當(dāng)前人們的生活離不開塑料制品,但塑料制品的大量使用也帶來了塑料垃圾。如今塑料污染已經(jīng)是人們所面臨的最嚴(yán)峻的環(huán)境問題之一,無論是基于石油化工的塑料生產(chǎn),還是塑料的后處理,它都對(duì)生態(tài)和人類健康構(gòu)成了巨大威脅。因此,迫切需要開發(fā)一種100%環(huán)保的塑料替代品,同時(shí)還需具備優(yōu)異的機(jī)械性能和熱性能來滿足人們的使用需求。然而,設(shè)計(jì)和制造一種符合要求的可持續(xù)高性能結(jié)構(gòu)材料一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

完爆塑料!俞書宏院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出高強(qiáng)度、高韌性、高剛度全天然仿生結(jié)構(gòu)材料,能抗住250℃高溫!

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士等人報(bào)道了一種高強(qiáng)度(281 MPa)、高韌性(11.5?MPa/m2)、高剛度(20 GPa)、低熱膨脹系數(shù)(7×10-6/K)和良好熱穩(wěn)定性的全天然結(jié)構(gòu)材料,密度僅為?1.7 g cm-3,有望作為塑料替代品。受珍珠殼層的多尺度體系結(jié)構(gòu)的啟發(fā),作者提出了一種簡單有效的策略,用純天然原料纖維素納米纖維(CNF)和TiO2包覆云母片(TiO2云母)制備成機(jī)械性能和熱性能優(yōu)于塑料的可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料,并且具有可批量生產(chǎn)、可加工性和可調(diào)色性等特性可以用于制造一系列高級(jí)、美觀和耐用的結(jié)構(gòu)材料來代替塑料。該研究以題為“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。

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【仿生珍珠殼層的微結(jié)構(gòu)】

受珍珠殼層微結(jié)構(gòu)的啟發(fā),作者在全天然材料的基礎(chǔ)上(纖維素納米纖維和云母片),在多尺度體系下采用了分層有序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖1a顯示了作者用于制備全天然仿生結(jié)構(gòu)材料的有效定向組裝方法的示意圖。二維TiO2云母通過(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)進(jìn)行預(yù)處理,促進(jìn)TiO2云母和納米纖維之間的界面相互作用。兩者充分混合并通過Ca2+交聯(lián)形成水凝膠,然后可通過定向組裝法將其直接壓入結(jié)構(gòu)材料中。在定向組裝過程中,可以實(shí)現(xiàn)二維TiO2云母的定向取向和一維纖維素納米纖維的均勻分布,從而形成高度有序的實(shí)體結(jié)構(gòu)(圖1b-e)。這種簡單、低成本、大規(guī)模的定向組裝方法可用于直接構(gòu)造具有高度有序?qū)嶓w結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。

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圖1全天然生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)材料的制造和表征

【優(yōu)異的機(jī)械和熱性能】

云母的定向排列形成了高度有序的實(shí)體結(jié)構(gòu),使得該材料顯示出281 MPa的高強(qiáng)度和20 GPa的高剛度。而纖維素納米纖維和TiO2-云母緊密結(jié)合在一起(圖2a),可以有效緩解局部高應(yīng)力(圖3c–e),賦予了材料更強(qiáng)的韌性。此外,該結(jié)構(gòu)材料在-130至150℃的溫度范圍內(nèi)幾乎沒有形變(圖3a),其熱膨脹系數(shù)在室溫比塑料低了10倍以上(圖3b)。由于良好的熱穩(wěn)定性和較低的熱膨脹系數(shù),該結(jié)構(gòu)材料的儲(chǔ)能模量為20GPa,在25-200℃的寬泛的溫度變化下幾乎保持不變(圖3c)。直觀的說,所有典型的塑料在250°C時(shí)就已經(jīng)完全軟化(圖3e,f),相比之下,全天然結(jié)構(gòu)材料沒有發(fā)生任何變化。如此優(yōu)異的機(jī)械和熱性能表明,作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料,該全天然生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料比塑料更安全、更可靠,從而使其在可變溫度下能夠替代塑料,從而成為可持續(xù)、輕便、高性能的結(jié)構(gòu)材料。

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圖2實(shí)體結(jié)構(gòu)及其增韌機(jī)制

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圖3全天然結(jié)構(gòu)材料與常規(guī)塑料的熱性能比較

【塑料將被取代?】

該結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度模量分別比大多數(shù)塑料高出兩倍五倍(圖4a),可作為塑料的替代品提供足夠的機(jī)械性能保證。其熱膨脹系數(shù)和熱擴(kuò)散均比塑料好得多(圖4b),在高溫下不會(huì)軟化,這使得這種全天然生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料在高溫或可變溫度下非常安全可靠。此外,制備該結(jié)構(gòu)材料的工藝方法成本低、規(guī)模大,可實(shí)現(xiàn)全天然生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料的批量生產(chǎn)(圖4c)。而且根據(jù)不同的市售原材料(例如不同的云母),作者可以制備出各種顏色可調(diào)的全天然結(jié)構(gòu)材料(圖4d)。該結(jié)構(gòu)材料還具有良好的加工性,可以加工成所需的形狀和尺寸(圖4e),顯示出在實(shí)際應(yīng)用中代替塑料的巨大潛力。

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圖4全天然生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)勢與前景

總結(jié):作者通過高度有序的實(shí)體結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì),制備出了全天然的結(jié)構(gòu)材料,其機(jī)械和熱性能優(yōu)于當(dāng)前的塑料制品。這種可持續(xù)的高性能結(jié)構(gòu)材料還能進(jìn)行批量生產(chǎn),從而使其成為塑料的有力競爭者。作者預(yù)計(jì)該全天然生物啟發(fā)的高性能結(jié)構(gòu)材料可以在塑料替代中發(fā)揮關(guān)鍵作用。由此可見,塑料時(shí)代的終結(jié)真的會(huì)到來嗎?

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19174-1

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