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中國科學技術(shù)大學
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中國科大研制一種可替代塑料的仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料

2021-04-11 00:00:00
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項目成果/簡介:

項目成果/簡介:

塑料制品給現(xiàn)代生活帶來極大便利的同時,也正造成嚴重的環(huán)境問題。大多數(shù)塑料來自于石油產(chǎn)品,由于其極端的穩(wěn)定性,廢棄后在環(huán)境中長時間也難以降解,最終造成持續(xù)性的環(huán)境污染問題。研發(fā)一系列可持續(xù)的高性能結(jié)構(gòu)材料,以部分替代石油基塑料,是該問題最有希望的解決方案之一。現(xiàn)有的生物基可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料都受到機械性能較差或制造過程的過于繁瑣的限制,這些因素從成本和生產(chǎn)規(guī)模上制約了這類材料的應用。因此,引入先進的仿生結(jié)構(gòu)設計來制造新型的可持續(xù)高性能結(jié)構(gòu)材料將可以極大地提高這類材料的性能,拓寬其應用范圍,加速可持續(xù)材料替代不可降解塑料的進程。近日,中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊將仿生結(jié)構(gòu)設計理念運用于高性能生物基結(jié)構(gòu)材料的研制,發(fā)展了一種被稱為“定向變形組裝”的新型材料制造方法,實現(xiàn)了具有仿生結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)材料的規(guī)模化制備。通過這種定向變形組裝方法,團隊成功地將纖維素納米纖維(CNF)和二氧化鈦包覆的云母片(TiO2-Mica)復合制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。所獲得的結(jié)構(gòu)材料具有比石油基塑料更好的機械和熱性能,有望成為石油基塑料的替代品。該工藝過程宜于放大,產(chǎn)品具有良好的可加工性和豐富多變的色彩和光澤,使其可以作為一種更加美觀和耐用的結(jié)構(gòu)材料有望替代塑料。 該材料具有仿珍珠母的結(jié)構(gòu)設計,這種仿生設計有效地改善了材料的力學性能。珍珠母所具有的磚-泥結(jié)構(gòu),使其可以基于普通的天然物質(zhì)構(gòu)筑高性能的材料,并兼具高強度和高韌性的優(yōu)良特性。研究人員通過多尺度的仿生結(jié)構(gòu)設計和表面化學調(diào)控,成功構(gòu)筑了這種兼具高強韌特點的天然生物基可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。二氧化鈦包覆的云母片作為仿生結(jié)構(gòu)中的磚塊,一方面為結(jié)構(gòu)材料提供了遠高于工程塑料的強度,另一方面,還通過裂紋偏轉(zhuǎn)等仿生結(jié)構(gòu)原理,大幅提高了材料的韌性和抗裂紋擴展性能,為該材料作為一種新興的可持續(xù)材料替代現(xiàn)有的不可降解塑料打下了堅實的基礎。


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