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新型仿生納米複合纖維材料既強又韌
2019-07-31| 文章来源:科技日报| 【

  科技日报合肥7月30日电 (记者吴长锋)记者从中国科学技术大学获悉,该校俞书宏教授研究团队借鉴天然生物纤维的策略,成功研制了一种既强又韧的宏观尺度纤维素基纳米复合纤维材料。相关成果日前在线发表于《国家科学评论》。

  納米尺度纖維素是地球上儲量最豐富的納米級原材料,其密度低、熱穩定性好、力學性能出色,同時可降解、可再生、可持續,因而受到諸多關注。然而,人工制備的纖維素基宏觀纖維材料的強度和韌性之間的矛盾尚很難解決,低韌性、易脆斷等問題嚴重限制了此類材料在先進織物等領域中的實際應用。

  反觀自然界,許多植物纖維和動物纖維都實現了高強度和高韌性的完美組合。它們具有一些共性:都是天然的納米複合材料,由高度取向的高強度納米纖維單元包裹在較柔軟的有機物基質中構成,並具有高度有序的多級螺旋纏繞結構。

  研究人员以高强度细菌纳米纤维素作为增强基元,以海藻酸钠生物大分子作为有机物基质,将两者的复合水溶液进行溶液纺丝,得到拉伸强度初步提升的单取向结构宏观纳米复合纤维。单纯海藻酸钠宏观纤维的拉伸强度为190 MPa,而所得纳米复合纤维的拉伸强度提高至420 MPa。随后,他们通过多级螺旋缠绕结构设计,得到了具有类似生物纤维结构特征的宏观人工纤维材料,其拉伸强度继续提升25%,断裂延伸率和韧性则分别同步提升近50%和100%,最终拉伸强度、断裂延伸率分别可达535 MPa、16%。

  該成果所獲得的最高拉伸強度可以和高性能纖維素基天然植物纖維相媲美,這種仿生纖維結構設計策略有望應用在其他複雜等級結構材料的設計和制備中。

 
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