科学家研发新型纤维素材料 拉伸强度200MPa且受潮仍具性能

  稚初       

当今社会,白色垃圾对环境和人类健康构成巨大威胁!江河、海洋上漂浮的各式白色垃圾,一些城镇街道、旅游景区也是时常有之。可能会问“明知其有害,为何还用之?”如今各种合成或半合成石化产品组成的塑料被广泛用于包装、管道、家具、汽车等领域,与我们的生活息息相关,但其中大部分塑料是不可生物降解,而低回收率和废物的管理不善加剧了污染。因此,亟需需要用可生物降解、环保和低成本的产品替代塑料。

科学家研发新型纤维素材料 拉伸强度200MPa且受潮仍具性能

作为地球上含量最丰富的生物聚合物,纤维素是一种可生物降解和良好生物相容的可合成具有定制功能材料的模板,在我们的日常生活中也是无处不在。其中,成熟的制浆造纸工程生产的性价比高、可伸缩的传统纤维素纸是最常见的产品,有很大潜力来替代塑料。但是,纤维素纸仍面临以下主要问题:(1)纤维素纸表面天然存在的亲水羟基,使其对水分很敏感而导致其水不稳定性;(2)纤维纸的随机分布和大量的空隙限制了这种材料的力学性能。


基于上述问题,马里兰大学的胡良兵教授(通讯作者)结合他们多年来在木材方面取得的研究成果,以及受到天然木材中纤维素和木质素结合强化原理的启发,他们创新性的将木质素整合到纤维素中,开发出了一种坚固而稳定的纤维素材料。通过连续渗透和机械热压处理将木质素作为增强基质掺入纤维素纤维支架中。制备的木质素-纤维素复合材料具有优异的各向同性拉伸强度,达到了200 MPa,显著高于常规纤维素纸(40 MPa)和一些商业石化塑料。此外,该复合材料的湿强度也达到了50 MPa,同时还改善纤维素纸的热稳定性和抗紫外线性能。研究发现木质素-纤维素复合材料具有可生物降解性和生态友好性,是一种很有前途的替代材料,有望替代不可生物降解的塑料。研究成果以题为“Lignin as a Wood-Inspired Binder Enabled Strong, Water Stable, and Biodegradable Paper for Plastic Replacement”发布在期刊Adv. Funct. Mater.上。


要点一、复合材料成分来源和性能测定

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图1a展示了这种木质结构的高性能木质-纤维素材料的合成示意图。制备的木质素-纤维素复合材料不仅具有纤维素纸相似的柔韧性(图1b),而且显著提高了机械强度,远远高于许多石化材料(图1c)。木质素-纤维素的优异力学性能表明它们之间具有良好的界面相容性。此外,木质素的天然疏水性使该复合材料具有良好的水稳定性。其高强度和水稳定性使其成为一种绿色“塑料”(图1d),有助于降低对不可再生的石化资源的依赖性。


图1、a)木质-纤维素复合材料的制造示意图;b)纤维素纸和木质-纤维素复合材料的柔韧性对比;c)木质-纤维素与其他材料相比的拉伸强度;d)木质-纤维素具有优异的水稳定性示意图。


要点二、木质-纤维素复合材料的理化表征和机理探究


图2a-2c展示了纤维素纸向最终的木质-纤维素复合材料的形态变化。SEM图像表明,起始纤维素纸具有松散的堆积结构、大尺寸的纤维和一些孔,并且纤维随着纤维腔的封闭而塌陷(图2d)。纤维素纸的SEM俯视图显示,许多纤维被挤压成一个平面并相互缠绕,形成具有微米级表面粗糙度的纸(图2e)。在复合材料中,木质素和纤维素原纤维紧密缠结并紧密堆积,厚度减少了60%以上,木质-纤维素的密度高达1.64 g cm-3。此外,作者还利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和XRD进行了结构表征。同时,作者还探究利将木质素加入到纤维素中,增强其机械强度的机理。

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图2、a-c)纤维素的形态示意图和热压前后的纤维素/木质素复合材料;d-e)纤维素纸的横截面和表面形貌;f-g)纤维素/木质素混合物的横截面和表面形貌;h-i)致密的木质素-纤维素复合材料的横截面和表面形貌;j)纤维素纸和木质素纤维素的密度;k)纤维素纸和木质素纤维素的FTIR光谱;l)纤维素纸和木质素纤维素的XRD。

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图3、木质素增强纤维素材料的力学性能和机理。a)纤维素纸和木质素纤维素的拉伸试验和断裂外观的数字图像;b-c)纤维素纸和木质素-纤维素断裂的SEM图像;d)纤维素纸和最佳木质素-纤维素复合材料的拉伸强度;e)温度对木质素纤维素机械强度的影响;f)木质素纤维素与石化聚合物的杨氏模量和拉伸强度之间的关系;g-h)木质素纤维素的增强机理示意图。


要点三、探究纤维素纸和木质-纤维素样品的水稳定性


此外,作者对在水中浸渗7 d的纤维素纸和木质-纤维素样品进行稳定性测试,发现纤维素纸会一部分分解成微纤维,而木质-纤维素则保持其形状和刚度而无任何明显形态变化(图4a)。接触角测量发现纤维素纸的初始接触角为80°,比木质素纤维素(60°)高,但由于纤维素的强亲水性会逐渐减小至0(图4b)。吸湿性测试发现纤维素纸的吸水率超过100%,而木质-纤维素的吸水率超过50%(图4c),表明木质素包裹的纤维素对水具有天然抵抗力。此外,木质-纤维素显示出50 MPa的优异湿拉伸强度(图4d)。

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图4、纤维素纸和木质-纤维素的水稳定性测试。a)纤维素纸和木质-纤维素在水中浸入7 d后的稳定性测试;b)纤维素纸和木质-纤维素的接触角-时间曲线;c)纤维素纸和木质-纤维素随时间的吸水曲线;d)水中浸润10 min后,纤维素纸和木质-纤维素的湿拉伸强度。



综上所述,作者开发了一种简便且可扩展的方法,将木质素压入到纤维素中来增强纤维素的机械强度和水稳定性,同时还改善了其热稳定性和抗紫外线性能。同时,木质-纤维素复合材料表现出200 MPa的高各向同性拉伸强度和10.0 GPa的杨氏模量。此外,在潮湿条件下,木质-纤维素复合材料比纤维素纸有更好的稳定性。总之,这种新开发的木质-纤维素复合材料非常适合作为户外防紫外线的聚合物、医药包装的基材,尤其是作为新兴电子产品中的柔性集成电路板基材。


文章来源: 高分子科学前沿

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