纖維素納米晶體的案例
武漢大學(xué)常春雨/張俐娜院士：囊狀纖維素納米晶增強，機械熱致變色水凝膠
【科研摘要】
具有高度耐用的結(jié)構(gòu)顏色的基于纖維素納米晶體（
CNC）的響應(yīng)光學(xué)材料的開發(fā)受到越來越多的關(guān)注。然而，由于諸如組裝時間長和由高百分比的CNCs引起的聚集等因素，具有手性向列排列的CNCs的刺激響應(yīng)性光學(xué)水凝膠不足以用于實際應(yīng)用。
最近
，
武漢大學(xué)
常春雨副教授
/張俐娜院士
團隊
通過對
被膜纖維素納米晶體（TCNC）進行定向剪切，然后將對齊的TCNC鎖定在聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）網(wǎng)絡(luò)中，制得具有均勻干涉色的機械-熱致變色水凝膠。
由于TCNC的長徑比和結(jié)晶度較高，因此在較低的濃度下會出現(xiàn)虹彩雙折射。中等濃度（
?
5 wt％）的剪切取向TCNCs不僅使納米復(fù)合水凝膠具有均勻的干涉色，而且改善了水凝膠的機械性能。
取向的TCNC/PNIPAM水凝膠對拉伸力，壓縮力和溫度表現(xiàn)出可逆且獨特的響應(yīng)性。這項工作為設(shè)計用于傳感器，環(huán)境監(jiān)測和防偽標簽的基于TCNC的可持續(xù)性和可拉伸響應(yīng)光學(xué)設(shè)備提供了一種新策略。
相關(guān)論文以題為
Shear-aligned tunicate-cellulose-nanocrystal-reinforced hydrogels with mechano-thermo-chromic properties
發(fā)表在《
Journal of Materials Chemistry C
》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖
1剪切取向的TCNC/PNIPAM水凝膠（OH）的設(shè)計和制造。
圖
2 TCNC/PNIPAM水凝膠的結(jié)構(gòu)。
展開 《AFM》英屬哥倫比亞大學(xué)：來自纖維素納米晶體的形狀記憶光子熱塑性塑料
【摘要】
使用形狀記憶光子晶體制備的響應(yīng)材料在可重寫光子器件、安全特征和光學(xué)涂層中具有潛在的應(yīng)用。最近，
英屬哥倫比亞大學(xué)
Mark J. MacLachlan
教授
團隊
通過將
手性向列纖維素納米晶體
(CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基質(zhì)中，形狀記憶光子晶體熱塑性塑料 (CNC-SMP) 可以可逆地捕獲不同的顏色狀態(tài)。
在該系統(tǒng)中，溫度用于對形狀記憶響應(yīng)進行編程，而壓力用于壓縮 CNC 手性向列組織的螺距。通過增加施加的力（≈140-230 N），結(jié)構(gòu)顏色可以從紅色調(diào)整為藍色。然后，根據(jù)需要，CNC-SMP 可以通過將其加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上來恢復(fù)到其原始狀態(tài)。該循環(huán)可以執(zhí)行 15 次以
上，而不會損失任何形狀記憶行為或樣品的機械退化。此外，通過使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數(shù)編程到手性向列型
CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以通過改變使用的單體組成在 90 °C 范圍內(nèi)進行調(diào)整制備聚丙烯酸酯基質(zhì)。
相關(guān)論文以題
