由纤维增强体和高分子基质构成的复合材料被广泛应用于建筑、交通、能源、医疗、体育、航天等领域，全球产能已超1200万吨，但其回收利用率却不足1%。究其原因，一方面是石油基衍生物经化学合成的热固性基质本身不可回收且难以与纤维有效分离，另一方面是常规回收方法（热化学、机械法等）易导致纤维损伤和基质降解等问题。针对上述挑战，利用天然生物质材料制备可回收基质成为一种替代选择，但现有的“聚合物—单体—基质”通用策略需先提取单体再进行高温聚合，存在原生功能流失、工艺条件严苛、助剂添加繁杂等缺陷，与绿色可持续发展理念不甚相符。因此，开发组分少、成型易、能耗低的新策略将有助于进一步促进复合材料的可持续发展，并有望引发生物质资源利用的新范式。
近期，浙江大学杨明英教授和许宗溥副研究员提出“聚合物—大分子—基质”新策略，以废弃蚕丝中提取的再生丝素蛋白（RSF）为单一组分，制备出无需任何添加剂、室温即自发成型、完全可降解回收的基材。同时，以此为基质构筑的碳纤维复合材料实现了优异力学性能与多次闭环回收的集成，从而解决了传统复合材料可持续性差的核心痛点。
相关成果以“A strategy for biomass-derived matrix with facile moulding and closed-loop recycling capabilities”发表在《Nature Communications》上。浙江大学博士研究生何芳为第一作者，该研究得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的资助。
图1研究示意图概述
研究发现，RSF粉末的β-折叠构象比例为26.4%，当溶解于六氟异丙醇（HFIP）后这一比例下降至3.1%，而其无规卷曲/α-螺旋构象的比例则由37.5%提升至84.6%。这种变化源于HFIP的强极性，因为它会进一步解聚丝蛋白中依赖于疏水相互作用的折叠结构，并保持由氢键稳定的螺旋结构。有趣的是，待HFIP在室温下挥发后，成型RSF固体中的构象又转变为以β-折叠为主（37.1%）。上述过程完全基于丝蛋白的自组装实现，无需添加任何催化剂、交联剂、固化剂。HFIP易挥发的性质也使其能够通过简单的冷凝方式被有效回收，从而避免了可能的生物安全性风险。只需简单的溶液浸渍、室温挥发、固化成型工艺，便可制备出形貌均一、结构致密的碳纤维复合材料，这得益于丝蛋白溶液对碳纤维织物的充分渗透以及丝蛋白与碳纤维间形成的良好界面结合。通过调控碳纤维的含量（0到~65%），复合材料的拉伸强度从71.6 MPa提升至1117.4 MPa（15倍），模量从3.6 GPa提升至30.8 GPa （8倍），其力学性能显著优于当前已报道同类材料。该复合材料还表现出优异的环境耐久性：（1）在多种溶剂（如水、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、氯仿、丙酮、四氢呋喃）中浸泡7天后无明显分层现象，其力学强度均能维持在89.4%-100%；（2）经两种标准老化测试即湿热（70 ℃、95% RH、7天，等效于自然环境1年）和紫外（60 ℃、0.89 W/m²、7天，等效于佛罗里达阳光暴晒2个月）处理后，其力学强度依然能维持93.2%和98.4%。
图2碳纤维/丝蛋白复合材料的力学性能及断面形貌
更为重要的突破在于该复合材料实现了低能耗条件下的高效闭环回收。相比于常规策略中通常需要高温或催化剂来解聚基质，本研究利用简单且经济的氯化钙-乙醇-水三元体系便可将丝蛋白基质在室温下溶解，进而分离出碳纤维织物；而溶解后的丝蛋白混合溶液经透析、冻干后便重新获得RSF粉末。经三轮回收后，碳纤维的微观形貌和化学结构均未发生明显变化，拉伸强度能保留94.5%-100%；RSF粉末的回收率分别为96.0%、89.8%和83.8%，RSF基质的拉伸强度能保留86.4%-98.7%；由回收碳纤维和回收RSF溶液也可重复制备复合材料，其拉伸强度能保留84.4%-99.1%。基于丝蛋白本身的生物降解性，我们还提供了酶介导的无损碳纤维回收方式，从而丰富了回收路径。此外，三轮回收的丝蛋白制备成膜后仍可保持优异的生物相容性：体外实验表明成纤维细胞在膜上生长状态良好，且能快速增殖；体内实验表明将膜植入小鼠皮下2周后，其各项血液指标均正常，植入处周围亦无明显炎症细胞浸润。这一实例既彰显了本研究采用的“聚合物—大分子—基质”策略能够保留生物质材料原生功能的优势，又为回收基质的升级利用提供了有益参考。
图3碳纤维/丝蛋白复合材料经三轮回收后各组分的结构与性能对比
作为一种新策略，其普适性也得到了全面验证。一方面，将增强体换作复合材料中常用的芳纶纤维或玻璃纤维后，RSF/HFIP溶液仍能很好地渗透织物并最终得到成型良好的复合材料，且同样可以使用三元体系进行闭环回收。另一方面，将RSF换作其他常见的生物质大分子如大豆分离蛋白或壳聚糖，HFIP也能将其顺利溶解成均匀溶液，并能在室温下随HFIP挥发成型。基于RSF/HFIP溶液体系的优势，已成功制备出较大尺寸 （55×55 cm）以及不同厚度和曲率的碳纤维复合材料成型构件，从而验证了其规模化制造潜力。未来，我们拟继续拓展可用的生物质基材及增强纤维种类，通过进一步优化界面结合及力学表现，开发出一系列高性能、可持续的复合材料，并重点探索其在生物组织工程和航空航天铸造等领域的应用前景。
图4碳纤维/丝蛋白复合材料成型构件及与现有可回收材料的对比
