科学研究

科研进展

响应国家“绿色发展”战略 传统制浆技术助力开发可持续的高性能纤维素材料

发布时间:2020-03-12 访问次数:827

研究背景

  我国“绿色发展”战略呼唤可持续的有机高分子材料,采用天然纤维素构建高性能材料是实现这一战略的重要途径。纤维素是植物的主要组分,起到结构支撑的作用。以北美红杉为例,其高度超过100米(相当于40层楼的高度),重量达到几千吨。支撑如此巨大树木的奥秘在于纤维素的层级结构和出色的力学性能。纳米纤维素是纤维素的基本结构单元,由纤维素分子链通过定向自组装而成,具有交替分布的结晶区和非结晶区。其结晶区的抗张强度理论值可达到7.5-7.7GPa,高于芳纶纤维(Kelvar-49)、碳纤维等人工合成的高性能纤维然而,如何将纳米纤维素优异的力学性能转移到宏观薄膜材料是目前亟待解决的问题。

研究进展

  为了解决上述挑战,常用的策略是采用各种取向排列技术实现纳米纤维素优异力学性能的转移,构建出轻质高强的各向异性薄膜。但是,根据这些方法构建的薄膜的力学性能仍远低于单根纳米纤维素的力学性能。纤维素聚合度急剧下降是造成上述现象的主要原因维素是由几百至几千个D-葡萄糖单元构成的链状高分子化合物组成纤维素大分子的葡萄糖单元的个为聚合度(DP)。纤维素聚合度是影响纤维素材料力学性能的一个重要却被忽略的参数。经过脱木素工艺,纤维素聚合度保留在1000左右,仅达到原始纤维素的十分之一,这严重制约了纳米纤维素薄膜材料力学性能的提高

成果简介

  近日,制浆造纸工程国家重点实验室的邱学青教授和方志强副研究员提出一种有效保护纤维素聚合度的策略,将碱性亚硫酸盐-蒽醌-甲醇(ASAM制浆技术与加热加压工艺相结合,构建出轻质高强各向异性纳米纤维素薄膜。该薄膜不仅具有优异的力学性能(最高抗张强度为1.13GPa,杨氏模量57.8GPa韧性15.2±1.9 MJ/m3);而且还具有目前已报道的天然聚合物中最高的比拉伸强度(最高达到820 MPa/g/cm3),在替代传统高强材料高塑料、玻璃和金属等方面展现出巨大的潜力。研究成果为高强纤维素材料的研究提供了思路借鉴,对拓展自然资源设计高性能天然高分子材料提供指导

  相关成果以Critical Role of Degree of Polymerization of Cellulose in Super-Strong Nanocellulose Films为题发表Cell旗下材料学旗舰刊物《Matter上。制浆造纸工程国家重点实验室为第一通讯单位

1 ASAM制浆技术实现木片快速脱木素的同时有效保留纤维素聚合度

2 轻质高强各向异性纳米纤维素薄膜的制备工艺及其力学性能

  论文链接https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30016-3

  DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.016