《科學.進展》：俞書宏院士重大研究成果，有望代替塑料

2020-05-15 e測試

塑料給了我們一種輕質、堅固、價廉的材料來使用，但它也引發了塑料災難。許多未經回收的塑料廢料最終流入海洋，這是地球的最後一個水槽。一個塑膠袋可被海浪、陽光和海洋動物分解，就可以變成175萬個微塑料碎片。這些微型塑料最終可能會通過我們吃的魚或喝的水進入我們的身體。

《科學.進展》：俞書宏院士重大研究成果，有望代替塑料

在地球上大多數植物的長期進化過程中，纖維素基材料已經發展成為它們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，具有優異的力學和熱性能。CNF是地球上最豐富的綠色資源之一，可以從植物中提取，也可以由細菌產生。CNF比Kevlar（凱芙拉）和鋼具有更高的強度（2 GPa）和模量（138 GPa），比矽玻璃具有更低的熱膨脹係數（0.1ppm K-1），是構建宏觀高性能材料的理想納米結構塊。基於這種生物基、可生物降解的建築材料，構建可持續、高性能的結構材料，將極大地促進塑料的替代，有助於我們避免塑料世界災難。

近日，由中國科學技術大學的俞書宏教授課題組報導了一種高性能可持續結構材料，稱為纖維素納米纖維板（CNFP），該材料由生物基CNF，並準備在許多領域替代塑料。相關成果以題為「Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulkstructural materials with low thermal expansion coefficient」於5月1日發表在Science Advances上。

圖1顯示了自下而上方法的示意圖，該方法將多層預處理的CNF水凝膠壓製成高性能CNFP。首先，通過生物合成從葡萄糖中產生具有堅固的三維納米纖維網絡的CNF水凝膠，然後在熱壓之前用不同的聚合物溶液或表面改性處理。

該方法可以通過更大的壓力機設備直接實現大規模的製備。製作了一個體積為320 mm×220 mm×27 mm、重量為2560 g的大型CNFP（圖1H）。此外，CNFP還可以加工成所需的形狀和尺寸，例如，通過銑床可以得到不同形狀的零件，這表明CNFP具有良好的加工性能（圖1I）

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圖1. CNFP的製備與表徵

CNFP具有很高的比強度（〜198MPa /（Mg m-3）），這比鋼的要高四倍，且比傳統塑料和鋁合金也高四倍。此外，CNFP比鋁合金具有更高的比衝擊韌性（〜67 kJm-2/（Mg m-3）），並且密度僅為鋁合金的一半（1.35 g cm-3）。

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圖2. CNFP與典型聚合物、金屬和陶瓷的熱性能和機械性能的比較

與塑料或其他聚合物基材料不同，CNFP具有優異的耐極端溫度和耐熱衝擊的性能。CNFP的熱膨脹係數在-120℃到150℃之間低於5ppm K-1，接近陶瓷材料，遠低於典型的聚合物和金屬。此外，在120℃烘箱和-196℃液氮之間經過10次快速熱衝擊後，CNFP仍然可以保持其強度。這些結果表明，CNFP具有優異的熱尺寸穩定性，使得CNFP在極端溫度和交替冷熱條件下具有巨大的應用潛力。由於CNFP廣泛的原材料，生物輔助合成工藝簡單，成本較低，僅為0.5美元/公斤，低於大多數塑料。CNFP具有低密度、優異的強韌性和良好的熱尺寸穩定性，所有這些性能都超過了傳統的金屬、陶瓷和聚合物，使其成為高性能和環保的工程替代品，特別是在航空航天領域。

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圖3. CNFP極佳的熱力學性能

CNFP不僅具有取代塑料，還可以使我們避免陷入不可回收塑料的深水中去，而且具有作為下一代可持續輕質結構材料具有巨大的潛力。

參考資料：

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

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