《科学》子刊：中科大团队研发出高性能CNFP材料 有望在多个领域取代塑料

塑料制品在为我们带来诸多便利的同时，却对人类和生物的生存环境造成了难以逆转的影响。一个塑料袋可以被海浪、阳光和海洋动物弄碎，并分解成175万个微塑料颗粒碎片。

庆幸的是，在地球上大多数植物的长期进化过程中，纤维素基材料（cellulose-based materials）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是构造宏观高性能材料的理想纳米级构建基块，因为它比凯夫拉纤维（Kevlar）和钢具有更高的强度（2 GPa）和模量（138 GPa），并且比石英玻璃具有更低的热膨胀系数（0.1 ppm K-1）。

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，并帮助我们避免滥用塑料的“世界末日”。

近日，由中国科学技术大学（USTC）的俞树宏院士领导的团队研发出一种稳健可行的策略，可将CNF加工成具有低密度、出色的强度和韧性以及出色的热尺寸稳定性的高性能块状结构材料。相关研究论文近日发表在《科学》子刊Science Advances上，题为“Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient”。

该团队报告了一种高性能、可持续的环保结构材料，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）构建而成，并可能在许多领域替代塑料。这种CNFP具有较高的比强度（〜198 MPa /（Mg m-3）），是钢的4倍，比传统的塑料和铝合金还要高。另外，CNFP比铝合金具有更高的比冲击韧性（〜67 kJ m-2 /（Mg m-3）），密度仅为其一半（1.35 g cm-3）。

图1 CNFP的制作和结构分析

（A）CNF水凝胶可以通过生物合成来生产。 （B）CNF水凝胶及其坚固的三维纳米纤维网络。 （C）在80℃下压制处理过的CNF水凝胶的许多层以制造CNFP。 （D）CNFP的示意图。 （E）CNFP的多层结构。 （F）CNFP中一层的坚固的三维纳米纤维网络。 （G）纤维素分子链通过氢键紧密结合在一起，并在CNF表面暴露出许多–OH基团，形成纤维间氢键。 （H）体积为320毫米×220毫米×27毫米的大型CNFP的照片。 （I）用铣床生产的形状不同的CNFP零件。比例尺：1厘米（I）。

图2 CNFP的结构表征。

（A）插图中标记区域的SEM图像，清楚地显示了每层约20μm的多层结构。插图是CNFP的照片。 （B）CNFP中一层的放大SEM图像，显示了CNF的微观分层结构。 （C）插图中标记区域的SEM图像，显示了坚固的三维纳米纤维网络。许多CNF相互缠绕在一起，并通过强大的氢键结合在一起。插图是CNFP的照片。 （D）断裂的CNFP-0的轮廓显示约20μm层之间的滑动。 （E）许多CNF相互缠绕在一起，并在各层之间合并在一起[（D）中标记区域的放大显微照片]。 （F）CNFP斜切面的SEM图像。在不同的层之间，大量的CNF从该层中拉出并相互缠绕。

与塑料或其他基于聚合物的材料不同，CNFP在极端温度或快速热冲击下还显示出良好的可维修性，并且具有高的能量吸收性能。从-120°C到150°C，CNFP的热膨胀系数低于5 ppm K-1，这接近于陶瓷材料，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仍保持其强度。这些结果显示出其出色的热尺寸稳定性，这使CNFP在极端温度以及交替的冷却和加热条件下具有巨大的潜力，可用作结构材料。

图3 CNFP的极好的耐热和机械性能。

（A）CNFP（平行于层），聚酰胺（PA），铝合金（7075 Al）和Al2O3的热膨胀。 （B）比较不同种类的CNFP的弯曲强度和刚度。 （C）将CNFP-0的热比冲击韧性与其他广泛使用的聚合物基材料进行比较。 （D）在不同温度下CNFP-0的弯曲应力-应变曲线。 （E和F）在（E）30°C和（F）200°C下，CNFP-0与其他广泛使用的聚合物基材料的比较。 （G）10次快速热冲击的示意图。 （H）快速热冲击10次前后CNFP-0的弯曲应力-应变曲线。 PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯； PVC，聚氯乙烯； ABS，丙烯腈丁二烯苯乙烯； PC，聚碳酸酯； PF，酚醛树脂； POM，聚甲醛； PP，聚丙烯。

图4 CNFP与典型的聚合物，金属和陶瓷的热和机械性能比较。

（A）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（1，41-46）。 （B）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（1）。

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，成本仅为0.5美元/千克，低于大多数塑料。

而且由于具有低密度、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要求，特别是对于航空航天应用。

CNFP不仅具有替代塑料的能力，并且使我们免于“淹没”于塑料之中，而且作为下一代可持续的轻质结构材料具有巨大的潜力。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/uosa-ssm042920.php

https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114