成果簡(jiǎn)介

纖維素納米纖維（cellulose nanofibers, CNFs）衍生的全天然材料有望取代工程塑料，并受到廣泛關(guān)注。然而，納米纖維基結(jié)構(gòu)材料缺乏抗裂紋擴(kuò)展能力和三維（3D）成型能力，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

基于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士和管慶方副教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了通過巧妙的多尺度界面工程策略，成功構(gòu)建了一種具有多尺度雙網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)高性能纖維素基結(jié)構(gòu)材料。在微納米復(fù)合多尺度網(wǎng)絡(luò)中，表面化學(xué)處理的劍麻微纖維（sisal microfibers）暴露了許多帶正電荷的CNF，增強(qiáng)了與帶負(fù)電荷的CNF的界面結(jié)合，其中界面強(qiáng)度和活性位點(diǎn)的增加對(duì)結(jié)構(gòu)材料斷裂過程中的應(yīng)力消散和抗沖擊性能起著關(guān)鍵作用。

對(duì)比微材料和納米材料，其韌性提高了近2倍，抗沖擊性提高了近5倍。 值得注意的是，多尺度界面工程策略帶來了優(yōu)異的成型性和結(jié)構(gòu)多功能性，使多尺度纖維素基結(jié)構(gòu)材料能夠定制成復(fù)雜而精致的異形結(jié)構(gòu)。對(duì)比石化塑料，這種可持續(xù)材料具有獨(dú)特而優(yōu)越的機(jī)械和熱性能，以及固有的環(huán)境友好性和可設(shè)計(jì)性。這些特性使得多尺度纖維素基材料有望成為替代石化基塑料的可持續(xù)、可擴(kuò)展的輕質(zhì)材料，從而降低材料本身的環(huán)境成本。

研究背景

高性能結(jié)構(gòu)材料在航空航天等高端制造領(lǐng)域至關(guān)重要，這些材料需要優(yōu)異的力學(xué)性能和輕量化來滿足實(shí)際需求。工程塑料由于其低密度和優(yōu)良的力學(xué)性能而被廣泛的應(yīng)用，但其不可生物降解。因此，開發(fā)集輕量化和高力學(xué)性能于一體的可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料，以降低石化基塑料造成的環(huán)境成本，變得越來越重要。天然材料提供了一種很有前途的策略，通過組裝它們的多尺度結(jié)構(gòu)和組件而具有優(yōu)異的韌性和損傷容忍度。因此，模擬生物材料的多尺度結(jié)構(gòu)來構(gòu)建高性能的生物基結(jié)構(gòu)材料是一種提高其整體力學(xué)性能的有效策略。

其中，纖維素是制造高性能結(jié)構(gòu)材料最有潛力的基石之一。纖維素納米纖維（CNFs）是一種從纖維素中提取的高分子納米材料，具有顯著的內(nèi)在力學(xué)性能。受天然材料多尺度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，多尺度纖維素薄膜在輕型管理材料、電子器件基材等方面具有優(yōu)越的性能。然而，目前由多尺度設(shè)計(jì)策略構(gòu)建的全纖維素材料在力學(xué)性能上仍然存在相當(dāng)大的缺陷，主要是界面不匹配。因此，微觀尺度與納米尺度不匹配所導(dǎo)致的界面問題，嚴(yán)重制約了結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能的提高。

圖文導(dǎo)讀

設(shè)計(jì)與制備

天然劍麻成熟葉片經(jīng)過一系列處理后，由排列整齊、排列緊密的纖維束組成，得到常用的劍麻纖維。經(jīng)堿預(yù)處理和季銨處理得到季銨化劍麻微纖維（Zeta電位為32.5 mV）。經(jīng)過季銨表面處理后，劍麻微纖維暴露出豐富的納米纖維，極大增強(qiáng)了微纖維的表面粗糙度，形成帶正電的活性表面。纖維的表面改性使兩種纖維之間的正負(fù)電荷發(fā)生顯著變化，納米纖維能夠吸附在超細(xì)纖維表面，有利于形成高密度結(jié)構(gòu)。將兩種構(gòu)建塊充分混合，并添加Ca2+以交聯(lián)CNF的羧基，通過堆疊和熱壓技術(shù)構(gòu)建有序致密的多尺度纖維素基結(jié)構(gòu)材料。同時(shí)，納米纖維和微纖維之間的物理纏結(jié)使其具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，具有更好的抗沖擊性能和韌性。

圖1. 纖維素基結(jié)構(gòu)材料的制備與性能

性能與機(jī)理

作者比較了不同超纖維和納米纖維含量（0%、25%、50%、75%和100%）結(jié)構(gòu)材料的性能。納米材料（0%）強(qiáng)度高，但其應(yīng)變較小，發(fā)生斷裂就無法承受特定載荷，而微材料（100%）強(qiáng)度差，應(yīng)變性能優(yōu)異。納米材料呈現(xiàn)出幾乎平行于應(yīng)力的平坦擴(kuò)展裂紋路徑，表現(xiàn)出脆性斷裂。 在微纖維存在下，多尺度材料中的裂紋沿彎曲路徑傳播。其中，25%超纖維含量的材料表現(xiàn)出與納米材料相似的力學(xué)行為，75%超纖維含量的材料表現(xiàn)出接近微材料的力學(xué)行為。添加50%微纖維的材料具有類似納米材料的高強(qiáng)度和模量，應(yīng)變大，結(jié)合納米材料和微材料的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較好的強(qiáng)度和韌性平衡。當(dāng)微纖維被拔出或斷裂時(shí)，大量的納米纖維從微纖維表面被撕裂，在斷裂過程中耗散了大量的能量，使材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。

圖3. 力學(xué)性能和斷裂機(jī)理

性能比較

對(duì)比石化工程塑料，多尺度結(jié)構(gòu)材料提供了優(yōu)越的力學(xué)和熱性能，其平均強(qiáng)度是石化工程塑料的近兩倍，平均模量是石化工程塑料的近三倍，并且更硬、更耐沖擊。同時(shí)，多尺度纖維素基結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)要低得多，僅為石化基塑料的九分之一，表明多尺度材料在加熱時(shí)膨脹較小。典型的塑料在200 ℃下發(fā)生了明顯的軟化和變形，而在相同的條件下其仍然可以保持穩(wěn)定的形狀。此外，纖維素基材料良好的熱性能，使其在極端溫度下具有更好的可靠性和耐用性。在90%相對(duì)濕度下，疏水處理12 h后，多尺度結(jié)構(gòu)材料的抗彎強(qiáng)度變化不大，表明疏水處理是提高多尺度纖維素基材料抗?jié)裥缘挠行Р呗浴?/p>

文獻(xiàn)信息

Tough And Moldable Sustainable Cellulose-Based Structural Materials via Multiscale Interface Engineering. Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202306451.

華算科技是專業(yè)的理論計(jì)算與科研測(cè)試解決方案服務(wù)商，為高校和企業(yè)的科研團(tuán)隊(duì)提供材料、催化、能源、生物等領(lǐng)域的理論計(jì)算和測(cè)試表征解決方案。

華算科技已向國內(nèi)外600多家高校/科研單位提供了超過10000項(xiàng)理論計(jì)算和測(cè)試表征服務(wù)，部分團(tuán)隊(duì)研究成果已發(fā)表在Nature、Nature系列、Science子刊、AM系列、ACS系列、RSC系列、EES等國際頂級(jí)期刊。