為
Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals
發(fā)表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖1
手性向列
CNC-SMP 的順序編程和恢復(fù)的示意圖。
展開 仿生纖維水凝膠的設(shè)計與應(yīng)用
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1 納米原纖維細胞外基質(zhì)
（a）體內(nèi)細胞外基質(zhì)（ECM）纖維的圖像：上圖，小鼠主動脈外膜中彈性纖維的SEM）圖像；中圖，膠原水凝膠中膠原纖維的SEM圖像；下圖，細胞衍生的3D基質(zhì)中免疫熒光染色的纖連蛋白的共聚焦顯微鏡圖像。
（b）原纖維結(jié)構(gòu)對力學(xué)傳導(dǎo)和生長因子信號傳導(dǎo)的影響。
圖 2 人造納米纖絲水凝膠的組裝示意圖
（a）纖維狀水凝膠通過分子結(jié)構(gòu)單元和納米顆粒組裝示意圖；
（b）水凝膠形成的不同機制是纏結(jié)，分支和纖維或原纖維的結(jié)合。
圖 3 分子結(jié)構(gòu)單元組裝纖維狀水凝膠
（a）肽組裝成纖維和水凝膠的示意圖，及其水凝膠的SEM圖像；
（b）嵌段共聚物組裝成蠕蟲狀膠束、纏結(jié)形成纖維狀水凝膠示意圖，及其膠束的TEM圖像。
圖 4 膠體顆粒組裝纖維狀水凝膠的示意圖及其SEM表征
（a）絲狀膠體納米顆粒（NP）凝膠化的三種方法：上圖，將膠凝聚合物接枝到NP表面，SEM顯示由接枝有聚的纖維素納米晶體形成的水凝膠；中圖，未經(jīng)修飾的NPs直接凝膠化，SEM圖像顯示在50 mM Sr2+離子溶液中，纖維素納米晶體凝膠化水凝膠；下圖，纖維素納米晶體與膠凝聚合物的混合，SEM圖像顯示纖維素納米晶體-明膠水凝膠；
（b）纖維素納米晶體，幾丁質(zhì)納米晶體和纖維素納米纖維的凝膠化示意圖。
展開 研究員用纖維素3D打印耳朵
2019年1月22日，據(jù)悉，Empa的一位研究人員使用聚合物3D打印出一只耳朵，使用纖維素提供結(jié)構(gòu)支持。
Erma科學(xué)家Michael Hausmann解釋了該打印工藝：“在粘性狀態(tài)下，纖維素納米晶體可以很容易地與其他生物聚合物一起成型為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，使用3D打印機，例如Bioplotter。”目前，耳朵僅由纖維素和粘合劑組成。但在未來，水凝膠將包括人類細胞等。隨著人體細胞在整個纖維素支架中生長，生物聚合物會隨著時間的推移而降解;纖維素不會降解，但具有生物相容性，與軟骨具有相似的柔韌性。
Erma研究人員正在努力將軟骨細胞整合到支架中。 Hausmann表示：“在小耳畸形中，外耳只是不完全發(fā)育的，一旦水凝膠與細胞定殖，基于納米纖維素的耳狀復(fù)合材料就可以作為耳廓畸形兒童的植入物。耳廓的重建可以在美學(xué)上和醫(yī)學(xué)上糾正畸形，否則聽力能力會嚴重受損。在該項目的進一步過程中，含有水凝膠的纖維素納米晶體也將用于替換關(guān)節(jié)軟骨（例如膝蓋在由于例如慢性關(guān)節(jié)炎引起的關(guān)節(jié)磨損）。
它們的纖維素來自木纖維，使其成為地球上最豐富的聚合物。 3D打印的植入物可以提供藥物并緩慢溶解。這將又是3D打印在醫(yī)學(xué)上的一大舉措。
來源：3ders
展開 
上海交通大學(xué)汪朝陽和朱申敏團隊《AFM》：基于纖維素納米晶與碳點的可注射水凝膠用于腫瘤光熱、光動力治療
