一种新的，强韧的，主要由纤维素纳米晶体制造的复合材料

By Good News Network -Mar 22, 2022

Source：MIT (麻省理工学院）

Translated by David Lin

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一棵树强韧的根本并不在于它坚硬的树干或扭曲蔓延的根须，而在于其微观细胞壁。

单一的木质细胞壁是由纤维素纤维所构成的——纤维素是自然界最丰富的聚合物，也是所有植物和藻类的主要构成部分。每根纤维中都含有坚韧无比的的纤维素纳米晶体（简称 CNC），它们是排列近乎完美的晶体图案的有机聚合物链。在纳米尺度上，CNC 比 凯芙拉纤维（主流防弹衣的构成物，其强度为同等质量钢铁的五倍，而密度仅为钢铁约五分之）更强韧、更坚硬。如果此晶体可以大量加工成材料，CNC可能会成为制造更坚固、可持续性更的天然塑料的途径。

现在，麻省理工学院的一个团队设计了一种复合材料，主要由纤维素纳米晶体和一些合成聚合物混合而成。有机晶体约占材料的 60% 至 90%，这是迄今为止的所有复合材料中 CNC 的最高占比。

研究人员发现，基于纤维素的复合材料比某些骨头结构更坚固、更强韧，并且比主流的铝合金更坚硬。该材料具有类似于珍珠层的实体微观结构，珍珠层是一些软体动物的，坚硬的内壳衬里（珍珠的结构）。

该团队找到了一种基于 CNC 的复合材料的配方，他们可以使用 3D 打印或传统铸造来制造这种复合材料。他们将复合材料打印并浇铸成硬币大小的薄膜，用于测试材料的强度（这里的强度是指极限抗拉强度是在外力作用下，材料抵抗破坏的能力）和硬度。他们还将复合材料加工成牙齿的形状，以表明该材料有朝一日可能用于制造基于纤维素的牙科植入物——以及就此而言，他比任何塑料产品——更坚固、更坚韧、更可持续。

“通过在高负载下使用 CNC 制造复合材料，我们可以赋予聚合物基材料前所未有的性能，”机械工程教授 A. John Hart 说。“如果我们可以用天然纤维素代替一些石油基塑料，那对环保层面上来说可能会更好。”

凝胶键

每年，超过 100 亿吨的纤维素由植物的树皮、木材或叶子合成。这种纤维素大部分用于制造纸张和纺织品，而其中一部分被加工成粉末，用于食品增稠剂和化妆品。

近年来，科学家们探索出了纤维素纳米晶体的新用途，我们可以通过酸水解将纤维素纳米晶体从纤维素纤维中提取。这种异常坚固的晶体可用作聚合物基材料的天然增强材料。但研究人员每次只能掺入少量的 CNC，因为晶体往往会结块，并且只能与聚合物分子微弱地结合。

Hart 和他的同事希望能开发一种含有高比例 CNC 的复合材料，它们可以将其塑造成坚固耐用的形状。他们首先将合成聚合物溶液与市售的 CNC 粉末混合。该团队确定了将溶液变成凝胶的 CNC 和聚合物的比例，其稠度既可以通过 3D 打印机的喷嘴送入，也可以倒入模具中进行浇注。他们使用超声波探头分解凝胶中的任何纤维素团块，使分散的纤维素更有可能与聚合物分子形成强键。

他们通过 3D 打印机喂入一些凝胶，然后将其余的倒入模具中进行浇铸。然后他们让打印的样品变得干燥。在此过程中，材料将会收缩，并留下主要由纤维素纳米晶体组成的固体复合材料。

“我们基本上就是解构了木材，并对其进行了重建，”Rao 说。“我们采用了木材中最好的成分，即纤维素纳米晶体，并对其进行了重构，从而获得了一种新的复合材料。”

坚硬的裂缝

有趣的是，当研究小组在显微镜下检查复合材料的结构时，他们观察到纤维素颗粒形成的实体结构，十分类似于珍珠层的结构。在珍珠层中，这种曲折的微观结构阻止了裂缝直接穿过材料。研究人员发现他们的新型纤维素复合材料也是如此。

他们测试了材料的抗裂纹性，使用工具首先引发纳米级裂纹，然后是微米级裂纹。他们发现，在多个尺度上，复合材料的纤维素颗粒排列防止了裂缝分裂材料。这种对塑性变形的抵抗力使复合材料在传统塑料和金属之间的边界处具有硬度和刚度。

展望未来，该团队正在寻找减少凝胶干燥时收缩的方法。虽然在打印小物体时收缩不是什么大问题，但当复合材料干燥时，更大的物体可能会弯曲或破裂。

“如果你能避免材料的收缩，你就可以继续扩大其规模，甚至可能达到数米的大小，”Rao 说。“然后，往大了说，我们在未来可以用纤维素复合材料代替很大一部分塑料。”

研究小组的 结果发表在《纤维素》杂志上。