在全球追求可持续发展的背景下，材料领域的循环经济理念日益受到重视。纤维增强复合材料(FRC)因其出色的力学性能被广泛应用于航空航天、风电叶片等高技术领域，然而传统热固性复合材料存在一个致命缺陷——不可回收性。这类材料通过永久共价交联形成三维网络结构，虽然赋予了材料优异的热机械性能，但同时也导致其无法像热塑性塑料那样通过熔融重塑进行回收。更严峻的是，大多数环氧树脂体系仍依赖于不可再生的化石资源，且常使用具有毒性的双酚A(BPA)作为原料。随着复合材料用量持续增长（2023年全球市场规模达112.5亿美元），其废弃处理问题已成为制约行业可持续发展的瓶颈。
2011年，Leibler团队提出了一种创新解决方案——vitrimer（玻璃体高分子），这类材料结合了热固性材料的稳定性和热塑性材料的可加工性。Vitrimer具有动态共价交联网络，在高温下能够通过键交换反应实现拓扑结构重排，从而使材料具备自修复、可焊接和可回收等特性。在各类动态反应中，酯交换反应(TE)因其可控性强、副反应少而成为研究热点。然而，现有vitrimer体系仍面临挑战：大多采用化石基的DGEBA环氧树脂，且需要添加锌盐或TBD等有毒催化剂，这些催化剂还可能影响材料长期性能。
针对这些挑战，米兰理工大学的研究团队在《European Polymer Journal》上发表了一项创新研究，开发了一种全生物基、无催化剂的环氧vitrimer体系。该研究采用从微藻中提取的间苯三酚三缩水甘油醚(PHTE)作为环氧单体，与源自葡萄糖的戊二酸酐(GAn)反应，成功制备了可用于玻璃纤维增强复合材料(GFRC)的智能基质材料。
研究团队通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)和动态热机械分析(DMA)等技术确认了材料的完全交联。流变学应力松弛实验证明，该vitrimer在120-200°C温度范围内表现出显著的动态特性，松弛时间随温度升高而缩短（120°C时为100分钟，200°C时仅需3.5分钟）。计算得到拓扑冻结温度(Tv)为136°C，应力松弛活化能(Ear)为63.3 kJ/mol，与文献报道的类似体系相当。
研究人员采用真空灌注工艺成功制备了玻璃纤维增强复合材料，纤维含量达30wt%。该复合材料表现出良好的力学性能，拉伸模量为39 GPa。通过一系列实验验证了材料的可回收特性：自修复实验显示，表面划痕在200°C、20 MPa条件下加热3小时后完全消失；焊接实验获得的搭接接头剪切强度高达54.1±2.4 MPa；热成型实验表明树脂样品可实现100%永久形状改变，而复合材料因纤维的弹性回复仅实现81%的形状固定。
在化学回收方面，研究团队采用1,3-丙二醇(PD)为溶剂，TBD为催化剂，在150°C、常压条件下通过糖酵解实现了复合材料的完全分解，回收的玻璃纤维力学性能与原始纤维相当。单纤维拉伸测试显示，回收纤维的拉伸模量(76.52±4.20 GPa)和断裂强度(1584.30±427.11 MPa)与原始纤维无显著差异。
研究还通过材料循环性指标(MCI)对vitrimer复合材料进行了量化评估。考虑生物基原料比例(50wt%)、延长使用寿命(50%)和闭环回收潜力，计算得到MCIV=0.85，远高于传统热固性复合材料的MCIR=0.1。这一结果凸显了生物基vitrimer复合材料在循环经济中的巨大潜力。
该研究的主要技术方法包括：通过流变学应力松弛实验评估vitrimer动态行为；利用真空灌注技术制备玻璃纤维增强复合材料；采用单搭接接头剪切测试评估焊接强度；通过热机械循环实验研究材料热成型性能；使用催化糖酵解法在温和条件下实现复合材料化学回收。
4.1. PHTE/GAn Vitrimer树脂的配方与表征
通过FTIR、DSC和DMA分析证实了PHTE与GAn在1:0.5摩尔比下完全交联，形成均匀的三维网络结构。材料玻璃化转变温度(Tg)为80-90°C，交联密度约6 mmol·cm-3，凝胶含量低于4%，表明成功制备了高性能vitrimer体系。
4.2. 应力松弛实验
应力松弛实验表明材料具有显著的动态特性，松弛时间符合Arrhenius关系。多次循环实验显示松弛时间逐渐延长（从7分钟增至14分钟），表明材料在保持动态性能的同时存在一定的化学疲劳现象。
4.3. Vitrimer复合材料的制备与表征
真空灌注制备的复合材料界面结合良好，纤维分布均匀。材料具备适用于结构应用的力学性能，为后续回收性能研究奠定了基础。
4.4. Vitrimer的再加工与回收
4.4.1. 自修复性与可焊接性
材料展现出完全自修复能力和优异的焊接性能，焊接接头强度高于传统胶接接头，为复合材料连接提供了新方案。
4.4.2. 热成型性
树脂样品表现出理想的热成型性能，而复合材料因纤维增强作用产生部分弹性回复，证明材料在保持功能性的同时具备可再加工性。
4.4.3. 化学可回收性
在温和条件下实现复合材料的化学回收，且回收纤维性能保持完好，为复合材料闭环回收提供了技术路径。
这项研究成功开发了一种全生物基、无催化剂的环氧vitrimer体系，解决了传统热固性复合材料不可回收、依赖化石原料等关键问题。材料展现出的快速应力松弛、自修复、可焊接和可热成型等特性，为复合材料可持续发展提供了创新解决方案。通过材料循环性指标量化评估，证明该vitrimer复合材料较传统体系具有显著更高的循环经济价值。这项工作不仅为高性能可回收复合材料设计提供了新思路，也为评估材料环境效益建立了方法论基础，对推动复合材料行业向循环经济转型具有重要意义。