上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院朱申敏教授和醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院眼科汪朝陽主任醫(yī)師團隊提出了一種簡單的方法，利用氨基修飾的碳點 (NCD) 和醛基改性纖維素納米晶體間的反應(yīng)，制備用于同時光熱和光動力療法的可注射水凝膠（圖1）。NCD不僅作為光熱劑與光敏劑，同時作為交聯(lián)劑形成水凝膠。NCD表現(xiàn)出 77.6% 的光熱轉(zhuǎn)換效率，并且在660 nm光照下具有 0.37 的高單線態(tài)氧量子產(chǎn)率。體外細胞實驗和體內(nèi)動物實驗證明水凝膠無毒和有效的腫瘤抑制作用。因此，光治療劑與聚合物基體直接反應(yīng)的策略不僅為可注射水凝膠的制備提供了新的策略，而且為腫瘤治療提供借鑒思路。
圖1. CCHOxNCD水凝膠的合成及其在癌癥治療中的應(yīng)用(x等于水凝膠中NCDs的濃度；x= 2, 4 , 6, 8 mg/mL)
流變頻率掃描測試（圖2a）顯示CCHONCD水凝膠表現(xiàn)出恒定的G'和G''值。隨著NCD含量的增加（圖2b）顯示出線性粘彈性行為。水凝膠的粘度隨著剪切速率的增加而急劇下降（圖2c），有利于注射。如圖2d所示，當應(yīng)變從1%到200%變化時，CCHO4NCD經(jīng)歷凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變。相反，當應(yīng)變從200%降低到1%時，由于溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，樣品的G'和G''立即恢復(fù)到其原始值。說明，溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變是可逆的，樣品能夠自我修復(fù)到初始狀態(tài)。
圖2. CCHOxNCD水凝膠的流變性能
在人宮頸癌細胞和小鼠黑色素瘤細胞系上對生物安全性和治療有效性進行驗證后，動物實驗流程如圖3a。
展開 多倫多大學(xué)《Chem. Mater.》3D打印鐵離子螯合碳點傳感的抗菌水凝膠敷料
圖1說明了水凝膠，它是通過醛改性的纖維素納米晶體（CNC）與載有氮摻雜的碳點（C-dots）和明膠的共價交聯(lián)形成的，這種凝膠剝奪了傷口上的病原體偏愛的離子鐵。在該后面，組織將此水凝膠稱為C-dot/EKGel。此外，當Fe3+離子被水凝膠吸收時，C點光致發(fā)光（PL）被淬滅，因此除了具有抗菌活性外，還提供了敷料的傳感能力。作為對照系統(tǒng)，作者使用了醛改性纖維素納米晶體和明膠（EKGel）交聯(lián)形成的水凝膠。
圖1. C-dot/EKGel作為傷口敷料的示意圖，該敷料剝奪了有利于細菌生長的Fe3+離子。螯合后，由于Fe3+離子吸附到C點表面，水凝膠熒光減弱。
2.水凝膠結(jié)構(gòu)和熒光性能表征
圖2a（頂部）示意性地說明了使用乙二胺和硼酸作為前體試劑在CNC表面上氮摻雜C點的合成。通過6 h回流反應(yīng)合成雜化C-dot/CNC納米顆粒（參見 實驗部分）。圖2b顯示了C-dot/CNC的代表性透射電子顯微鏡（TEM）圖像。使用CNC作為前驅(qū)體和C點合成的底物，可以得到分離良好的C點。在回流反應(yīng)下，通過在CNCs（用作碳源）表面上的纖維素部分的轉(zhuǎn)化而形成的C點。圖2c顯示了C-dot/CNC納米顆粒的水懸浮液的消光和光致發(fā)光（PL）光譜。圖2c中的插圖顯示了C-dot/CNC懸浮液在白光和紫外光照射下的照片。
