面向智能包装的绿色材料：阻燃抗菌型室温自修复桃胶动态网络的创制

申报人：王梽轩申报日期：2026-05-12

基本情况

所属批次:

2026年批次

项目名称:

面向智能包装的绿色材料：阻燃抗菌型室温自修复桃胶动态网络的创制学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

本项目针对传统热固性高分子功能单一与难回收的瓶颈，以天然桃胶多糖为可持续基体，通过动态硼酸酯键构建了可室温自修复的三维网络。该材料在损伤后能高效自主修复，极大延长使用寿命；同时依托硼元素促进成炭的阻燃机制，以及桃胶天然多羟基结构赋予的抗菌与抗氧化活性，实现了多功能一体化集成。该全生物基材料环境友好、性能协同，在智能包装、柔性电子护层与生物医用敷料等领域具有广阔应用前景。

负责人曾经参与科研的情况:

项目组成员长期参与生物基高分子材料的制备与性能研究，熟悉桃胶水解、动态网络构建及材料表征方法，具备完成本项目所需的基础实验技能。

指导教师承担科研课题情况:

指导教师长期从事生物质高分子与功能材料研究，主持广西自然科学基金等项目，经费较为充足，能为项目提供有力支持。

指导教师对本项目的支持情况:

全力支持，将提供实验场地、仪器设备及必要的学术指导。

项目级别:

国家级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	王梽轩	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2023	调控把握项目的进展，主要负责材料的制备与撰写结题论文	第一主持人
2	李傲宇	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2023	桃胶多糖基动态硼酸酯网络的性能总结	成员
3	罗紫玲	材料科学与工程学院	高分子材料与工程（创新班）	2023	桃胶多糖基动态硼酸酯网络的制备	成员
4	沈子砚	材料科学与工程学院	高分子材料与工程（创新班）	2024	桃胶多糖基动态硼酸酯网络的制备过程总结	成员
5	郑宇晨	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2023	桃胶多糖基动态硼酸酯网络的性能测试	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	曾艳宁	材料科学与工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

智能高分子材料是当前材料科学的前沿领域，其中自修复材料能自主修复损伤，延长使用寿命，但多数自修复材料需要外界刺激（如加热、光照）且功能单一。同时，材料在使用过程中常面临火灾风险、微生物侵蚀和氧化老化等问题。因此，开发集阻燃、抗菌、抗氧化、可室温自修复于一体的多功能智能材料具有重要应用价值。本项目以可再生、生物相容性好的桃胶多糖为原料，旨在通过构建动态共价交联网络，并集成多功能基元，制备一种新型全生物基动态网络材料。该材料有望应用于高端包装、电子器件防护、生物医用敷料等领域，符合绿色可持续的发展理念。

研究内容:

1. 动态修复网络构建与调控：基于桃胶多糖与硼酸酯动态化学，构建可室温自修复的三维网络，并系统调控交联密度以优化力学性能与修复效率。

2. 多功能一体化集成：依托桃胶的天然多羟基结构与引入的硼元素，在本征上同步实现阻燃、抗菌与抗氧化功能，完成多功能一体化设计。

3. 综合性能与构效关系研究：对材料的修复、阻燃、抗菌、抗氧化等性能进行全面量化表征与综合评价，揭示“化学结构-动态网络-宏观性能”之间的内在规律。

国、内外研究现状和发展动态:

动态共价化学的兴起为高分子材料领域带来了革命性进展。2011年，Leibler等人提出的Vitrimer概念，通过引入键交换反应，使材料在保持共价交联网络稳定性的同时，具备可重加工、自修复等特性，极大拓展了热固性材料的应用前景。此后，基于Diels-Alder反应、二硫键、硼酸酯键、亚胺键等动态化学体系的智能材料被广泛开发。

然而，当前该领域的研究存在两个显著倾向：一是大多数动态网络仍构建于石油基单体之上，如环氧树脂、聚氨酯等，其原料不可再生且降解困难，与绿色可持续发展理念存在矛盾；二是功能集成度不足。尽管已有研究实现了热或光刺激下的自修复，或将单一功能（如导电、形状记忆）与自修复结合，但将室温自修复与阻燃、抗菌、抗氧化等多种实用功能一体化集成于同一材料体系的研究仍鲜有报道，这限制了其在医疗器械、智能包装等复杂场景下的应用。

在生物基自修复材料的探索中，研究者已利用纤维素、壳聚糖、淀粉等天然高分子取得了一定成果。例如，通过纤维素纳米晶与硼砂构建动态水凝胶，或利用壳聚糖链上的氨基形成可逆亚胺键。但这些材料往往面临功能改性手段有限、力学性能与自修复效率难以兼顾等问题。特别是，利用桃胶构建动态网络材料的研究尚处于起步阶段。

