...子刊:中科大團隊研發出高性能CNFP材料 有望在多個領域取代塑料

2020-11-30 前瞻網

塑料製品在為我們帶來諸多便利的同時，卻對人類和生物的生存環境造成了難以逆轉的影響。一個塑膠袋可以被海浪、陽光和海洋動物弄碎，並分解成175萬個微塑料顆粒碎片。

慶幸的是，在地球上大多數植物的長期進化過程中，纖維素基材料（cellulose-based materials）已被開發為自己的結構支撐材料。植物中的纖維素主要以纖維素納米纖維（CNF）的形式存在，具有出色的機械和熱學性能。 

CNF可以源自植物或由細菌產生，是地球上最豐富的全綠色資源之一。CNF是構造宏觀高性能材料的理想納米級構建基塊，因為它比凱夫拉縴維（Kevlar）和鋼具有更高的強度（2 GPa）和模量（138 GPa），並且比石英玻璃具有更低的熱膨脹係數（0.1 ppm K-1）。

基於這種生物基和可生物降解的建築材料，可持續和高性能結構材料的構建將極大地促進塑料的替代，並幫助我們避免濫用塑料的「世界末日」。

近日，由中國科學技術大學（USTC）的俞樹宏院士領導的團隊研發出一種穩健可行的策略，可將CNF加工成具有低密度、出色的強度和韌性以及出色的熱尺寸穩定性的高性能塊狀結構材料。相關研究論文近日發表在《科學》子刊Science Advances上，題為「Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient」。

該團隊報告了一種高性能、可持續的環保結構材料，稱為纖維素納米纖維板（CNFP）（圖1a和c）。該材料由生物基CNF（圖1b）構建而成，並可能在許多領域替代塑料。這種CNFP具有較高的比強度（〜198 MPa /（Mg m-3）），是鋼的4倍，比傳統的塑料和鋁合金還要高。另外，CNFP比鋁合金具有更高的比衝擊韌性（〜67 kJ m-2 /（Mg m-3）），密度僅為其一半（1.35 g cm-3）。

圖1 CNFP的製作和結構分析

（A）CNF水凝膠可以通過生物合成來生產。 （B）CNF水凝膠及其堅固的三維納米纖維網絡。 （C）在80℃下壓制處理過的CNF水凝膠的許多層以製造CNFP。 （D）CNFP的示意圖。 （E）CNFP的多層結構。 （F）CNFP中一層的堅固的三維納米纖維網絡。 （G）纖維素分子鏈通過氫鍵緊密結合在一起，並在CNF表面暴露出許多–OH基團，形成纖維間氫鍵。 （H）體積為320毫米×220毫米×27毫米的大型CNFP的照片。 （I）用銑床生產的形狀不同的CNFP零件。比例尺：1釐米（I）。

圖2 CNFP的結構表徵。

（A）插圖中標記區域的SEM圖像，清楚地顯示了每層約20μm的多層結構。插圖是CNFP的照片。 （B）CNFP中一層的放大SEM圖像，顯示了CNF的微觀分層結構。 （C）插圖中標記區域的SEM圖像，顯示了堅固的三維納米纖維網絡。許多CNF相互纏繞在一起，並通過強大的氫鍵結合在一起。插圖是CNFP的照片。 （D）斷裂的CNFP-0的輪廓顯示約20μm層之間的滑動。 （E）許多CNF相互纏繞在一起，並在各層之間合併在一起[（D）中標記區域的放大顯微照片]。 （F）CNFP斜切面的SEM圖像。在不同的層之間，大量的CNF從該層中拉出並相互纏繞。

與塑料或其他基於聚合物的材料不同，CNFP在極端溫度或快速熱衝擊下還顯示出良好的可維修性，並且具有高的能量吸收性能。從-120°C到150°C，CNFP的熱膨脹係數低於5 ppm K-1，這接近於陶瓷材料，遠低於典型的聚合物和金屬。此外，在120°C的烤箱和-196°C的液氮之間進行10次快速熱衝擊後，CNFP仍保持其強度。這些結果顯示出其出色的熱尺寸穩定性，這使CNFP在極端溫度以及交替的冷卻和加熱條件下具有巨大的潛力，可用作結構材料。

圖3 CNFP的極好的耐熱和機械性能。

（A）CNFP（平行於層），聚醯胺（PA），鋁合金（7075 Al）和Al2O3的熱膨脹。 （B）比較不同種類的CNFP的彎曲強度和剛度。 （C）將CNFP-0的熱比衝擊韌性與其他廣泛使用的聚合物基材料進行比較。 （D）在不同溫度下CNFP-0的彎曲應力-應變曲線。 （E和F）在（E）30°C和（F）200°C下，CNFP-0與其他廣泛使用的聚合物基材料的比較。 （G）10次快速熱衝擊的示意圖。 （H）快速熱衝擊10次前後CNFP-0的彎曲應力-應變曲線。 PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯； PVC，聚氯乙烯； ABS，丙烯腈丁二烯苯乙烯； PC，聚碳酸酯； PF，酚醛樹脂； POM，聚甲醛； PP，聚丙烯。

圖4 CNFP與典型的聚合物，金屬和陶瓷的熱和機械性能比較。

（A）與典型的聚合物，金屬和陶瓷相比，CNFP的熱膨脹與比強度的阿什比圖（1，41-46）。 （B）與典型的聚合物，金屬和陶瓷相比，CNFP的熱膨脹與比衝擊韌性的阿什比圖（1）。

由於其廣泛的原材料和生物輔助合成工藝，CNFP是一種低成本的材料，成本僅為0.5美元/千克，低於大多數塑料。

而且由於具有低密度、出色的強度和韌性以及出色的熱尺寸穩定性，CNFP的所有這些性能都超過了傳統金屬、陶瓷和聚合物（圖1d和e），使其成為高性能和環保的替代產品工程要求，特別是對於航空航天應用。

CNFP不僅具有替代塑料的能力，並且使我們免於「淹沒」於塑料之中，而且作為下一代可持續的輕質結構材料具有巨大的潛力。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/uosa-ssm042920.php

https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114

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