设计的纳米纤维素材料
来源:新材料    时间:2015-12-30 00:00:00
 

从理论上讲,纳米纤维素可能成为下一个热点超级材料。

一类生物材料已在众多的自然系统中被发现,大部分的常见树木中都存在,纤维素纳米晶体因其极端的强度、韧性、重量轻和弹性而引起研究人员的注意。事实上,这种材料是如此强硬和坚韧,以致很多人认为他们可以取代芳纶用于作战军事中的防弹衣和头盔。与他们的源材料(木材)不同,纤维素纳米晶体是透明的,这使他们成为防护眼镜、窗口或显示器的有力候选者。

虽然围绕纳米纤维素基材料有许多令人激动的想法,但现实却往往不尽人意。

“在实验中兑现这些理论上的性能是很难的,”西北工程的Sinan Keten说。 “研究人员制备了纳米纤维素复合材料并发现他们达不到理论的预期。”

Keten,西北大学麦考密克工程系机械、土木和环境工程助理教授和他的团队正在研发一种材料设计方法,使发展纤维素纳米复合材料更近了一步。他们已经开发出一种新的、多尺度计算框架,可以解释为什么这些实验不能产生理想的材料,并提出用于解决这些缺点的方案,特别是通过修饰纤维素纳米晶体的表面化学以获得与聚合物间更大的氢键结合。

由美国陆军研究办公室和美国国家标准与技术研究所支持,该研究已发表在九月的纳米快报上。Keten实验室的研究生Xin Qin和Wenjie Xia,是本文的共同第一作者。Keten实验室的另一名研究生Robert Sinko,也对研究给予了帮助。

纤维素纳米晶体是在木材的蜂窝壁内发现的,是聚合物纳米复合材料(那些在合成聚合物基质中嵌入纳米级填料颗粒的材料)的理想候选品 。纳米复合材料通常由合成填料制成,如二氧化硅、粘土或炭黑,并大量应用于从轮胎到生物材料等各种领域。

“纤维素纳米晶体是一种有吸引力的替代物,因为它们是天然的生物相容的、可再生的、无毒的和相对廉价的,”Keten说。 “他们可以很容易地从造纸工业木浆副产品中提取”。

然而当研究人员尝试将纳米纤维素填料颗粒与聚合物基质结合时,问题出现了。该领域一直缺乏对填料的量如何影响复合材料的整体性能,以及基体和填料之间纳米尺度相互作用本质的理解。

Keten的方法通过关注材料的长度尺度,而不是材料本身的性质提高了这种理解。通过在原子尺度了解影响性能的因素,他的计算方法可以在其成型的时候预测纳米复合材料的性能,需要的实验量是最少的。

“为了发展具有目标特性的材料,我们会战略性的调整设计参数,而不是先一味的生产材料然后再对其进行测试来看看它的性能,”Sinko说。 “当你在均衡音乐时,你可以旋转旋钮来调节低音、高音等来产生期望的声音。在材料设计方面,我们同样可以“转动特定参数的旋钮'来调整生成的性能。”

 

 
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