研究背景
环氧树脂是广泛应用于复合材料的关键热固性树脂，但其加工过程中面临一个核心矛盾，即树脂前驱液需要具备足够长的低粘度操作窗口以适应复杂的制造工艺，同时又需在热触发后实现快速交联固化以提升效率。传统潜伏固化体系在延长操作时间的同时，常因交联结构过于致密或缺乏有效的能量耗散机制，导致固化后的材料韧性不足，从而限制其在高性能复合材料中的应用。
前沿科研成果
针对这一技术难题，浙江大学化学工程与生物工程学院郑宁研究员与杨磊博士后、材料科学与工程学院许鹏副研究员提出了一种基于动态共价键与金属配位协同作用的咪唑改性固化剂。研究团队将该固化剂与环氧单体（双酚A二缩水甘油醚）及铜离子共混，其中咪唑一端通过动态咪唑脲键被封端，另一端则与Cu²⁺形成配位结构，构成双端动态封锁体系。在高温固化过程中，配位键与动态共价键协同解离，快速释放活性咪唑，促使环氧树脂高效交联。更重要的是，该协同封锁体系为环氧树脂提供了金属配位键、氢键和微相分离三种潜在的增韧机制，共同提升材料的力学性能（图1）。
图1. 环氧树脂网络设计。(A) 环氧网络形成与动态键解离化学路径；(B) 金属配位键、氢键与微相分离协同增强机制示意图。（图片来源：Sci. China Chem.）
动态咪唑设计实现潜伏固化与快速触发
研究团队在分子设计中，使咪唑衍生物一端通过动态咪唑脲键连接柔性聚氨酯链段，另一端与铜离子形成配位结构。这一双重动态封锁策略使固化剂在常温下保持稳定，树脂前驱液在120 ℃下可维持超低粘度超过60 min，加工窗口达到传统咪唑体系的3倍以上。在热触发条件下，双端封锁同步解离，迅速释放高活性咪唑，驱动环氧树脂快速完成交联固化，实现了从稳定潜伏到快速固化的可控转变（图2）。
图2. 环氧体系潜伏固化性能。(A) EMPU在40-120℃的原位FT-IR谱图；(B) 三种环氧体系的非等温DSC曲线（升温速率5℃/min）；(C) 不同环氧体系固化反应的表观活化能；(D) 环氧前驱液的非等温粘度-温度曲线（升温速率2℃/min）；(E) 120℃下粘度随时间变化；(F) EP-Cu在150℃、170℃和190℃下的凝胶化潜伏期。（图片来源：Sci. China Chem.）
多重能量耗散机制协同提升材料韧性
固化后的环氧网络形成纳米尺度微相分离结构，同时存在动态金属配位键与多重氢键。这些动态相互作用通过可逆断裂与重组有效耗散能量，引发塑性变形，显著提升材料韧性。测试结果显示，该环氧树脂的断裂伸长率提升至20.5%，韧性值达12.4 MJ/m³，较未改性体系分别提升327%与597%，且刚性未明显损失（图3）。
图3. 增韧环氧的增强性能与多尺度表征。(A) 环氧体系的典型拉伸应力-应变曲线；(B) 拉伸性能定量分析；(C) 环氧树脂的弯曲性能；(D) EP-Cu的AFM-IR纳米分布图（1728 cm⁻¹对应C=O）；(E) 断裂形貌对比：EP-IM（脆性）与EP-Cu（韧性）；(F) 动态热力学性能；(G) 环氧树脂的凝胶含量；(H) 与其它潜伏固化剂体系的拉伸强度与韧性对比。（图片来源：Sci. China Chem.）
复合材料界面强化与全尺寸构件演示
该环氧树脂体系在碳纤维复合材料中展现出优异的界面增强效果。得益于延长的操作时间，树脂能够充分浸润纤维束，而动态网络与纤维表面可能形成的相互作用进一步强化了界面结合。复合材料的横向纤维束拉伸强度提升了221%，且破坏模式从界面脱粘转变为基体内聚破坏，标志着界面的显著优化。基于此，团队采用真空辅助树脂灌注工艺成功制造了全尺寸碳纤维复合材料汽车引擎盖，验证了该材料体系在大型复杂结构件制造中的工程应用潜力（图4）。
图4. CF/EP-Cu复合材料的界面增强性能。(A) EP-IM与EP-Cu在碳纤维上的静态接触角；(B) EP-IM与EP-Cu在120℃下的粘度与适用期；(C) 横向纤维束拉伸性能；(D) 复合材料体系的层间剪切强度（跨距10 mm）；(E) 界面断裂形貌的SEM分析；(F) 界面增强机制示意图；(G) 环氧碳纤维复合材料发动机罩实物图（尺寸1.02 m × 0.51 m）。（图片来源：Sci. China Chem.）
本研究成功构建了一种基于动态咪唑脲键与铜离子配位协同作用的双端封锁固化体系。该设计通过动态共价键与配位键的协同解离机制，在保持环氧树脂超长操作时间的同时，实现了快速固化响应。固化后的环氧网络通过金属配位键、氢键和微相分离结构的协同能量耗散机制，将材料韧性提升至12.4 MJ/m³，增幅达597%，且刚性未发生明显衰减。在碳纤维复合材料中，该体系展现出优异的界面增强效果，横向纤维束拉伸强度提升221%，并成功应用于全尺寸汽车引擎盖的制备。这项工作为开发兼具优异加工性、高强度和高韧性的环氧树脂体系提供了新的分子设计策略，在高性能复合材料制造领域具有重要应用价值。
该工作以“Dynamic imidazole-based epoxy networks for integrated latent cure and high toughness”为题发表于Science China Chemistry（DOI：10.1007/s11426-025-3102-5）。论文的第一作者为浙江大学硕士研究生王籽尹，通讯作者为浙江大学郑宁研究员、杨磊博士后和许鹏副研究员。该研究工作获得了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金及化学工程联合国家重点实验室等项目的支持。