盡管塑料已經(jīng)為人類社會服役了超過一個世紀的時間,然而無處不在的塑料也成為了“白色污染”的根源,殘留在土壤里的微塑料顆粒甚至可以被小麥與生菜吸收。因而這些塑料制品成為了當今環(huán)保的頭號難題之一。

為了解決上述問題,科學家們已經(jīng)在可降解、可回收的高分子制品上付出了相當大的努力。然而大多數(shù)解決方案都無法生產(chǎn)出同時具有高強度、高韌性并且透明的薄膜,并且沒有實現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)。但是此類材料有望在柔性器件、商品包裝等多個領域替代傳統(tǒng)的塑料制品,因而如何克服傳統(tǒng)可降解材料在高強度和高韌性方面的力學不兼容性,并進一步實現(xiàn)高透明度和大規(guī)模生產(chǎn)就成為了研究的熱點之一。

近日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊在這一領域又做出了突破性成果。通過具有大規(guī)模生產(chǎn)潛力的氣溶膠輔助生物合成方法,20×40 cm2珍珠母仿生結構的納米粘土/細菌纖維素納米復合材料被制備出來。這一材料的拉伸強度達到了482 MPa,韌性達到了17.71 MJ/m3,超過了目前絕大多數(shù)珍珠母仿生材料。此外,高透明性(83.4%在550 nm)高霧度(88.8%在550 nm)、低熱膨脹系數(shù)(~3 ppm/K)超?。▇20 μm)的特性使其在柔性器件及光管理材料領域具有廣闊的應用前景。上述成果以“Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute”為題發(fā)表于《Matter》。

俞書宏院士團隊:超強、超韌、透明的環(huán)保復合材料薄膜!有望解決“白色污染”

1. 制備方法

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圖 1 用于制備復合材料薄膜的氣溶膠輔助生物合成方法

構成復合材料的核心是能大量產(chǎn)生細菌纖維素的Gluconacetobacter xylinus細菌無菌皂石(納米粘土)。首先細菌被接種在培養(yǎng)基上,在28 oC下生長一天后,將無菌皂石和營養(yǎng)液混合,通過氣溶膠噴涂在細菌層表面,并讓其繼續(xù)生長7天。之后將上述水凝膠揭下,并用氫氧化鈉溶液和去離子水清洗,然后100 MPa和120 oC條件下熱壓成型,得到類似于珍珠母的“磚塊-纖維”混合結構。

2. 微納結構及力學、光學性能

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圖 2 復合材料外觀及水凝膠和成型后的微納結構

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圖 3 復合材料光學、力學性能及其增強機理

通過上述方法制備的復合材料具有優(yōu)異的力學和光學性能。相比于純細菌纖維素制備的薄膜,添加了納米粘土的復合材料薄膜的透光性提高了50%(圖3A)。當納米粘土的添加量為27 wt%時,其拉伸強度、斷裂伸長率和韌性分別達到了純細菌纖維素薄膜的1.6、1.7和2.9倍(圖3B-D)。

上述性能提升的首要原因在于納米粘土的添加對細菌纖維素束的“解綁”作用(圖3E、F)。細菌纖維素束的寬度從106 nm下降至26 nm,使得薄膜的缺陷尺寸大大降低,提高了薄膜透光性和強度;同時纖維束的分離還能進一步提高氫鍵密度,增強材料韌性。此外,“磚塊-纖維”結構有助于在滑動過程中在不同組分間形成氫鍵網(wǎng)絡,進一步增強了材料韌性。

3. 在柔性器件中的應用

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圖 4 納米粘土/細菌纖維素復合材料與常見塑料的性能對比和在柔性器件中的應用

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圖 5 納米粘土-細菌纖維素復合材料的土壤降解實驗(2個月)

與柔性器件領域中常見的基底,如PET對比,納米粘土/細菌纖維素復合材料薄膜的力學性能、使用溫度、熱膨脹系數(shù)均具有較大優(yōu)勢(圖4A、B),并且復合材料還具有良好的可降解性(圖5),因而十分適合與導電材料相結合制備瞬態(tài)柔性電子器件(圖4F)。

4. 總結

通過添加納米粘土,細菌纖維素材料在不使用粘合劑的情況下,便同時具有了超強、超韌、透明、低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)異特性。同時,氣溶膠輔助的制備工藝也被證明具有大規(guī)?;a(chǎn)的潛力。如果在未來,我們能進一步縮短細菌纖維素網(wǎng)絡的生長時間,并進一步調(diào)控材料的透明度和霧度,這種由生物自發(fā)“合成”的復合材料將非常有希望作為塑料薄膜的替代品,減少我們身邊的“白色污染”。

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