可逆生物基粘合剂实现闭路循环工程复合材料：基于超分子纳米限域网络的绿色智能突破

针对传统石油基合成树脂粘合剂（如urea-formaldehyde resin）带来的环境负担与回收难题，Jin Lv等提出超分子连接纳米限域网络策略，开发出含36.5-46.3 wt%纤维素纳米相的可逆生物基粘合剂。该材料兼具6.02 MPa超高粘附强度（4 cm2可承载65 kg）和≤10 s热响应解离能力（切换比>600），通过动态二硫键（disulfide bond）实现复合材料闭路循环，生命周期评估显示可避免7.52×102 PAF m3 d/kg的环境负担。该研究发表于《Nature Communications》。

　　

在全球每年消耗1990万吨合成树脂粘合剂的背景下，传统石油基粘合剂带来的环境问题日益严峻——仅2022年就产生超过2.37亿吨难以回收的复合材料废弃物。这些永久性粘合的废弃物不仅堆积成山，更会释放有害物质，威胁生态系统和人类健康。虽然已有研究开发生物基替代品（如Shuai团队的lignin-based adhesives），但高粘附强度与可回收性之间的固有矛盾始终未能解决：强交联网络虽能提升粘接力，却使材料回收时面临"粘得越牢，拆得越难"的困境。

《Nature Communications》最新发表的这项研究突破性地解决了这一难题。研究团队创新性地提出"超分子连接纳米限域网络"策略，以硫醇化纤维素（DCNC-cys）为纳米限域相（占36.5-46.3 wt%），与硫辛酸（LA）/1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU）体系构建动态网络。这种设计巧妙利用了二硫键（disulfide bond）的热响应特性：室温下形成密集交联网络提供超高粘附力（6.02 MPa），加热时则快速解离（响应时间≤10秒），实现粘附强度从6.02 MPa到≈0 MPa的"开关"效应，切换比超过600。

关键技术包括：1）通过高碘酸钠氧化和L-半胱氨酸接枝制备硫醇化纤维素纳米晶（DCNC-cys）；2）LA与DBU的缩合反应构建动态共价网络；3）结合流变学测试（storage modulus G'和loss modulus G"分析）与分子动力学模拟（Material Studio 2018软件COMPASS II力场）研究界面相互作用；4）采用USEtox模型评估生命周期环境影响。

【生物基粘合剂的结构设计】通过将DCNC-cys与LA-DBU体系复合，形成具有多级动态键（氢键、金属配位键、二硫键）的纳米限域网络。拉曼光谱和变温FTIR证实二硫键的动态交换特性，偏振光显微镜显示纳米纤维的均匀分散。分子模拟显示该体系与铁基底的结合能高达1209.31 kcal/mol。

【粘附性能】在金属、塑料、玻璃和木材上的粘附强度分别达6.02、7.70、2.19和4.35 MPa。4 cm²粘接面积可承受65 kg重量，性能超越多数可回收石油基粘合剂。有限元分析显示纳米限域结构使总变形量降低至对照组的21.8%，通过能量离域机制抑制裂纹扩展。

【热响应可逆性】流变测试显示在80°C时复数粘度（η）显著下降，50次循环后仍保持稳定性能。实际应用中，100°C加热5分钟即可完整分离光伏背板（1 m²规模）中的PET/氟塑料多层结构，玻璃基板回收后透光率保持86.7%。

【环境与生物相容性】CCK-8实验显示L929细胞存活率>80%，Live/Dead染色证实极低细胞毒性。USEtox评估表明该策略可避免每千克材料排放带来的7.52×10² PAF m³ d生态影响和2.04×10^-4病例/kg健康风险。

这项研究开创了工程复合材料闭路循环的新范式。通过超分子纳米限域网络的精确调控，首次在单一材料中实现"超强粘附-瞬时解离"的智能切换，解决了传统粘合剂"不可逆粘接-线性废弃"的困境。特别在新能源工程（如光伏背板）、电力设备（Nomex蜂窝绝缘结构）等领域的异质材料回收方面展现出巨大潜力，为可持续发展提供了新材料解决方案。正如研究者所言："从生物质原料替代到高值化回收的全生命周期可持续，这一突破为缓解环境压力提供了创新路径。"