圖2.（a）醛修飾的C-dot / CNC和明膠通過席夫堿反應(yīng)形成C-dot/CNC雜化納米粒子的示意圖（上）和C-dot / EKGel的形成（下圖）。（b）C-dot/CNC納米顆粒的TEM顯微照片。圖像中心顯示的區(qū)域被放大并顯示在插圖圖像中。（c）C-dot/CNCs的水懸浮液的消光和光致發(fā)光光譜，λex= 380 nm。插圖顯示了C-dot/CNC懸浮液在白光（左）和UV光照射（右）下的照片。
展開 Nature子刊：本征離子導(dǎo)電纖維素納米紙作為固體電介質(zhì)用于低壓有機晶體管
有機場效應(yīng)晶體管（OFET）作為未來柔性，可穿戴和便攜式電子設(shè)備中的重要組件，在傳感器，射頻識別標簽和柔性顯示器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的可用于制備OFETs的介電層材料往往難以同時兼具柔性、低壓和生物可降解等優(yōu)異特性。 因此，開發(fā)兼具綠色、環(huán)保和柔性的介電層材料用于制造低壓OFETs具有重要的意義。
【成果簡介】
近日，來自同濟大學(xué)的黃佳教授（通訊作者）在Nature Communications上發(fā)表文章，題為：Intrinsically ionic conductive cellulose nanopapers applied as all solid dielectrics for low voltage organic transistors。該團隊報道了環(huán)保纖維素納米紙作為具有固有離子導(dǎo)電性的高電容介電層材料的應(yīng)用。與以往報道的液體/電解質(zhì)門控介電層不同，具有環(huán)保特性的纖維素納米紙可以用于制備全固態(tài)柔性低壓電子器件。基于纖維素納米紙的OFETs在低于2 V的操作電壓下表現(xiàn)出良好的器件性能。不僅如此，在彎曲半徑小于1 mm的條件下，器件的源漏電流及載流子遷移率并未出現(xiàn)明顯變化。纖維素納米紙的有趣特性，如離子傳導(dǎo)性、超光滑表面(~ 0.59 nm)、高透明度 (＞80 %)和柔性，使它們成為柔性、透明和低壓電子器件的高電容介電層材料的優(yōu)秀候選。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.
展開 華南理工大學(xué)張水洞教授課題組：基于類Fenton試劑實現(xiàn)淀粉/微晶纖維素的水溶還原性、抗菌、物理和化學(xué)交聯(lián)劑特性
納米金催化劑的制備及形貌表征
此外，羧基淀粉富含羧基，具有潛在的抗菌性能。OST上的羧基能以金屬氧化物為鏈接和羧基丁 腈橡膠（XNBR）實現(xiàn)良好的界面相容性，可作為高效的天然交聯(lián)核心用于增強XNBR，減少DCP等傳統(tǒng)交聯(lián)劑的應(yīng)用，這種鹽橋交聯(lián)劑將使XNBR再生使用成為可能。他們課題組研究了在氧化鋅（ZnO）存在下羧基淀粉對XNBR補強的影響機制。通過生成羧酸鋅鹽，OST與XNBR之間的界面相容性得到大幅度改善，OST作為高效的交聯(lián)劑可均勻分散在基體中，隨體系交聯(lián)程度提高，XNBR復(fù)合材料力學(xué)性能顯著增強。同時，由于OST表面存在未反應(yīng)的羧基，使得XNBR/OST表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌效果（Jiahui Yang et al, Carbohydrate Polymers, 2021, 259: 117739）。
圖3. 不同樣品的抑菌圈：（1）XNBR；（2）XNBR/5Z；（3）XNBR/15ST；（4）XNBR/15ST/5Z；（5）XNBR/15OST-57；（6）XNBR/15OST-57/5Z
