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全面取代塑料?中科院院士团队最新研究登上Science子刊

北极蚊子 2020-5-9 16:57

五一假期第一天,继上海、成都和杭州等国内城市之后,北京也开始全面进行强制垃圾分类,正式施行《北京市生活垃圾管理条例》。

塑料作为我们日常生活中最为常见的垃圾,尽管其具有轻便、结实和廉价的特点,是一种被人类广泛使用的人造材料,但其在为人类生活提供便利的同时,也给人类带来了巨大的危害。愈发严重的 “白色污染” 问题,已经成为全人类亟需解决的共同难题。我们需要寻找一种绿色、高性能的塑料替代品。

日前,由中国科学技术大学俞书宏教授领导的团队报告了一种高性能结构材料——纤维素纳米纤维板(Cellulose Nanofiber Plate,CNFP),有望在多个领域取代塑料。相关研究论文已发表在 Science Advances 杂志上。

塑料的不易降解性,导致其废弃物可以长期存在。 塑料自然降解时间长,有的甚至长达 100 年以上,而且往往使用一次就被丢弃,全球每一天都会大量废弃塑料产生,这就导致 “白色污染” 问题愈发严重;此外,许多未经回收的塑料最终会进入海洋,在海浪、阳光和海洋动物的共同作用下,被分解成数百万个微小碎片(即微塑料), 微塑料可能会通过我们日常吃的鱼或者喝的水进入我们的血液和免疫系统,从而危害我们的身体健康

作为一种 “事后” 手段,垃圾分类也仅仅有助于解决塑料的去向问题,并没有从源头上解决根本问题。寻找一种可行的塑料可替代品或许是一种更好的解决方案,这也是全球科研人员一直在努力攻关的方向。

近年来,设计同时具有互斥属性(例如强度和韧性)的高性能结构材料,尤其是基于纳米构件的结构材料,引起了科研人员越来越多的兴趣。当这些纳米构件被 “组装” 成宏观尺度的材料时,许多纳米级性质就可以被扩展到宏观层面。特别是,用可再生和可持续的纳米构件来构建一种高性能、绿色的块状结构材料非常重要。

地球上的大多数植物在长期进化过程中,纤维素基材料已经被用来作为它们自己的结构支撑材料。植物中的纤维素主要以纤维素纳米纤维(CNF)的形式存在,具有出色的机械和热学性能。CNF 可以从植物中提取,也可以由细菌产生,是地球上最丰富的绿色资源之一,它具有低密度、低热膨胀系数、高强度、高刚度、易变形等优良性能,是构建宏观高性能材料的理想纳米级构件,它比凯芙拉(Kevlar)和钢具有更高的强度(2 GPa)和模量(138 GPa),并且与石英玻璃相比,它具有更低的热膨胀系数(0.1 ppm/K)。

尽管人们已经做了各种各样的努力,来将 CNF 的这些纳米级性能扩展到宏观水平,但迄今为止,只有宏观的纤维和薄膜可以通过不同的策略来制备。例如,宏观纤维是从木材 CNF 中获得的,其杨氏模量为 86 GPa,抗拉强度为 1.57 GPa,超过了任何已知的天然或合成生物聚合物。此外,研究人员也设计出了强度高、透明度高、热膨胀系数低的 CNF 薄膜,并将其用于电子器件、柔性显示等领域。然而,在将 CNF 这种材料的纳米级性能扩展到立体块状结构材料方面仍然存在挑战。如果能够构建出一种可持续的高性能立体结构材料,必将推动 CNF 的发展,拓宽其应用领域,为工程设计提供更多的材料选择。

自人类诞生之初,材料就成为社会发展的基础。在各种材料中,金属、陶瓷和聚合物等结构材料使用最广泛。该 CNFP 具有较高的比强度,比钢高 4 倍,比传统塑料及铝合金高。此外,CNFP 的比冲击韧性高于铝合金,密度仅为铝合金的一半。

图|CNFP 的制备过程和结构分析。A. 通过生物合成作用生产 CNF 水凝胶;B. 水凝胶及其三维纳米纤维网络结构;C. 在 80 摄氏度温度下通过压缩多层 CNF 水凝胶制备 CNFP;D. CNFP 样品示意图;E. CNFP 的多层结构;F. CNFP 单层结构的纳米纤维网络;G. CNFP 中纤维素分子链通过氢键紧密结合;H. CNFP 样品;I. 经加工后的零件。(来源:Science Advances )

图|CNFP 与聚合物、金属和陶瓷等多种材料的热膨胀系数和比强度、比冲击韧性对比,CNFP 优于聚合物、金属和陶瓷。A. 热膨胀系数和比强度图;B. 热膨胀系数和比冲击韧性图。(来源:Science Advances )

与塑料或其他聚合物基材料不同,CNFP 具有极好的耐极端温度和热冲击的性能。从 -120°C 到 150°C,CNFP 的热膨胀系数低于 5 ppm/K,这接近于陶瓷材料,远低于典型的聚合物和金属。此外,在 120°C 的受热和 -196°C 的液氮之间连续进行 10 次快速热冲击后,CNFP 仍能保持其强度。结果表明,该材料具有良好的耐热尺寸稳定性,在极端温度和冷热交替的条件下,具有作为结构材料的巨大潜力。

CNFP 不仅具有出色的性能,由于其原材料获取范围广,且采用生物辅助合成工艺,其成本也非常低,每公斤成本仅为 0.5 美元,低于大多数塑料。由于密度低、强度和韧性突出、耐热尺寸稳定性好,CNFP 的所有这些性能都超过了传统的金属、陶瓷和聚合物,使其成为工程需求的高性能和环保替代方案,将在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等应用领域具有广阔的应用前景,尤其适用于航空航天领域

论文指出,CNFP 不仅有能力取代塑料,使我们免于被塑料 “淹没” 的危机,其作为下一代可持续、轻量化的结构材料也具有巨大的潜力。基于这种生物基和可生物降解的材料,可持续和高性能结构材料的构建将极大地加快塑料替代。

也许在未来某一天,“白色污染” 问题将会彻底消失。

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