目前，天然橡胶（NR）-木质素（NR-L）复合材料的研究长期停留在实验室阶段，难以实现商业化应用。这是因为与传统的炭黑填料相比，木质素的补强效果要差很多，这与橡胶-木质素复杂且弱的界面作用有关。因此，通过分子动力学（MD）模拟从原子尺度（全原子分子动力学模拟，AAMD）到介观尺度（粗粒化分子动力学模拟，CGMD）去探究NR-L材料的多尺度变化过程与界面作用机制，对推动工业木质素在橡胶中的应用具有重要指导意义。然而，由于计算力的限制，通过AAMD模拟NR-L体系在真实环境中的作用机制过于昂贵。因此，急需开发新的MD模拟方法去解决AAMD模拟的局限。

  近期，华南理工大学化学与化工学院刘伟峰和华南理工大学熊勤钢（现工作于武汉工程大学）团队基于Martini 3方法，首次构建了不同紫丁香基/愈创木基（S/G）比例的木质素CGMD模型，然后与NR的CGMD模型耦合为NR-L的CGMD模型（图1）。

  2026年7月13日，该工作以“Coarse-grained molecular dynamics simulation for detailed characterization of interfacial interactions within natural rubber-lignin composites and the effects of key affecting factors”为题发表在《Macromolecules》上。文章第一作者是华南理工大学博士研究生龙华。

图1

  此基础上，利用CGMD模拟探究温度与变形速率在拉伸过程中对不同S/G比例的NR-L界面作用及其关键影响因素。结果表明：温度与体系刚性、杨氏模量以及应力呈负相关，与纠缠密度呈负相关，与纠缠数量以及纠缠长度曲线波动幅度呈正相关，与焓值以及势能也呈负相关，其中温度对成键项相互作用能的归一化敏感性影响最高。变形速率与体系刚性、杨氏模量以及应力呈正相关，与纠缠密度、纠缠数量以及纠缠长度无关，但与势能呈负相关，其中变形速率对NR与木质素间相互作用能的归一化敏感性影响最为显著。S/G比例与体系的刚性、杨氏模量以及应力呈负相关，与纠缠密度以及纠缠数量呈负相关，与纠缠长度呈正相关，与势能呈负相关，其中S/G比例对成键项相互作用能的归一化敏感性影响最为显著。

  这项研究建立的CGMD模型能够有效捕捉NR-L体系在不同应用环境中力学响应、链构象动力学以及体系内部的界面作用机制，为调节NR-L复合材料的力学性能提供了理论指导，以及为生物质-高性能弹性体复合材料的设计提供理论指导。

  该研究得到国家重点研发计划（2023YFD2201902）、国家自然科学基金（22222805, 22038004, 22478133, 22208109, U23A6005）资助。

  近年来，作者团队专注于木质素在高分子材料中的高值化利用研究，在木质素改性橡胶、塑料、聚氨酯、胶黏剂、特种树脂、弹性体等体系，利用木质素本身的天然结构和功能优势，实现了对不同高分子体系的增强增韧高性能化及功能化，为木质素这一大宗工业生物质资源在高分子材料领域的高值利用探索新理论和新方法，相关成果获得了系列授权发明专利，欢迎交流合作，推动应用转化。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.6c00954.