圖4.（a）XNBR/15OST/5Z復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率；（b）XNBR及其復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
在淀粉的羧基化改性取得效果后，作者隨后又通過類Fenton反應(yīng)對微晶纖維素（MCC）進行羧基化改性，無需任何預(yù)處理即可制備氧化纖維素納米晶體（OCNC），調(diào)控H2O2與MCC的摩爾比，得到羧基含量17%左右的OCNC-17.1，其熱穩(wěn)定性與通過磺酸水解法制備的商業(yè)化纖維素納米晶體（CNC）相比，通過類Fenton反應(yīng)制備出的OCNC-17.1具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
展開 日本提出將納米纖維素與各種熱塑性塑料混合制造工藝
富士顏料有限公司(日本川西)的集團公司——綠色科學(xué)聯(lián)盟有限公司于近日宣布已經(jīng)創(chuàng)建了將納米纖維素與各種熱塑性塑料混合的全新制造工藝。
納米纖維素來源于樹木、植物和廢棄木材等自然生物質(zhì)資源，因此是可回收和生物降解的。其熱膨脹系數(shù)低，可與玻璃纖維相媲美，但彈性模量高于玻璃纖維，是一種強韌、堅固的材料。該材料顯示出在汽車、航空、建筑和其他領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，同時對環(huán)境具有積極的影響。
目前，該公司已成功將納米纖維素與各種熱塑性塑料相混合，比如，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺6 (PA6)、聚乙烯醇(PVB)等。
最近還成功地創(chuàng)建了納米纖維素與各種生物降解塑料的混合生產(chǎn)工藝，包括聚乳酸(PLA)、聚己二酸丁二酯(PBAT)、聚丁二酸丁酯(PBS)、聚己內(nèi)酯、淀粉基塑料以及由多羥基烷酸酯(PHA)等微生物生產(chǎn)的生物降解塑料。
在不久的將來，公司的目標是用這種可降解的塑料/納米纖維素復(fù)合材料生產(chǎn)食品托盤和盒子、吸管、杯子和杯蓋等產(chǎn)品。他們還計劃應(yīng)用超臨界發(fā)泡技術(shù)，使可降解塑料模具產(chǎn)品更輕、更堅固。
展開 德國用納米纖維素3D打印人造耳，為先天性耳廓畸形兒童重建耳廓
最近，德國聯(lián)邦材料測試和研究所利用木質(zhì)納米纖維素，通過3D打印技術(shù)制成了移植用的人造耳朵，可以作為先天性耳廓畸形兒童的植入物。
據(jù)研究人員邁克爾·豪斯曼介紹，制造人造耳朵的原料是可生物降解的木質(zhì)納米纖維素。借助生物繪圖儀，具有黏性的納米纖維素可以完美塑造復(fù)雜的構(gòu)造，固化后的結(jié)構(gòu)仍然非常穩(wěn)定。他們研究了納米纖維素水凝膠的特性，并進一步優(yōu)化穩(wěn)定性和3D打印工藝，制成了可用于移植的人造耳朵。這種人造耳朵可為先天性耳廓畸形兒童重建耳廓，使畸形耳朵得以補救，而且不會影響聽力。
（圖為研究人員豪斯曼從生物繪圖儀中取出剛定型的人造耳朵）
人造耳朵僅是這項研究的一個應(yīng)用。含有納米纖維素的水凝膠還可用作膝關(guān)節(jié)植入物，用于修補慢性關(guān)節(jié)炎造成的關(guān)節(jié)磨損。豪斯曼表示，下一個目標是用骨骼填充身體自身的細胞和活性成分，以制成生物醫(yī)學(xué)植入物。一旦將植入物植入體內(nèi)，一些材料可能隨著時間的推移而生物降解，并溶解在體內(nèi)。盡管納米纖維素本身不會降解，但它仍然非常適合作為生物相容性材料，用作植入物支架。
