完爆塑料!俞书宏院士团队研发出高强度、高韧性、高刚度全天然仿生结构材料,能抗住250℃高温!

当前人们的生活离不开塑料制品,但塑料制品的大量使用也带来了塑料垃圾。如今塑料污染已经是人们所面临的最严峻的环境问题之一,无论是基于石油化工的塑料生产,还是塑料的后处理,它都对生态和人类健康构成了巨大威胁。因此,迫切需要开发一种100%环保的塑料替代品,同时还需具备优异的机械性能和热性能来满足人们的使用需求。然而,设计和制造一种符合要求的可持续高性能结构材料一直是一个巨大的挑战。

完爆塑料!俞书宏院士团队研发出高强度、高韧性、高刚度全天然仿生结构材料,能抗住250℃高温!

中国科学技术大学俞书宏院士等人报道了一种高强度(281 MPa)、高韧性(11.5 MPa/m2)、高刚度(20 GPa)、低热膨胀系数(7×10-6/K)和良好热稳定性的全天然结构材料,密度仅为〜1.7 g cm-3,有望作为塑料替代品受珍珠壳层的多尺度体系结构的启发,作者提出了一种简单有效的策略,用纯天然原料纤维素纳米纤维(CNF)和TiO2包覆云母片(TiO2云母)制备成机械性能和热性能优于塑料的可持续结构材料,并且具有可批量生产、可加工性和可调色性等特性可以用于制造一系列高级、美观和耐用的结构材料来代替塑料。该研究以题为“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”的论文发表在《Nature Communications》上。

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【仿生珍珠壳层的微结构】

受珍珠壳层微结构的启发,作者在全天然材料的基础上(纤维素纳米纤维和云母片),在多尺度体系下采用了分层有序的结构设计。图1a显示了作者用于制备全天然仿生结构材料的有效定向组装方法的示意图。二维TiO2云母通过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)进行预处理,促进TiO2云母和纳米纤维之间的界面相互作用。两者充分混合并通过Ca2+交联形成水凝胶,然后可通过定向组装法将其直接压入结构材料中。在定向组装过程中,可以实现二维TiO2云母的定向取向和一维纤维素纳米纤维的均匀分布,从而形成高度有序的实体结构(图1b-e)。这种简单、低成本、大规模的定向组装方法可用于直接构造具有高度有序实体结构的高性能可持续结构材料

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图1全天然生物启发结构材料的制造和表征

【优异的机械和热性能】

云母的定向排列形成了高度有序的实体结构,使得该材料显示出281 MPa的高强度和20 GPa的高刚度。而纤维素纳米纤维和TiO2-云母紧密结合在一起(图2a),可以有效缓解局部高应力(图3c–e),赋予了材料更强的韧性。此外,该结构材料在-130至150℃的温度范围内几乎没有形变(图3a),其热膨胀系数在室温比塑料低了10倍以上(图3b)。由于良好的热稳定性和较低的热膨胀系数,该结构材料的储能模量为20GPa,在25-200℃的宽泛的温度变化下几乎保持不变(图3c)。直观的说,所有典型的塑料在250°C时就已经完全软化(图3e,f),相比之下,全天然结构材料没有发生任何变化。如此优异的机械和热性能表明,作为一种新兴的结构材料,该全天然生物启发的结构材料比塑料更安全、更可靠,从而使其在可变温度下能够替代塑料,从而成为可持续、轻便、高性能的结构材料。

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图2实体结构及其增韧机制

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图3全天然结构材料与常规塑料的热性能比较

【塑料将被取代?】

该结构材料的强度模量分别比大多数塑料高出两倍五倍(图4a),可作为塑料的替代品提供足够的机械性能保证。其热膨胀系数和热扩散均比塑料好得多(图4b),在高温下不会软化,这使得这种全天然生物启发的结构材料在高温或可变温度下非常安全可靠。此外,制备该结构材料的工艺方法成本低、规模大,可实现全天然生物启发的结构材料的批量生产(图4c)。而且根据不同的市售原材料(例如不同的云母),作者可以制备出各种颜色可调的全天然结构材料(图4d)。该结构材料还具有良好的加工性,可以加工成所需的形状和尺寸(图4e),显示出在实际应用中代替塑料的巨大潜力

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图4全天然生物启发结构材料的优势与前景

总结:作者通过高度有序的实体结构的仿生设计,制备出了全天然的结构材料,其机械和热性能优于当前的塑料制品。这种可持续的高性能结构材料还能进行批量生产,从而使其成为塑料的有力竞争者。作者预计该全天然生物启发的高性能结构材料可以在塑料替代中发挥关键作用。由此可见,塑料时代的终结真的会到来吗?

原文链接:

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

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