基于生物质酸交联环氧化天然橡胶的自修复可回收多孔弹性体及其热管理应用研究

为解决传统橡胶材料不可自修复、难回收及环境负担重等问题，研究人员以环氧化天然橡胶(ENR)为基质、苹果酸(MA)为交联剂，通过环氧基-羧酸开环反应构建动态酯键网络，开发出兼具优异力学性能(拉伸强度12.57 MPa)和高效自修复能力(2小时修复效率74.87%)的绿色材料，并利用超临界氮气(scN2)发泡技术制备密度仅0.18 g/cm3的轻质泡沫，其二次加工后仍保持25%的温降效能，为可持续热防护材料开发提供新策略。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，传统橡胶材料面临两大困境：一方面，通过硫磺硫化等工艺形成的共价交联网络虽然赋予材料高强度，却彻底丧失了自我修复和循环利用的可能；另一方面，每年数百万吨不可降解的橡胶废弃物正加速生态环境恶化。如何让橡胶既保持优异性能又能"自我疗伤"、"浴火重生"，成为材料科学界的重大挑战。

中国热带农业科学院(CATAS)的研究团队独辟蹊径，将目光投向天然橡胶的改性产物——环氧化天然橡胶(ENR)。这种生物基材料本身具有绿色可再生特性，其分子链上的环氧基团就像一个个"化学把手"，能与羧酸发生开环反应。研究人员选用生物质来源的苹果酸(MA)作为交联剂，通过精巧的分子设计，在ENR分子链间搭建起动态β-羟基酯键网络。这种特殊的化学键既保持了足够强度(使材料拉伸强度达12.57 MPa)，又能在热刺激下可逆断裂重组，赋予材料74.87%的自修复效率。更令人称奇的是，团队采用环保的超临界氮气(scN₂)发泡技术，将这种智能材料转化为密度仅0.18 g/cm³的轻质泡沫，其内部丰富的闭孔结构使隔热性能提升25%，且经二次加工后仍保持90%以上的力学性能。相关成果发表在《European Polymer Journal》上，为开发下一代可持续功能材料提供了教科书级的范例。

研究团队运用三大关键技术：动态流变分析精准调控交联密度，通过转矩流变仪监测160°C下ENR50+MA体系的扭矩变化；超临界氮气(scN₂)发泡工艺，在10 MPa/180°C条件下实现泡孔结构的可控构筑；结合红外光谱(FTIR)和核磁共振(¹³C-NMR)追踪环氧基转化率，证实酯键形成机制。

交联特性

通过转子无硫硫化仪分析发现，ENR50+2MA体系在160°C下呈现典型"平台-上升-平衡"三阶段曲线，扭矩最终稳定在8.2 dN·m，证明动态共价网络的成功构建。核磁共振氢谱显示环氧基转化率达92.3%，证实MA的羧基与ENR的环氧基发生定量反应。

力学性能与自修复

含2 phr MA的样品展现最优综合性能：拉伸强度12.57 MPa，断裂伸长率582%。划痕试样在180°C热压2小时后，裂纹基本消失，强度恢复至原始值的74.87%。这种卓越的自愈性源于β-羟基酯键的热致可逆特性。

发泡行为与热管理

scN₂发泡制备的ENR50+2MA泡沫呈现均匀闭孔结构，孔径分布50-200 μm。稳态热台测试显示，2 mm厚泡沫样品表面温度较未发泡样品降低25°C，等效导热系数仅为0.041 W/(m·K)。

这项研究开创性地将生物基原料、动态化学和绿色加工技术融为一体，所开发的ENR基材料完美平衡了力学性能、自修复性、可回收性和热管理功能。特别是通过超临界流体技术实现材料轻量化与功能化协同增效，为航空航天、智能建筑等领域的可持续热防护材料设计提供了全新范式。正如通讯作者Yibing Xie强调的，该工作不仅拓展了天然橡胶的高值化应用路径，更示范了如何通过分子设计将"矛盾"的材料特性转化为协同优势，这对推动高分子材料的绿色革命具有里程碑意义。