此外，選擇納米纖維素作為候選材料，還因為其機械性能，其微小但穩(wěn)定的纖維可以非常好地吸收拉伸力。而且，納米纖維素允許通過不同的化學(xué)修飾，將功能結(jié)合到黏性水凝膠中。通過結(jié)構(gòu)、機械性能和納米纖維素與其環(huán)境的相互作用，可以獲得需要的復(fù)雜形狀產(chǎn)品。
豪斯曼稱，這項研究的意義還在于，原料纖維素是地球上最豐富的天然聚合物，結(jié)晶納米纖維素的使用方法簡便且成本低廉。
來源：3D打印世界
展開 北京林業(yè)大學(xué)楊俊團隊《ACS Nano》：自催化納米纖維素增強體系構(gòu)建新型“鹽包水”聚兩性離子水凝膠電解質(zhì)
Interfaces 2020, 12, 56509?56521），設(shè)計了一種基于“單寧酸-金屬離子”自催化效果的納米增強體系。該體系能夠在室溫下幾分鐘內(nèi)制備出一種新型的抗凍粘附“鹽包水”聚兩性離子水凝膠電解質(zhì)，極大地延長了柔性鋅離子混合電容器循環(huán)壽命（100000圈），并有效地抑制了鋅負極枝結(jié)晶的形成。進一步研究發(fā)現(xiàn)，組裝的鋅離子混合電容器在電化學(xué)性能和機械性能方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫適應(yīng)性，能夠在冰水浴和真空條件等嚴苛環(huán)境下正常工作。
在該研究中，作者通過結(jié)合單寧酸包裹的納米纖維素（TCs）和氯化鋅（ZnCl2），構(gòu)建了一種自催化的納米增強體系，體系中TCs上的酚羥基被Zn2+氧化為醌/半醌自由基，同時Zn2+被還原為Zn，迅速激活過硫酸銨產(chǎn)生SO4?·自由基，從而引發(fā)兩性離子甜菜堿（SBMA）和丙烯酸（AA）單體的快速凝膠化，最終成功獲得了具有優(yōu)異力學(xué)穩(wěn)定性、自粘附性和抗凍性能等多功能集成的“鹽包水”聚兩性離子水凝膠電解質(zhì)（PZHE）。這種“鹽包水型”PZHE可以提供大量的離子遷移通道，提高鋅金屬電極的可逆性，從而極大減少副反應(yīng)，延長循環(huán)壽命（圖1）。
圖1 基于自催化納米增強體系的自粘防凍PZHEs的設(shè)計策略
作者首先考察了自催化納米增強體系中的動態(tài)氧化還原反應(yīng)（圖2）。
圖2自催化納米增強體系中動態(tài)氧化還原反應(yīng)的表征
其次作者表征PZHEs的力學(xué)性能。結(jié)果表明PZHEs在超高力學(xué)強度方面的優(yōu)越性，能夠承受極大變形和嚴重機械沖擊，從而保護構(gòu)建的ZIHC免受嚴重機械變形的影響（圖3）。
展開 
《ACS Nano》基于纖維素納米纖維的太赫茲雙折射的導(dǎo)電仿生氣凝膠
仿生，層狀和高度多孔的過渡金屬碳化物（
MXene）嵌入的纖維素納米纖維（CNF）氣凝膠通過便捷的雙向冷凍干燥方法組裝而成。生物聚合物氣凝膠具有大規(guī)模，平行定向的微米級孔隙，并具有出色的機械強度和柔韌性，可調(diào)節(jié)的電性能以及低密度（2.7–20 mg/cm
3
）。有效利用CNF，MXene和層狀孔，使氣凝膠在太赫茲（THz）范圍內(nèi)具有異常高的雙折射性。
在0.4 THz時，雙折射值高達0.09-0.27，可與大多數(shù)商業(yè)THz雙折射材料（如液晶）相比較，后者易崩解，成本高且制備過程復(fù)雜。
不同MXene含量的經(jīng)驗?zāi)? 型以及與銀納米線或碳納米管嵌入的
CNF氣凝膠的實驗比較表明，嵌入的納米材料的固有電導(dǎo)率和含量，氣凝膠孔隙率和層狀細胞壁會影響光學(xué)性質(zhì)，例如太赫茲雙折射和吸收。
生物聚合物氣凝膠中光學(xué)各向異性的確定為進一步探索超輕，獨立和低成本仿生多孔結(jié)構(gòu)基于THz器件奠定了基礎(chǔ)。
【主圖導(dǎo)讀】
圖
1.
