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復(fù)合材料又出新,中科院打造出一款“人造貝殼”

來源:化學(xué)加      2017-01-23
導(dǎo)讀:中科院姜義軍與牟新東研究小組受到貝類“珍珠層”結(jié)構(gòu)啟發(fā),開發(fā)了有機無機雜化復(fù)合材料。該種材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能,并具有防水防火的特性。

大自然永遠(yuǎn)是那么的神奇,人類發(fā)展的歷史上模仿自然、學(xué)習(xí)自然的例子比比皆是。從飛機到雷達(dá),師法自然或許是改造自然的最事半功倍的手段。而對于化學(xué)材料的開發(fā),科學(xué)家們也少不了向自然學(xué)習(xí)。

比如司空見慣的貝殼,其珍珠層上的多級微納結(jié)構(gòu)為其造就了其優(yōu)越的力學(xué)性能??茖W(xué)家們對這種微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究了至少半個多世紀(jì),并進(jìn)行了形式各異的模仿。最近,來自中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所的姜義軍與牟新東的學(xué)術(shù)團(tuán)隊就受天然貝殼結(jié)構(gòu)啟發(fā),利用氧化石墨烯、硼酸與羧甲基纖維素鈉的復(fù)合材料,打造出一款“人造貝殼”,這種復(fù)合材料有著超越天然貝殼的力學(xué)性質(zhì),并且有著隔氣和阻燃的功能。

圖1.png

(超越天然貝殼力學(xué)性質(zhì)的“人造貝殼”復(fù)合材料)

1+1>2的復(fù)合

這種復(fù)合材料的主體是羧甲基纖維素鈉,當(dāng)在體系中引入硼酸鹽與氧化石墨烯后,并溶液鑄膜法進(jìn)行復(fù)合膜的制備。并在制備的過程中熱處理進(jìn)行原位還原。值得注意的是,引入的硼酸鹽(含量0.09%)與氧化石墨烯(含量0.7%)的量都比較少,但是其對復(fù)合材料強度的增加程度很大。經(jīng)過優(yōu)化制備工藝的復(fù)合材料其抗張強度可以達(dá)到天然珍珠層結(jié)構(gòu)的3.55倍,該值也高于絕大多數(shù)已經(jīng)報道的人造珍珠層結(jié)構(gòu)。

圖2.png

(不同條件下制備出的層狀結(jié)構(gòu),以及EDS譜圖)

那么,為什么這三種物質(zhì)混合后就會讓材料獲得如此優(yōu)異的性質(zhì)呢?研究者通過一系列的探究提出了如下機理:(1)氧化石墨烯經(jīng)過原位還原后,消除了氧元素的存在對于與羧甲基纖維素鈉排斥的不利因素,同時氧化石墨烯還原后會與羧甲基纖維素鈉有著更強的范德華力;(2)研究中使用的是高分子量的羧甲基纖維素鈉,氧化石墨烯在高分子量羧甲基纖維素鈉中有著良好的分散。(3)硼酸鹽貢獻(xiàn)了很強的氫鍵作用。

圖3.png

(復(fù)合物分子層次作用力的機理)

水火不侵

比較有意思的是,原料中的羧甲基纖維素鈉與氧化石墨烯都是在水中可以分散的,但是通過硼酸鹽交聯(lián)后,復(fù)合物竟然獲得防水性能。

圖4.png

(瓶1未經(jīng)硼酸鹽交聯(lián)的材料,在水中兩個小時即瓦解,瓶2-4經(jīng)過硼酸鹽交聯(lián)后被水浸泡一周后仍穩(wěn)定。)

同時,氧化石墨烯的引入使得其獲得了優(yōu)異的氣體阻隔性能,所以該復(fù)合膜可以開發(fā)為氧氣阻隔膜,成為一種重要的防火材料。

圖5.png

(a:普通羧甲基纖維素鈉材料很容易見火燃燒,b:復(fù)合膜見火后可以在幾秒內(nèi)自動熄滅。)

總體而言,這項研究對于基于綠色材料制備電子元件、包裝、航空航天材料都有著重要的借鑒意義。

 

參考文獻(xiàn):

Shahzadi, K.; Mohsin, I.; Wu, L.; Ge, X.; Jiang, Y.; Li, H.; Mu, X., Bio-Based Artificial Nacre with Excellent Mechanical and Barrier Properties Realized by a Facile In Situ Reduction and Cross-Linking Reaction. ACS Nano 2016DOI: 10.1021/acsnano.6b05780


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