：通过改变DS和交联密度，实现了力学性能的梯度调控。例如，当-NH₂/-CHO=1.4:1时，韧性最高（321 kJ m⁻²），归因于动态亚胺键框架与多氢键牺牲网络的协同作用。
3. 环境友好特性：材料在自然环境中可降解，且降解产物可作为填料循环利用，符合可持续发展需求。

科学价值与应用前景
1. 方法论创新：首次通过动态共价化学重构纤维素分子间作用力，解决了传统纤维素材料难以兼顾加工性与性能的难题。
2. 应用潜力：该材料可作为石化塑料的直接替代品，适用于包装、电子器件基底等需高环境稳定性的领域。对比现有商业化纤维素乙酸酯，其在合成能耗、水阻隔性和回收效率上具有显著优势（参见原文表S1）。

研究亮点
1. 温和加工条件：仅需70℃热压成型，远低于传统生物基塑料（如PLA需>180℃）。
2. 仿生结构设计：模仿天然材料的牺牲键能量耗散机制，实现了高韧性。
3. 全生命周期可持续：从原料（纤维素/植物油脂）、加工到降解均符合绿色化学原则。

其他重要发现
1. 自修复性能：划痕薄膜经70℃热压5分钟后力学性能恢复>85%。
2. 热膨胀系数极低（<0.2 ppm K⁻¹），优于常见工程塑料（如HDPE为100~200 ppm K⁻¹），适合精密器件封装。

这项研究为开发高性能生物基塑料提供了新范式，其分子设计策略可扩展至其他生物高分子（如甲壳素、木质素）的功能化改性。