（a）由可再生生物質(zhì)制備CNF的示意圖，以及（b）CNF的TEM圖像。（c）TEM（插圖顯示MXene水分散體）和（d）制備的MXene層的AFM圖像，在橫截面位置具有相應(yīng)的高度輪廓插圖。（e）混合的CNF/MXene前驅(qū)體分散體和相應(yīng)的凍干層狀多孔支架的冷凍過程，該層狀多孔支架具有大規(guī)模排列的層狀孔/細胞壁。（f）密度為20 mg/cm
3
的層狀多孔MXene/CNF氣凝膠和（g）相應(yīng)的MXene嵌入的CNF雜化細胞壁（e，底部）的SEM圖
像。
展開 北京林業(yè)大學(xué)ACS Nano：高韌MXene/納米纖維素復(fù)合電磁屏蔽紙
作為最豐富的可再生天然聚合物，纖維素是地球上取之不盡用之不竭的高分子化合物。纖維素納米纖維（CNFs）具有一維（1D）納米結(jié)構(gòu)，高的機械強度和柔韌性，通常被用作復(fù)合材料的增強體。然而，目前并沒有關(guān)于d-Ti3C2Tx與CNF復(fù)合制備電磁屏蔽紙的相關(guān)報道。因此，制備具有增強力學(xué)性能和電磁屏蔽性能的d-Ti3C2Tx/CNF復(fù)合紙具有重要意義。
【成果簡介】
近日，北京林業(yè)大學(xué)馬明國教授課題組利用抽濾自組裝的工藝制備了具有貝殼層狀結(jié)構(gòu)的超薄和高柔韌性的d-Ti3C2Tx/CNFs復(fù)合紙。通過1D CNFs和2D d-Ti3C2Tx的相互作用，成功地實現(xiàn)了d -Ti3C2Tx/CNF復(fù)合紙的增強增韌，獲得了高拉伸強度（高達135.4 MPa）和斷裂應(yīng)變（高達16.7%），具有良好的耐折性能。此外，d-Ti3C2Tx/CNF復(fù)合紙在超薄厚度下具有高的導(dǎo)電性和優(yōu)異的電磁屏蔽效率。所得復(fù)合紙在12.4GHz處電磁屏蔽效率可達25.8dB，完全滿足商業(yè)屏蔽需求。優(yōu)異的力學(xué)性能和電磁屏蔽性能的完美結(jié)合，使得該1D/2D二元復(fù)合紙在柔性電子設(shè)備、武器裝備和機器人關(guān)節(jié)等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用潛力。新型復(fù)合電磁屏蔽紙不僅完全保留了傳統(tǒng)紙張的特性，拓展了紙張的新用途，而且使用的納米纖維素來源于農(nóng)業(yè)廢棄物蒜皮，實現(xiàn)了變廢為寶，有利于自然資源的保護。該項工作開辟了生物質(zhì)資源化、功能化、高值化以及循環(huán)利用新途徑。本研究為設(shè)計和制備集成多功能柔性MXene/CNFs復(fù)合紙?zhí)峁┝艘环N有效的策略，可應(yīng)用于柔性可穿戴設(shè)備、武器裝備和機器人關(guān)節(jié)等各個領(lǐng)域。
展開 豐田86跑車采用納米纖維素制零部件 車體減重40%
據(jù)外媒報道，日本環(huán)境省（Ministry of the Environment）納米纖維素車輛項目（NCV (Nano-Cellulose Vehicle) Project）成功研發(fā)了一款由纖維素納米纖維（CNF）制成的跑車。
該項目旨在盡可能地使用由纖維素納米纖維制成的汽車零部件替換掉主要由鋼材制成的汽車車身部件。豐田汽車公司的86緊湊型跑車就是該項目實施計劃的目標之一。纖維素納米纖維是一種由木材制成的新型輕質(zhì)強力材料，汽車領(lǐng)域正在加速其商業(yè)化進程。
最新研發(fā)的基于纖維素納米纖維的零部件包括豐田86跑車的前車蓋、行李箱蓋、上邊梁、座椅靠背、進氣歧管、車門飾件、發(fā)動機罩等。特別是前車蓋和行李箱蓋等大型部件更引人注目，因為大型部件很難成形并且需要新型生產(chǎn)技術(shù)，減輕此類部件的重量可產(chǎn)生很大的影響。
