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華南理工大學(xué)彭新文教授團隊《Adv. Funct. Mater.》:納米纖維素衍生柔性功能材料
2023-02-25  來源:高分子科技
關(guān)鍵詞:納米纖維素 柔性材料


  近年來,柔性功能材料在便攜式電子設(shè)備、醫(yī)療系統(tǒng)、通信與傳感系統(tǒng)、人機交互和仿生智能機器人等方面的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。因此,研究人員正致力于設(shè)計具有特定功能、便攜性、操作安全性和生物相容性的柔性材料。考慮到環(huán)境污染和未來石化資源的枯竭,從纖維素、木質(zhì)素、殼聚糖等可再生資源中開發(fā)低成本、綠色環(huán)保的柔性材料成為人們關(guān)注的焦點。其中,纖維素是地球上最豐富的可再生聚合物,具有產(chǎn)量豐富、無毒、可生物降解性和化學(xué)結(jié)構(gòu)可修飾等特點。納米纖維素作為纖維素的一種特殊形態(tài),不僅具有纖維素的上述優(yōu)點,而且還具有較高的機械強度、結(jié)構(gòu)柔韌性以及可調(diào)節(jié)的自組裝行為等特性,在構(gòu)建柔性功能材料方面具有獨特的優(yōu)勢:1)納米纖維素具有高的長徑比、優(yōu)越的力學(xué)性能和豐富的官能團,可以組裝成不同形態(tài)的柔性材料;2)表面官能團為化學(xué)修飾提供了多種可能性,進而為結(jié)構(gòu)單元之間的交聯(lián)提供更多的位點,有利于增強相互作用,提高機械強度;3)高的長徑比和比表面積為納米纖維素與其他構(gòu)建單元的復(fù)合提供了機會,從而有利于設(shè)計多種功能的柔性復(fù)合材料。


  最近,華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室彭新文教授團隊系統(tǒng)地概述了納米纖維素基柔性材料的設(shè)計、制備和應(yīng)用的最新進展。首先,簡要介紹了納米纖維素的制備、結(jié)構(gòu)和特性(圖1。其次,綜述了納米纖維素基柔性材料的研究現(xiàn)狀,根據(jù)納米纖維素的固有特性,重點介紹了納米纖維素在柔性材料構(gòu)建中的重要作用。第三,全面地概述了柔性材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用,包括儲能與轉(zhuǎn)換、電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、傳感器、阻火、隔熱等(圖2。最后,討論了納米纖維素柔性材料目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展前景。 


納米纖維素的分級結(jié)構(gòu)及其形貌 


納米纖維素基柔性材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

  納米纖維素因其優(yōu)異的特性,通過各種先進技術(shù)開發(fā)出不同形態(tài)的柔性功能材料(圖3bc)。系統(tǒng)地了解結(jié)構(gòu)、功能和性能之間的關(guān)聯(lián),對于優(yōu)化納米纖維素在柔性材料中的設(shè)計具有重要意義為此,該綜述總結(jié)了納米纖維素柔性材料的結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系(圖3a):1納米纖維素具有生物降解性和生物相容性,是開發(fā)可降解生物醫(yī)學(xué)、生物傳感器或食品包裝材料的理想前驅(qū)體;2考慮到其優(yōu)異的力學(xué)性能納米纖維素可以作為納米構(gòu)建單元用于開發(fā)高強度的自支撐材料,也可以作為增強劑/填料用于增強復(fù)合柔性材料的力學(xué)性能3納米纖維素具有較高的長徑比和豐富的分子內(nèi)和分子間氫鍵,可組裝成獨立的、具有互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的1D纖維、2D薄膜/紙和3D塊體材料,是儲能、電子、生物醫(yī)學(xué)工程、傳感器等領(lǐng)域柔性襯底的理想材料4納米纖維素表面具有豐富的羥基,易于通過特定的化學(xué)改性處理或與其他功能組分復(fù)合,通過合理設(shè)計納米纖維素柔性材料的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)復(fù)合材料中功能組分的比例、調(diào)整制備策略實現(xiàn)可控調(diào)節(jié)納米纖維素基柔性材料的理化性能,提高其應(yīng)用性能5納米纖維素具有尺度、比表面積大、熱穩(wěn)定性好等特點,可用于制備具有可控多孔結(jié)構(gòu)的薄膜/紙,在電池隔膜或電子器件等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景6納米纖維素具有高的碳含量,是合成柔性碳材料的良好前驅(qū)體,通過進一步功能化,可用于物理傳感、儲能、吸附與凈化阻火電磁屏蔽等領(lǐng)域。 


