pps材料裡面有植物纖維嗎（Nano取之於木勝於木）

2023-05-23 13:33:48 1

天然木材的分層和各向異性結構，使得其具有輕質、高強度和柔韌性。其中，纖維素納米原纖維螺旋多層纏繞在木質細胞壁周圍，而納米級和微米級的纖維素纖維可以最大程度地減少重量，並在最需要的地方最大化其拉伸強度和模量，同時保持垂直於紋理方向的柔韌性為木材提供柔韌性。雖然自然界可將納米纖維素等各向異性納米物體組織成複雜的上層建築，但是由於缺乏合適的製備方法，很難開發出具有複雜且精確控制結構的合成納米複合材料。

圖1、天然和合成複合材料的取向

目前，基於納米纖維素衍生物（纖維素納米晶體（CNC）、纖維素納米原纖維（CNF）等）的複合材料具有出色的機械強度、低密度、可生物降解性等性能。其中，通過溼紡絲等方法製備的CNF基複合材料中單個纖維素納米材料的各向異性被平均化，無法在無序的多粒子系統中得到充分利用。眾所周知，逐層（LbL）組裝技術是一種可用於製備具有出色機械性能的多組件結構的技術。兩種類型的納米纖維素（CNF和CNC）都已成功用於製備LbL薄膜。雖然通過掠入射法（GIS）製備出具有各向異性光學特性的單向CNF基LbL薄膜，但是現有機械性能的研究，由GIS製備的各向異性CNF薄膜尚不適合。

近日，法國斯特拉斯堡大學的Olivier Felix和Gero Decher（共同通訊作者）等人聯合報導了一種利用旋轉輔助逐層（LbL）組裝技術構成的由陰離子纖維素納米原纖維和陽離子聚（乙烯基胺）組成的各向異性薄膜。該薄膜的拉伸強度超過了其纖維來源的木材。通過原子力顯微鏡研究了納米纖維的取向度，發現其基本取決於與紡絲表面中心的距離。此外，納米原纖維優先在剪切流的方向上排列，因此當平行於或垂直於原纖維取向方向測量時，這種薄膜的機械性能有很大差異。為了實現包括感應、包裝、電子或光學在內的仿生應用，製備納米複合材料和具有各向異性物理特性的器件需要對納米級物體在基體材料中的定位和排列進行極端的控制。

厚的非定向和定向多層組裝

隨著沉積循環次數（最多200層對）的增加，多層薄膜的厚度線性增加，但是旋轉輔助LbL組裝技術製備的薄膜的厚度增量較低。在8000 rpm下，利用旋轉輔助LbL組裝製備的(PVAm/CNF)n薄膜隨厚度增加的幹擾顏色，而這些顏色是具有均勻厚度和折射率薄膜的特徵結構顏色。在原子力顯微鏡（AFM）圖像上，薄膜在微米尺度上的均勻性也很明顯。

圖2、CNF基薄膜的生長、厚度和均勻性

旋轉輔助LbL組裝中CNF對準的表徵

作者利用AFM對膠片成像，並使用Orientation J來表徵納米纖維的取向度，可以基於像素表徵取向度。每個像素根據對齊方向進行顏色編碼。在樣品的中心和邊緣附近獲得的典型圖像，並帶有相應的色標。從顏色編碼的圖像中可以看出，CNF隨機分布在中心，而它們定位在邊緣。在8000 rpm組裝下的取向分布如圖3D所示。正如預期，纖維素納米纖維的方向從中心向邊緣增加。需注意，在旋轉基底中心拍攝的大多數圖像有一定程度的定向。在所有情況下，順序參數從中心到邊緣都增加，而薄膜中CNF的最大取向度也隨旋轉速度而增加。

圖3、旋轉輔助組裝中CNF對準的表徵

厚取向LbL薄膜的機械性能

作者在平行和垂直於取向方向上測量各向異性納米複合材料的拉伸性能，並與浸漬法製備的各向同性複合材料進行比較。所有研究過的膠片均顯示出典型形狀的應力-應變曲線，並且相應的數據如表1所示。正如預期，楊氏模量和拉伸強度從垂直於原纖維方向（b）的定向薄膜增加到隨機膜（c）和平行於原纖維方向（a，a*）的定向薄膜。其中，纖維素納米原纖維是木材卓越機械性能起源的增強成分，其拉伸模量估計為100 GPa，破壞強度超過1 GPa。垂直於原纖維方向測量的定向薄膜的楊氏模量保持在9 GPa。當納米原纖維平行於取向時，它們承受大部分應力，並且薄膜的楊氏模量達到33 GPa、拉伸強度為490 MPa。

圖4、納米複合材料的拉伸性能

表1、納米複合材料的拉伸具體數據

木材的機械性能是纖維素纖維在木材細胞壁的不同層內的分層和各向異性排列的結果。後者被布置在四個離散的層中，最外面的主層由隨機分布的纖維素微纖維組成，該纖維素微纖維包圍次級細胞壁。其中，次級的細胞壁被分為三個連續的層（S1、S2和S3）。所有層均由相同的成分（主要是纖維素、半纖維素和木質素）製成，S1層主要由木質素組成（約70％），而S2層卻含有最高含量的纖維素（約50％）。S2層代表孔壁厚度的約70-80％，並且對於孔的機械強度最重要，特別是軸向上。

圖5、木質細胞壁的結構示意圖

總之，通過自旋輔助LbL組裝可在大面積上快速製備由纖維素納米原纖維和聚乙烯胺組成的高度各向異性的納米增強複合薄膜。利用不同的旋轉速度，將具有厚度均勻和高定向度的CNF基透明微米級薄膜組裝在矽片上。通過平行和垂直於納米原纖維方向的獨立式(CNF/PVAm)n薄膜的定量拉伸性能可以證明該納米複合材料薄膜的宏觀機械各向異性。這種LbL組裝技術可提供基於納米纖維素的材料，且該材料的機械強度超過了從其獲得納米原纖維的木材之一。

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01372

來源：高分子科學前沿