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成果简介

纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers, CNFs）衍生的全天然材料有望取代工程塑料，并受到广泛关注。然而，纳米纤维基结构材料缺乏抗裂纹扩展能力和三维（3D）成型能力，阻碍了其实际应用。

基于此，中国科学技术大学俞书宏院士和管庆方副教授（共同通讯作者）等人报道了通过巧妙的多尺度界面工程策略，成功构建了一种具有多尺度双网络的可持续高性能纤维素基结构材料。在微纳米复合多尺度网络中，表面化学处理的剑麻微纤维（sisal microfibers）暴露了许多带正电荷的CNF，增强了与带负电荷的CNF的界面结合，其中界面强度和活性位点的增加对结构材料断裂过程中的应力消散和抗冲击性能起着关键作用。对比微材料和纳米材料，其韧性提高了近2倍，抗冲击性提高了近5倍。

值得注意的是，多尺度界面工程策略带来了优异的成型性和结构多功能性，使多尺度纤维素基结构材料能够定制成复杂而精致的异形结构。对比石化塑料，这种可持续材料具有独特而优越的机械和热性能，以及固有的环境友好性和可设计性。这些特性使得多尺度纤维素基材料有望成为替代石化基塑料的可持续、可扩展的轻质材料，从而降低材料本身的环境成本。

研究背景

高性能结构材料在航空航天等高端制造领域至关重要，这些材料需要优异的力学性能和轻量化来满足实际需求。工程塑料由于其低密度和优良的力学性能而被广泛的应用，但其不可生物降解。因此，开发集轻量化和高力学性能于一体的可持续结构材料，以降低石化基塑料造成的环境成本，变得越来越重要。天然材料提供了一种很有前途的策略，通过组装它们的多尺度结构和组件而具有优异的韧性和损伤容忍度。因此，模拟生物材料的多尺度结构来构建高性能的生物基结构材料是一种提高其整体力学性能的有效策略。

其中，纤维素是制造高性能结构材料最有潜力的基石之一。纤维素纳米纤维（CNFs）是一种从纤维素中提取的高分子纳米材料，具有显著的内在力学性能。受天然材料多尺度结构的启发，多尺度纤维素薄膜在轻型管理材料、电子器件基材等方面具有优越的性能。然而，目前由多尺度设计策略构建的全纤维素材料在力学性能上仍然存在相当大的缺陷，主要是界面不匹配。因此，微观尺度与纳米尺度不匹配所导致的界面问题，严重制约了结构材料力学性能的提高。

图文导读

设计与制备

天然剑麻成熟叶片经过一系列处理后，由排列整齐、排列紧密的纤维束组成，得到常用的剑麻纤维。经碱预处理和季铵处理得到季铵化剑麻微纤维（Zeta电位为32.5 mV）。经过季铵表面处理后，剑麻微纤维暴露出丰富的纳米纤维，极大增强了微纤维的表面粗糙度，形成带正电的活性表面。纤维的表面改性使两种纤维之间的正负电荷发生显著变化，纳米纤维能够吸附在超细纤维表面，有利于形成高密度结构。将两种构建块充分混合，并添加Ca²⁺以交联CNF的羧基，通过堆叠和热压技术构建有序致密的多尺度纤维素基结构材料。同时，纳米纤维和微纤维之间的物理缠结使其具有优异的综合力学性能，具有更好的抗冲击性能和韧性。

图1. 纤维素基结构材料的制备与性能

图2. 微材料、纳米材料和多尺度材料的结构表征

性能与机理

作者比较了不同超纤维和纳米纤维含量（0%、25%、50%、75%和100%）结构材料的性能。纳米材料（0%）强度高，但其应变较小，发生断裂就无法承受特定载荷，而微材料（100%）强度差，应变性能优异。纳米材料呈现出几乎平行于应力的平坦扩展裂纹路径，表现出脆性断裂。

在微纤维存在下，多尺度材料中的裂纹沿弯曲路径传播。其中，25%超纤维含量的材料表现出与纳米材料相似的力学行为，75%超纤维含量的材料表现出接近微材料的力学行为。添加50%微纤维的材料具有类似纳米材料的高强度和模量，应变大，结合纳米材料和微材料的优点，实现了较好的强度和韧性平衡。当微纤维被拔出或断裂时，大量的纳米纤维从微纤维表面被撕裂，在断裂过程中耗散了大量的能量，使材料具有优异的强度和韧性。

图3. 力学性能和断裂机理

图4. 韧性与多尺度增韧机制

性能比较

对比石化工程塑料，多尺度结构材料提供了优越的力学和热性能，其平均强度是石化工程塑料的近两倍，平均模量是石化工程塑料的近三倍，并且更硬、更耐冲击。同时，多尺度纤维素基结构材料的热膨胀系数要低得多，仅为石化基塑料的九分之一，表明多尺度材料在加热时膨胀较小。典型的塑料在200 ℃下发生了明显的软化和变形，而在相同的条件下其仍然可以保持稳定的形状。此外，纤维素基材料良好的热性能，使其在极端温度下具有更好的可靠性和耐用性。在90%相对湿度下，疏水处理12 h后，多尺度结构材料的抗弯强度变化不大，表明疏水处理是提高多尺度纤维素基材料抗湿性的有效策略。

图5. 多尺度纤维素基结构材料与石化塑料的性能

文献信息

Tough And Moldable Sustainable Cellulose-Based Structural Materials via Multiscale Interface Engineering. Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202306451.

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/11/06/be2ae8947f/

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