桃胶作为一种天然超支化多糖，其价值远未被充分挖掘。与线性多糖相比，桃胶的多支化结构更有利于形成致密且力学性能优异的交联网络。更重要的是，其分子链上富含的羟基、羧基等活性官能团，为同时进行动态交联（如与硼酸化合物形成硼酸酯键、与胺类形成亚胺键）和功能化修饰（如接枝季铵盐抗菌剂、引入植酸阻燃剂）提供了极为便利的化学平台。这种结构优势使得桃胶有望成为实现“动态网络”与“多功能集成”协同设计的理想基体材料。

因此，本项目立足于动态共价化学前沿，以资源丰富的桃胶为可持续原料，旨在填补多功能一体化桃胶基智能材料研究的空白。通过精准的分子设计，将动态特性与阻燃、抗菌、抗氧化性能融于一体，不仅是对生物基材料高性能化的重要探索，也为开发下一代环境友好型智能材料提供了新的思路和方向。

创新点与项目特色:

1. 多功能高度集成，实现性能升级，将室温自修复、阻燃、抗菌、抗氧化四种功能创新性地集成于一种桃胶基材料中，尤其通过动态化学键实现了便捷的室温自修复，极大地拓展了材料的应用潜力。

2. 生物基绿色本质，贯穿全生命周期，以可再生的桃胶为原料，兼具生物降解性，且多功能一体化设计本身符合绿色化学原则，确保了材料从制备到回收的全程环境友好。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

（1）首先，对采摘来的桃胶进行水解获得桃胶多糖，然后再与1,4-苯二硼酸（PBBA）进行固化，通过脱水缩合反应获得桃胶多糖基三维网络，如图1所示。

图1桃胶多糖基动态硼酸酯网络的制备

（2）固化条件优化，取二甲基亚砜完全溶解适量的桃胶多糖和不同摩尔比例（30、40、50、60、70、80、90、100%）的PBBA于烧杯中，待混合均匀后移至离型纸模具中室温放置数小时，然后在烘箱中梯度升温固化12 h（80 oC开始每隔4小时升高20 oC至140 oC），得到桃胶多糖基网络材料。

（3）对本研究制备的桃胶多糖基动态网络材料进行了系统的结构表征与性能评价。首先，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了其化学结构。在性能方面，通过动态热机械分析（DMA）和应力松弛测试揭示了网络优异的热响应性与动态特性；热重分析（TGA）表明材料具有良好的热稳定性。功能评价包括：室温自修复能力（光学显微镜观察划痕修复，力学性能恢复率高）、阻燃性（高极限氧指数，垂直燃烧测试）、抗菌性能（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）以及抗氧化活性（DPPH/ABTS自由基清除率高）。

（4）成功制备出不同网络结构（交联度、骨架刚性）的动态网络。建立网络合成的可控制备方法，最终制备出具有阻燃、室温自修复、抗菌抗氧化的生物基网络材料。并预计申请发明专利或发表论文，提交一份结题报告。

项目研究进度安排:

（六）项目研究进度安排

2025年10月1日-2026年10月1日：项目的前期文献资料的调研和收集。

2026年12月1日-2025年8月30日：开始实验的制备。学生分工如下：

王梽轩：对桃胶进行水解获得PGP，对桃胶基动态硼酸酯网络的固化反应条件进行探索，优化反应条件。

罗紫玲和沈子砚：对所得动态网络材料进行结构分析测试，记录实验步骤和结果。

郑宇晨和李傲宇：对合成的不同的PGP基网络进行性能测试，记录实验和结果。

最后，全体最后项目组成员一起比对交联反应条件对所得网络结构与最终网络性能的影响。

实验完成后，和指导老师探讨实验结果，思考寻找是否有可改进的实验步骤，实验完全结束。

2025年10月1日-2026年10月1日：整理数据，全面整理所得资料，撰写研究报告、专利。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

a)与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

已经成功获得桃胶多糖，初步获得动态网络。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

无

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	10000.00	创新训练	4700.00	5300.00
1. 业务费	7500.00	测试及文献检索	2700.00	4800.00
（1）计算、分析、测试费	4500.00	利用扫描电镜、热重分析、红外分析、原子吸收光谱分析等仪器设备研究材料的结构和物理化学性质	2000.00	2500.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	1000.00	实验文献资料等的收集查找及印刷费	700.00	300.00
（5）论文出版费	2000.00	论文出版版面费	0.00	2000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	2500.00	实验所需原材料及试剂	2000.00	500.00

结束