研究成果一：力化学回收策略实现高交联热固性材料的高效回收
近日，西安交通大学王铁军团队的施前在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一项关于高交联热固性树脂材料力化学回收策略的重要研究成果。该研究提出了一种经济环保、无污染的力化学回收方法，成功实现了高交联热固性树脂材料的高效回收，并保持了材料的力学性能和热稳定性。
热固性树脂材料因其优异的力学性能在航空航天、风力发电、印刷电路板等领域得到广泛应用。然而，由于其高度交联的网络结构，传统的回收方法难以有效处理这些材料，导致大量废弃热固性树脂材料被填埋或焚烧，引发严重的环境和资源浪费问题。施前团队提出的力化学回收策略通过力学与化学的协同作用，成功解决了这一难题。
研究团队采用多种金属配合物催化剂，在特定压力、温度和时间条件下，成功回收了含有动态共价键的高交联环氧树脂。实验结果表明，回收后的材料在杨氏模量、极限强度、峰值应变、冲击强度、弯曲模量和强度等力学性能方面与原始材料几乎一致，且热稳定性也得到了保持。此外，研究还揭示了不同催化剂对回收效率的影响，发现催化剂的效率与中心金属的价态密切相关，顺序为：Zr4+ > Mn3+ > Co3+ > Fe3+ > Co2+ > Zn2+ > OTi4+ >Ni2+。
该研究不仅为高交联热固性树脂材料的回收提供了一种新的解决方案，还为未来大规模工业应用奠定了基础。施前表示，这一策略具有广泛的应用前景，未来有望在热固性树脂材料的可持续利用中发挥重要作用。
此项研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。相关成果已发表在《Advanced Functional Materials》，2024年，2404848期，DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202404848 (期刊影响因子IF=18.5、中科院一区TOP期刊、自然指数期刊Nature Index)，并得到了同行的高度评价。
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研究成果二：力学理论与有限元模拟揭示花粉与孢子萌发的独特机制
施前等人通过界面断裂力学理论和非线性有限元模拟（FEM）深入研究了花粉和孢子的萌发机制，相关成果分别发表于《Applied Materials Today》（DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101471）和《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-020-15294-w）。
在《Applied Materials Today》的研究中，团队通过形态学分析和有限元模拟，揭示了基于孢粉素的花粉和孢子在萌发过程中的力学行为差异。研究发现，Camellia花粉在化学处理后外壁（exine）发生显著软化，而Lycopodium孢子的外壁力学性能则保持稳定。通过有限元模拟，团队成功预测了花粉和孢子在膨胀过程中的应力分布和变形机制，特别是Lycopodium孢子在萌发过程中孔径的软化与破裂行为。
在《Nature Communications》的研究中，团队提出了一种将坚硬花粉转化为软质微凝胶的新方法。通过化学处理，花粉的内壁（intine）发生去酯化反应，使其具备环境刺激响应性。研究结合多物理场模型和有限元模拟，揭示了花粉微凝胶膨胀和收缩的力学机制。模拟结果表明，花粉外壁和内壁的力学性能比在0.5到2之间时，花粉微凝胶表现出显著的膨胀行为。
施前表示这两项研究不仅为理解花粉和孢子的萌发机制提供了新的视角，还为设计新型仿生材料奠定了基础。通过力学理论和有限元模拟的结合，研究团队成功揭示了花粉和孢子在萌发过程中的复杂力学行为，为未来开发智能传感器和执行器提供了理论支持。
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研究成果三：3D打印技术的创新突破——从可回收热固性材料到多功能花粉微凝胶
施前等人分别发表于《Materials Horizons》（DOI: 10.1039/c7mh00043j）和《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202106276）的研究论文展示了3D打印在可持续材料和多功能应用方面的创新突破。
在《Materials Horizons》的研究中，施前等人首次提出了一种基于Vitrimer环氧树脂的可回收3D打印策略，其被引430余次。传统热固性树脂材料由于永久交联网络而难以回收，而Vitrimer环氧树脂通过高温下的键交换反应实现了网络的可重构性。研究团队通过调整墨水成分和固化工艺，成功实现了复杂三维结构的打印，并展示了材料的多轮回收再打印。该技术不仅解决了3D打印热固性材料的回收难题，还为绿色制造提供了新思路。
另一项发表在《Advanced Functional Materials》的研究中，施前等人利用天然花粉开发了多功能3D打印材料。通过将花粉颗粒转化为刺激响应性微凝胶，研究团队成功制备了可用于复合水凝胶墨水的功能性增强材料，并开发了适用于自由形式3D打印的支持基质。花粉微凝胶不仅提高了水凝胶支架的力学和生理稳定性，还赋予了材料刺激响应性药物释放功能。此外，花粉微凝胶支持基质在自由形式3D打印中表现出优异的流变性能，适用于多种软材料的打印。
施前表示这两项研究展示了3D打印技术在材料可持续性和多功能性方面的巨大潜力，为未来的绿色制造和生物医学应用提供了新的可能性。
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研究成果四：热固性复合材料的绿色闭环回收再利用技术
施前等人发表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》和《Advanced Functional Materials》上的研究论文，为热固性环氧树脂基碳纤维增强复合材料的回收再利用带来了新的希望。这些研究不仅解决了热固性复合材料难以回收的难题，还为实现材料的闭环回收再制造提供了创新的解决方案。
在第一篇论文中，研究人员开发了一种新的回收方法，通过将环氧复合材料浸入醇类小分子溶剂中并加热，利用小分子参与的酯交换反应，有效打破环氧树脂基体中的高分子长链，实现碳纤维的有效剥离和回收。回收的碳纤维在尺寸和机械性能上与原纤维相同，保留了97%的模量和95%的拉伸强度。这种方法易于实施、无污染且完全可回收的特点，在工业领域具有广泛应用前景。
第二篇论文则提出了一种使用高效有机催化剂和溶剂混合物的回收策略，在常压和温和温度下实现工业级热固性环氧树脂及其复合材料的快速降解。通过良溶剂和醇类小分子溶剂混合策略，可以显著提高工业级环氧树脂的降解速率。这种方法不仅可以回收碳纤维芯材，还可以再利用解聚的环氧低聚物，制备出具有高模量和强度的新环氧树脂材料。
这两项研究为热固性环氧复合材料的回收利用提供了新的思路和技术支持，有望在航空航天、汽车制造、集成电路等领域得到广泛应用，推动复合材料的可持续发展。