基于纖維素納米纖維制造的前車蓋質(zhì)量為8千克，比現(xiàn)有的鋼制前車蓋（質(zhì)量為14千克）輕40%。該前車蓋具三層結(jié)構(gòu)，發(fā)泡聚氨酯層（核心材料）夾在內(nèi)層和外層之間。發(fā)泡聚氨酯層的厚度約為10mm，而內(nèi)層和外層厚度分別為1mm（總厚度約為12mm），纖維素納米纖維就主要用于內(nèi)層和外層。最新研發(fā)的目的就是將部件成形時間從大約30分鐘縮短至不到10分鐘。
另一方面，基于纖維素納米纖維制造的行李箱蓋使用由纖維素納米纖維制成的蜂窩紙作為核心材料，夾在纖維素納米纖維板之間，此類結(jié)構(gòu)稱為“纖維素納米纖維蜂窩夾芯板”。所有行李箱蓋部件僅由纖維素納米纖維制成，其質(zhì)量僅為約0.7千克。具纖維素納米纖維蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)的行李箱蓋通過增加厚度，提升了剛性。此外，因具空氣層，該行李箱蓋還具有獨特的隔音和隔熱性能。豐田目前正在提升其防水性能，因為不防水也是行李箱蓋的問題之一。
來源：蓋世汽車
展開 不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒團隊《AFM》：“雙冰模板”組裝的多功能超彈性納米纖維素氣凝膠
最近，纖維素納米纖維，被廣泛用于構(gòu)建高比表面積和優(yōu)異力學(xué)性能的氣凝膠。由于高比表面積和豐富的官能團，通過冷凍干燥納米纖維懸浮液可以制備超輕纖維素氣凝膠，顯示出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性和機械性能。雖然納米纖維素氣凝膠具有良好的壓縮性，可壓縮90%以上的應(yīng)變而不斷裂，但壓縮后的氣凝膠回彈性較差，無法從壓縮狀態(tài)恢復(fù)，嚴重限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此如何構(gòu)建超彈性氣凝膠通用策略，對拓寬氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。
加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒團隊巧妙的利用“雙冰模板組裝”（DITA）策略，(i)在-196 ℃ 溫度下，將TEMPO氧化的CNF（3-5nm寬和500-1000nm長）組裝成具有改善彈性的亞微米纖維（100-200nm寬）；（ii）通過在-20 ℃下冷凍亞微米纖維，構(gòu)建多級層狀纖維結(jié)構(gòu)，以增強彈性。超彈纖維素氣凝膠具有超低密度（2-20 mg/cm3），在室溫和極冷環(huán)境環(huán)境條件（-196°C）下都具有優(yōu)異的彈性和形狀恢復(fù)性能，以及低導(dǎo)熱性（0.023 W/m·K）。此外，超彈纖維素氣凝膠可通過與有機硅烷化學(xué)氣相沉積技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷畾饽z（接觸角164°），表現(xiàn)出卓越的油和有機溶劑的吸附性能（氯仿吸附量高達其自身重量的489倍）以及高效的油/水分離和自清潔性能。這種新的DITA策略提供了一種基于生物基納米材料的超彈性氣凝膠的通用方法， 并且對其衍生的高性能多功能彈性氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域有一定指導(dǎo)意義。
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