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科研进展

2022年11月30日
中国科大研制基于马尾藻纤维素的高性能餐具用结构材料

目前,全球塑料产量已超过3.68亿吨,其中一次性使用的塑料制品约占40%。这些塑料制品,尤其是一次性包装和一次性餐具等材料,面临着总消耗量大、浪费严重及回收困难等问题。同时,广泛使用的一次性塑料餐具在使用后通常被埋入或直接丢弃到自然环境中,大量的研究表明塑料在日常使用和降解过程中都会释放出微塑料,这将进一步对环境和人体健康构成潜在威胁。因此,开发具有优异的力学强度和耐热性能且不释放微塑料的高性能结构材料势在必行。

近日,我校俞书宏院士团队报道了一种由食品级安全的马尾藻纤维素纳米纤维(SCNF)制成的具有优异力学性能和热学性能的高性能结构材料。相关成果以“Ultrastrong, Thermally Stable, and Food-Safe Seaweed-Based Structural Material for Tableware”为题发表在《先进材料》上(Adv. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adma.202208098)。论文第一作者为博士研究生李德涵、韩子盟和硕士研究生何谦,通讯作者为管庆方副研究员和俞书宏教授。

首先,研究人员发展了于温和的反应条件下高效、低能耗的方法从马尾藻工业废弃物中提取出一种食品安全的SCNF(图1a)。然后,经Ca2+交联后形成SCNF水凝胶(图1b),通过自上而下的方法将SCNF水凝胶制备成高强度(283 MPa)和高热稳定性(>160℃)的马尾藻纤维素基结构材料(SCNSM)(图1c和2a)。与大多数商用的塑料相比,该结构材料具有较高的硬度,还可以通过破坏和重组可逆的纳米纤维间氢键相互作用网络来耗散能量,进而实现了强度、模量、韧性和热稳定性的平衡(图2b-e)。同时,该结构材料还具有良好的可加工性能及食品安全性,可以将其加工成不同形状的餐具用刀叉等(图1d)。此外,这种结构材料还可以通过聚乳酸和姜黄素进行改性,以获得更好的防水性能和抗菌性能。基于该结构材料的餐具整体性能优于目前商用塑料、木基和聚乳酸基餐具,在该领域显示出替代这些产品的潜力。

图1 马尾藻纤维素基结构材料(SCNSM)的制备。(a)马尾藻纳米纤维素(SCNF);(b)SCNF表面的-COOH与Ca2+交联形成水凝胶;(c)通过自上而下的方法将SCNF水凝胶制备成SCNSM;(d)SCNSM可加工成形状多样的刀叉等餐具。

图2 SCNSM机械性能和热性能的相关表征。(a)SCNSM样品数码照片展示;(b)SCNSM餐具与广泛使用的餐具材料邵氏硬度的比较;(c)Ashby图展示了SCNSM样品与广泛使用的塑料的弯曲强度与模量的比较;(d,e)SCNSM样品与广泛使用的塑料在23℃和220℃下热板实验的对比展示。

该工作受到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国高校协同创新计划、安徽省科技重大专项、中央高校基本科研业务费专项资金和安徽省重点研发计划项目等支持。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202208098


(合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部)

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