科技日報記者?吳長鋒
在給現(xiàn)代生活帶來極大便利的同時，塑料制品也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。大多數(shù)塑料的原材料是石油，由于塑料極端的穩(wěn)定性，廢棄后在環(huán)境中長時間難以降解，最終導(dǎo)致持續(xù)性的環(huán)境污染。那么，能否研發(fā)出一種可持續(xù)的高性能結(jié)構(gòu)材料替代石油基塑料？
(資料圖)
日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊傳來了好消息。他們研發(fā)了一種由食品級馬尾藻纖維素納米纖維（SCNF）制成的、具有優(yōu)異力學(xué)性能和熱學(xué)性能的高性能結(jié)構(gòu)材料，為進一步代替塑料找到了一條新的路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《先進材料》上。
全世界目前的塑料產(chǎn)量已超過3.68億噸。這當(dāng)中，一次性使用的塑料制品約占40%。而這些塑料制品，尤其是一次性包裝和一次性餐具等，面臨著總消耗量大、浪費嚴(yán)重及回收困難等問題。同時，大量研究表明，塑料在日常使用和降解過程中均會釋放微塑料，這將對環(huán)境和人體健康構(gòu)成潛在威脅。因此，開發(fā)具有優(yōu)異的力學(xué)強度和耐熱性能且不釋放微塑料的高性能結(jié)構(gòu)材料勢在必行。
俞書宏團隊長期致力于仿生結(jié)構(gòu)材料的研究，將仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計理念運用于高性能生物基結(jié)構(gòu)材料的研制。
2020年，俞書宏團隊研發(fā)了一種被稱為“定向變形組裝”的新型材料制造方法。通過該方法，團隊成功地將纖維素納米纖維和二氧化鈦包覆的云母片復(fù)合制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。所獲得的結(jié)構(gòu)材料具有比石油基塑料更好的機械和熱性能，有望成為石油基塑料的替代品。
憑借前期的科研積累，俞書宏團隊向著仿生功能材料更深的領(lǐng)域進行探索。
該團隊在溫和的反應(yīng)條件下，開發(fā)了高效、低能耗的方法，從馬尾藻工業(yè)廢棄物中提取出一種食品級的SCNF。SCNF經(jīng)鈣離子交聯(lián)后形成SCNF水凝膠。該團隊通過自上而下的方法將SCNF水凝膠制備成高強度和高熱穩(wěn)定性的馬尾藻纖維素基結(jié)構(gòu)材料。
與大多數(shù)商用塑料相比，該結(jié)構(gòu)材料具有較高的硬度，還可以通過破壞和重組可逆的納米纖維間氫鍵相互作用網(wǎng)絡(luò)來耗散能量，進而實現(xiàn)強度、模量、韌性和熱穩(wěn)定性的平衡。
同時，該結(jié)構(gòu)材料還具有良好的可加工性能及食品安全性，可加工成不同形狀的餐具。此外，這種結(jié)構(gòu)材料還可以通過聚乳酸和姜黃素進行改性，以獲得更好的防水性能和抗菌性能。
俞書宏團隊表示，用該結(jié)構(gòu)材料制作的餐具整體性能優(yōu)于目前的商用塑料、木基和聚乳酸基餐具，在該領(lǐng)域顯示出替代這些產(chǎn)品的潛力。
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