美国马里兰大学胡良兵、李腾：比钢还强且可完全降解的低成本高性能环保材料

来源：知社学术圈

在过去半个世纪里，塑料制品被大规模使用在人类生活的方方面面。过去60年里人类共生产了大约83亿吨塑料，其中约63亿吨已变成塑料垃圾。而这些塑料垃圾里只有9%被回收利用，其余的被直接填埋或倾倒，造成自然环境和资源的污染 ，影响范围之广令人震惊（包括在地球上最深的玛利亚那海峡底部已发现一次性塑料袋）。塑料最大的问题在于不易降解，绝大多数常用的塑料制品需要数百年才能完全降解，这一难题直接导致了越来越严重的白色污染。如何探索和发明一种低成本高性能的环保材料来替代塑料，仍然是人类亟待解决的一大难题。

美国马里兰大学胡良兵教授和李腾教授团队的最新研究为这一难题提供了一个非常有前景的解决方案。马里兰大学研究团队利用石墨和纳米纤维素之间的二级键作用（例如氢键），实现了一种低成本、高性能、可完全降解的新型结构材料（见图1），其密度和成本与塑料相当，但强度比钢材还要高，而且可以在水中完全降解。 这一最新成果在2019年5月8日在线发表于材料科学领域顶级期刊Materials Today.

图1.（上）基于石墨-纳米纤维素的复合材料结构示意图；（下）该复合材料力学性能优异。其比强度远远超过所有常用金属，甚至钛合金。

石墨和纤维素是地球上最丰富和低成本的材料之一。在分子水平上，两种材料都具有高机械强度，高模量和低密度，是潜在的多功能复合材料理想构件，可实现与金属，碳纤维等聚合物媲美的优良性能。但是因为石墨薄片间结合不良，容易滑移，很难将石墨材料加工至强度高于6MPa。 另一方面，虽然纤维素可以加工成强度高达300-500MPa的结构材料，但纤维素溶液的固体浓度很难超过5％（即> 95％是水），这也很大程度限制了此类材料的批量生产。

为解决如上挑战，马里兰大学研究团队通过使用纳米纤维素作为分散剂，在水溶液中直接从商业石墨粉末中剥离出具有大横向尺寸的数层石墨薄片，然后将得到的石墨-纳米纤维素浆料大面积印刷，并浇铸干燥成超强 （～1GPa）和超韧 (~30.0MJ / m3)的复合材料。由于石墨和纤维素的低密度，所得超强超韧的复合材料的比强度高达~700 MPa /（g cm3），优于大多数结构材料，如金属，聚合物，甚至轻质合金（如钛合金）。该研究团队还通过热压制造了多层石墨-纳米纤维素复合材料，并在子弹穿透实验里显示很强的防弹性能（高出纯纳米纤维纸4.6倍）。此外，通过结合分子动力学模拟和原位原子力显微镜拉伸试验（与莱斯大学楼骏教授团队合作），该研究团队发现这一复合材料的优异力学性能（强度和韧性）源于纳米纤维素和石墨之间含有有二级键的协同效应，即纳米纤维素和石墨之间的疏水位点（C-H部分）和亲水（氢键）基团的相互作用。

由于石墨和纤维素的天然可降解性，这项研究得到的超强超韧复合材料可以在水里被完全降解会石墨和纤维素，降解过程不需要任何化学制品，并可以在数天之内完成降解。这一亮点使得石墨-纳米纤维素复合材料具有取代塑料的巨大前景。

马里兰大学研究团队展示了固体浓度高达20%的石墨-纳米纤维素浆料，使得复合材料大面积印刷制备工艺成为可能，该团队已经成果制备了120厘米×30厘米的复合材料样品（见图2）。

图2.（上）高固体浓度石墨-纳米纤维素浆料使得大面积印刷制备工艺成为可能；（下）120厘米×30厘米的复合材料样品。

马里兰大学研究团队发明的这一低成本高性能并且可以完全降解的环保材料具有巨大的应用前景，不但有可能取代塑料，而且其超高比强度的优异性能也展示了其取代钢材等传统结构材料的潜力。目前马里兰大学研究团队正在与Trinity Group, Inc. (北美最大的铁路车辆制造商)合作探索该材料的商业应用。

马里兰大学胡良兵教授和李腾教授研究团队近年来在新一代超强超韧结构材料领域频频取得突破性原创研究成果， 包括超强超韧的纤维素纳米纸（PNAS， 2015）和超级木头（Nature， 2018），得到全球范围内的关注。马里兰大学超级木头的研究在2018年荣获有“国际技术发明奥斯卡”之称的R&D100大奖。此次发表在Materials Today上的这一最新复合材料的力学性能更创新高，其强度和比强度甚至超过超级木头。这一最新成果展现出来的技术和商业潜力巨大，因而在日前荣获“马里兰大学2018年年度发明奖（物理科学领域）”（见图3）。

图3.马里兰大学研究团队在 “马里兰大学2018年年度发明奖”颁奖典礼与颁奖嘉宾合影。研究成果共同发明人（前排右起）：周玉冰博士，李腾教授，Bob Foster (Trinity)，胡良兵教授，陈朝吉博士。马里兰大学官员（后排右起）：校长陆道逵博士，主管科研副校长Laurie E. Locascio博士,首席创新官 Julie Lenzer。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.03.016

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