兼具自修复、热成型与形状记忆效应的环氧纳米复合Vitrimer：基于二硫键接枝TiO2 纳米颗粒与软相协同设计

为解决传统环氧树脂不可回收、机械性能与自修复能力难以兼顾的问题，研究人员通过表面接枝二硫键的TiO2 纳米颗粒（TiD）与聚乙二醇（PEG）软相协同改性环氧树脂，开发出兼具高断裂韧性（KIC 提升253.4%）、自修复效率（59.6%）及热成型能力（200°C可重塑）的纳米复合材料，为可回收结构件和智能医疗器械提供新策略。

　　

在材料科学领域，环氧树脂因其优异的机械强度和化学稳定性被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。然而，传统环氧树脂存在不可逆交联结构，导致材料损坏后无法修复，废弃后难以回收，这成为制约其可持续发展的关键瓶颈。近年来，科学家们将目光投向了一类被称为"Vitrimer"的新型动态交联聚合物——它们像热固性材料一样稳定，却又能在高温下像热塑性塑料一样重塑。但如何同时实现高强度、高效自修复和可控热成型，仍是悬而未决的挑战。

来自中国的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表的研究中，创新性地将二硫键化学与纳米技术相结合。他们通过在TiO₂
纳米颗粒表面接枝动态二硫键（TiD），并引入聚乙二醇（PEG）软相，成功制备出具有三重功能的环氧纳米复合材料。该材料不仅展现出媲美工程塑料的机械性能（78 MPa拉伸强度），还能像"变形金刚"一样在热刺激下实现形状记忆和损伤自愈，更令人惊喜的是其热稳定性比纯环氧树脂提高了13°C。这项突破为开发下一代可持续高性能复合材料提供了全新思路。

研究团队采用多尺度表征技术：通过场发射扫描电镜（FESEM）观察纳米颗粒分散性，傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证化学结构，热重分析（TGA）评估热稳定性；力学性能测试包括断裂韧性（K_IC
）和临界应变能释放率（G_IC
）；自修复效率通过热压接合实验定量测定。

材料设计与表征
通过两步法将4-氨基苯基二硫化物（4-AFD）接枝到硅烷化TiO₂
表面，FESEM显示功能化后纳米颗粒（TiD）平均粒径从40 nm增至52.39 nm，但团聚现象显著改善。TGA证实TiD的热分解温度比原始TiO₂
提高47°C，FTIR在2550 cm^-1
处检测到特征二硫键振动峰。

力学性能突破
含2 wt% TiD的纳米复合材料展现惊人增强效果：断裂韧性（K_IC
）达4.8 MJ/m²
，较纯环氧提升564.6%；拉伸模量保持3.4 GPa的同时，断裂伸长率提升至11.93%。这种"强而不脆"的特性源于TiD的应力传递作用和PEG诱导的塑性变形能力。

动态功能表现
材料在200°C下表现出优异的热成型性，10 wt%样品自修复效率达59.6%。形状记忆测试显示，弯曲试样在80°C可完全恢复原始形态。值得注意的是，PEG软相使材料在低于传统Vitrimer加工温度（通常>250°C）下即可实现重塑。

热稳定性增强
TGA显示TiD的加入使材料初始分解温度从257°C提升至270°C。研究人员认为这归因于TiO₂
的屏障效应和二硫键的动态重组能力共同抑制了分子链的热降解。

这项研究开创性地将无机纳米颗粒的增强效应与动态共价化学相结合，解决了Vitrimer材料领域长期存在的"强度-可再加工性"权衡难题。特别值得关注的是，该方法仅需2 wt%的功能化纳米颗粒即可实现性能飞跃，相比传统高含量（>20 wt%）二硫键配方更具工业可行性。这种材料在可回收飞机部件、智能骨科植入物等领域的应用前景令人期待。正如作者Swatantra Kumar在讨论部分强调的："我们首次证明TiO₂
纳米颗粒不仅能作为增强体，更能成为动态共价网络的'分子开关'，这为设计第四代智能复合材料提供了全新范式。"