@ 2012.09.19 , 09:44

走进科学:比凯夫拉/碳纤维还要结实牛逼的木纤维

[-]

美国林务局森林产品实验室开设了一个170万美元的试验厂。他们利用木材副产品材料,如木屑和锯末,生产纳米微晶纤维素。通过合理的生产加工,纳米微晶纤维素会比凯夫拉芳纶或碳纤维更有强度和硬度。因此,由纳米微晶纤维素加工成的复合材料将成为具有高强度轻质量的产品。此外,生产纳米微晶纤维素的成本低于凯夫拉芳纶纤维或碳纤维的百分之十。基于以上这些品质,军方有意向将纳米微晶纤维素投入到轻型装甲和防弹玻璃的生产中(纳米微晶纤维素是透明的)。同时与汽车,航空航天,电子,消费类产品以及医疗行业有关的公司也对纳米微晶纤维素产生了兴趣。

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物,被发现在植物和细菌细胞的细胞壁中。由葡萄糖分子组成的长链——纤维素分布在一个复杂的网络里,同时为植物细胞提供结构和支持作用。木材是生产纤维素的主要商业来源,它基本上是纤维素分子组成的网络结构,而纤维素分子又是由木质素以矩阵式组成。木质素是一种天然的、很容易被降解除去聚合物。

[-]

经过生产木浆的所有流程,矩阵式的木质素分子束被打破并洗脱成悬浮液留在水中。一个典型的纤维素木质纤维只有几十微米宽,一毫米左右长。

[-]

木浆纤维素,在干燥时,保持有绒毛或棉绒的一致性。木浆纤维素层会让人想起湿纸巾的机械性能。它可能不是你期望的人类已知的材料中最强的一种。毕竟,纸是由木浆中的纤维素制成的,并没有表现出非凡的强度或刚度。

[-]

经过进一步的处理留在水中的悬浮液,纤维素纤维分解成纳米纤维分子,大小约是纤维素分子的千分之一。纳米纤维分子采用长的葡萄糖直链分子通过氢键堆叠成三维结构形式。虽然纤维素分子之间的氢键不是“真正的”化学键,但是增加了纳米微晶纤维素的强度和刚度后键间的结合力变得相当强。

[-]

这些纳米纤维分子很好地排列在由纤维素链彼此平行紧密地组装成的区域内。通常情况下,这些结晶的几个区域会沿着单一的纳米纤维分子出现,并且被无定形区域隔开。这些无定形区域并没有表现出很大程度的规律性。然后用强酸溶解无定形区域获得单个纤维素纳米晶体。目前,人们从木材纸浆中分离出纳米晶体纤维素的产率大约是30%。虽然现在有望做些小的改善,但限制因素是无定形纤维素结晶在源材料中所占的比例。生产纳米微晶纤维素成本的近期目标是10美元/公斤,但规模化生产应该使数字降低到1至2美元/公斤。

[-]

从木浆中分离出的纳米纤维素晶体,它的长度一般不足1微米且有一边长为几纳米的正方形横截面。它们的堆积密度低至1.6克/立方厘米,却表现出令人难以置信的强度。弹性模量近似为150 GPa,拉伸强度约为10 GPa。下面列出了纳米纤维素晶体和一些较知名的材料的在强度方面的比较情况:
材料...........................弹性模量...................拉伸强度
CNC .......................... 150 GPa ......................7.5 GPa
凯夫拉芳纶49 .......................125 GPa .....................3.5 GPa
碳纤维.........................150 GPa .....................3.5 GPa
碳纳米管.....................300 GPa .....................20 GPa
不锈钢.........................200 GPa ......................0.5GPa
橡树............................10GPa..........................0.1GPa
碳纳米管是唯一的增强材料,强于纳米晶体纤维素,成本约是CNCs的100倍。不锈钢与常规的材料作了比较。相对来说,强度和模量非常低的橡木,指出多少复合材料的结构可降解增强材料的机械性能。正如多数事物一样,纳米微晶纤维素并不是一种完美的材料。它们的最大的克星是水。纤维素不溶于水,也不易解聚。纤维素分子的葡萄糖基团之间的醚键不易破碎,需要利用强酸使其发生裂解反应。

这些纤维素分子之间的氢键,其合力也过于强烈,以致于不能被侵入的水分子打破。事实上,结晶纤维素需要在320℃和250个标准大气压下处理。接着足够的水分子插入到纤维素分子之间,以使它们成为无定形结构。纤维素分子仍然是不可溶的,只是它们在晶体结构中近乎完美的堆叠被打乱了。

但是,纤维素含有羟基(OH)基团,这些基团沿着纤维素分子横向突出。它们可以与水分子形成氢键,使纤维素成为亲水性分子(一滴水往往会遍布纤维素表面)。只要有足够的水,纤维素将充盈其中,而且它的干体积几乎膨胀了一倍。

溶胀使纤维素结构中引入了大量的纳米级缺陷。尽管几乎没有单个纳米纤维素晶体分子肿胀,但是水分子可以自由地渗透到无定形纤维素内,同时推开在这些地区中的单个纤维素分子。此外,邻近纳米纤维素晶体分子之间的键和界面将被打破,从而显著地降低了由纳米纤维素晶体而增强的任何材料的强度。为了进一步破坏分子的结构,水可以轻易移入纳米纤维素晶体分子的表面,从而使水分子渗透到含纳米纤维素晶体分子的复合物内部。有多种方法使CNC复合材料在现实世界的应用中成为可行的选择。最简单但又有最大限制是选用的复合材料不能与水接触。另一种方法是改变纤维素的表面化学性质,使之成为疏水的,或排斥水分子。这是很容易做到的,但很可能会大幅降低已改变的纳米纤维素晶体的机械性能。第三种方法是选择一个疏水性的基质材料,并优先和纳米纤维素晶体分子形成一个疏水界面。从一个纯粹的化学观点来说,虽然没有特定的难度,但是实际的困难是疏水性和亲水性的材料之间的接触通常是严重缺乏强度的。

也许最实际的做法仅仅是通过上色或用一些材料包裹住纳米纤维素晶体复合物,以便和水隔开。对于一个这样的奖品——价格便宜、富有强度和刚度的材料 ,我们可以断定,未来创新的方法将继续使这个理论成为现实。本文译自 gizmag,由译者 老人爱怡 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力 !
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.8
赞一个 (9)

24H最赞