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作为塑料替代品的可持续结构材料

来源:中国科技大学

塑料给了我们一种轻质、坚固、价廉的材料来使用,但它也引发了塑料灾害。许多未经回收的塑料废料最终流入海洋,这是地球的最后一个水池。被海浪、阳光和海洋动物分解后,一个塑料袋就可以变成175万个微型塑料碎片。这些微型塑料最终可能会通过我们吃的鱼或喝的水进入我们的身体。

在地球上大多数植物的长期进化过程中,纤维素基材料已经发展成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,具有优异的力学和热性能。CNF是地球上最丰富的绿色资源之一,可以从植物中提取,也可以由细菌产生。CNF比Kevlar和钢具有更高的强度(2gpa)和模量(138gpa),比硅玻璃具有更低的热膨胀系数(0.1ppm K-1),是构建宏观高性能材料的理想纳米结构块。基于这种生物基、可生物降解的建筑材料,构建可持续、高性能的结构材料,将极大地促进塑料的替代,有助于我们避免塑料的灾害。

目前,中国科学技术大学(USTC)的俞书宏教授领导的一个团队报告了一种高性能的可持续结构材料,称为纤维素纳米纤维板(CNFP),它由生物基CNF制成,可以在许多领域替代塑料。CNFP具有较高的比强度(~198mpa/(Mg m-3))——比钢高4倍,比传统的塑料和铝合金高。此外,CNFP比铝合金具有更高的比冲击韧性(~67kj m-2/(mgm-3)),只有其密度(1.35g cm-3)的一半。

与塑料或其他聚合物基材料不同,CNFP具有优异的耐极端温度和抗热震性能。CNFP的热膨胀系数在-120℃到150℃之间低于5ppm K-1,接近陶瓷材料,远低于典型的聚合物和金属。此外,在120°C烘箱和-196°C液氮之间经过10次快速热冲击后,CNFP保持其强度。这些结果表明,CNFP具有优异的热尺寸稳定性,使得CNFP在极端温度和交替冷热条件下具有巨大的应用潜力。由于CNFP原料种类繁多,生物辅助合成工艺简单,成本较低,仅为0.5美元/公斤,低于大多数塑料。CNFP具有低密度、优异的强韧性和良好的热尺寸稳定性,所有这些性能都超过了传统的金属、陶瓷和聚合物,使其成为高性能和环保的工程替代品,特别是在航空航天领域。

CNFP不仅具有取代塑料的用途,而且作为下一代可持续轻质结构材料具有巨大的潜力。

这项研究发表在《Science Advances》杂志上。

更多信息: "Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient" Science Advances, advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114

期刊信息:Science Advances 

原文网址:https://phys.org/news/2020-05-sustainable-material-plastic-substitute.html

声明:本文由 Cpolymer 编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

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