可替代塑料的新材料有哪些优越性能?

塑料为我们提供了一种重量轻、强度高且便宜的材料,但是它也导致了严重的环境问题。一个塑料袋可被海浪,阳光和海洋动物分解,变成175万个微塑料碎片。这些微塑料最终可能会通过我们吃的鱼或我们喝的水而最终进入我们的体内。

纤维素纳米纤维衍生的块状CNFP结构材料及其表征。(a)体积为320×220×27 mm3的大型CNFP的照片。(b)CNFP强大的3D纳米纤维网络。许多CNF相互缠绕,并通过氢键结合在一起。(c)用铣床生产的CNFP形状不同的零件。(d)与典型的聚合物,金属和陶瓷相比,CNFP的热膨胀与比强度的阿什比图。(e)与典型的聚合物,金属和陶瓷相比,CNFP的热膨胀与比冲击韧性的阿什比图。美国科学发展协会版权所有2020。

研究背景

在地球上大多数植物的长期进化过程中,纤维素基材料已被开发为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可以源自植物或由细菌产生,是地球上最丰富的全绿色资源之一。

CNF是构建宏观高性能材料的理想纳米级构建基块,因为它比凯夫拉尔和钢具有更高的强度(2 GPa)和模量(138 GPa),并且具有更低的热膨胀系数(0.1 ppm K -1))比石英玻璃。

基于这种生物基和可生物降解的建筑材料,可持续和高性能结构材料的构建将极大地促进塑料的替代,并帮助我们避免塑料世界末日。

塑料替代品问世

如今,由中国科学技术大学(USTC)的俞树红教授领导的团队报告了一种高性能可持续结构材料,称为纤维素纳米纤维板(CNFP)(图1a和c),该材料由生物基CNF(图1b),并准备在许多领域替代塑料。

CNFP具有很高的比强度(〜198 MPa /(Mg m -3)),比钢高四倍,比传统塑料和铝合金高四倍。此外,CNFP比铝合金具有更高的比冲击韧性(〜67 kJ m -2 /(Mg m -3)),并且密度仅为铝合金的一半(1.35 g cm -3)。

新材料性能优越

与塑料或其他基于聚合物的材料不同,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-1,接近陶瓷材料,远低于典型的聚合物和金属。

此外,在120°C的烤箱和-196°C的液氮之间进行10次快速热冲击后,CNFP保持其强度。这些结果表明其出色的热尺寸稳定性,这使得CNFP在极端温度以及交替的冷却和加热条件下具有用作结构材料的巨大潜力。

由于其广泛的原材料和生物辅助合成工艺,CNFP是一种低成本的材料-仅$ 0.5 / kg,低于大多数塑料。由于具有低密度,出色的强度和韧性以及出色的热尺寸稳定性,CNFP的所有这些性能都超过了传统金属,陶瓷和聚合物(图1d和e),使其成为高性能和环保的替代产品工程,

CNFP不仅具有替代塑料的能力,并且使我们免于被淹死,还具有作为下一代可持续轻质结构材料的巨大潜力。

文章来源:phys.org

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