納米纖維素柔性材料的結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系和制備方法


  考慮到納米纖維素固有的柔性和高長徑比,在不添加其他構(gòu)建單元的情況下,單一的納米纖維素可以直接組裝成柔性材料(圖4。從細菌中獲得的細菌纖維素(BC膜具有很高的柔性和強度,可以直接干燥制備薄膜和氣凝膠或扭曲成微纖維。純纖維素納米晶(CNC薄膜或3D塊體可通過氫鍵和物理/化學(xué)交聯(lián)獲得由于具有更高的長徑比和柔性纖維素納米纖維(CNFCNC更容易形成納米纖維素柔性材料。 


4 納米纖維素柔性材料


  盡管單一的納米纖維素可以直接組裝柔性材料,但其功能和應(yīng)用較為有限。為了使納米纖維素基柔性材料具有特定功能,并擴大其應(yīng)用范圍,可將納米碳材料(如石墨烯、碳納米管、量子點等)(圖56、有機聚合物(圖7)、無機物(圖8)、MXeneMOF(圖9其他組分與納米纖維素進行復(fù)合,進而調(diào)控復(fù)合柔性材料導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、光學(xué)性能、阻燃性等理化性能 


納米纖維素和石墨烯復(fù)合柔性材料 


納米纖維素和碳納米管復(fù)合柔性材料
 

納米纖維素和有機聚合物復(fù)合柔性材料
 

納米纖維素和無機物復(fù)合柔性材料
 

納米纖維素和MXeneMOF復(fù)合柔性材料

  隨后,該綜述對納米纖維素及其復(fù)合柔性材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用進行了系統(tǒng)的介紹,如電化學(xué)儲能(如超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池和金屬空氣電池)(圖10)、電子器件(如納米發(fā)電機、光伏器件)(圖11)、傳感(如物理和化學(xué)傳感)(圖12)、生物醫(yī)藥(如抗菌材料傷口愈合組織工程)隔熱(圖13)、阻燃、電磁屏蔽、光子材料等。 


10 納米纖維素柔性材料在鋰離子電池的應(yīng)用


11 納米纖維素柔性材料在納米發(fā)電機的應(yīng)用


 12 納米纖維素柔性材料在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用


 13 納米纖維素柔性材料在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用


  雖然納米纖維素在柔性功能材料的設(shè)計與應(yīng)用方面已經(jīng)取得了很大的進展,但仍存在部分挑戰(zhàn)需要解決。首先,目前大規(guī)模獲得高質(zhì)量、物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)可控的納米纖維素仍然較為困難,限制了納米纖維素的工業(yè)化應(yīng)用。因此,應(yīng)致力于開發(fā)新的方法和加工設(shè)備,以可持續(xù)和高效的方式實現(xiàn)納米纖維素的大規(guī)模生產(chǎn)。此外,納米纖維素基柔性材料的制備策略如冷凍干燥和濕法紡絲存在耗時長或成本較高等問題,這可能會限制納米纖維素基材料的實際應(yīng)用。為此,需要開發(fā)更連續(xù)大規(guī)模的制備技術(shù)。其次,表面和界面工程已被廣泛應(yīng)用于柔性材料的構(gòu)建,但表、界面工程對材料性能的影響尚未得到很好的揭示,因此需要開展基礎(chǔ)研究,為后續(xù)研究提供理論指導(dǎo)。第三,目前研究大多僅涉及納米纖維素基材料的某一功能化,其在集成系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用尚未得到很好的開發(fā)。因此,納米纖維素柔性材料在集成系統(tǒng)中的實際性能有待進一步研究,且需要開發(fā)具有多種功能的納米纖維素基材料,促進其在可穿戴設(shè)備、電子皮膚、健康監(jiān)測等領(lǐng)域的集成應(yīng)用。最后,雖然納米纖維素具有可生物降解性和生物相容性,但部分納米纖維素柔性復(fù)合材料是通過與不可生物降解的組分復(fù)合構(gòu)建的,這限制了其在生物醫(yī)學(xué)或生物傳感器方面的潛在應(yīng)用。為此,應(yīng)考慮采用更環(huán)保的材料如聚乳酸、聚己內(nèi)酯或蛋白質(zhì))用于納米纖維素復(fù)合柔性材料開發(fā)。


  該工作以“Advanced flexible materials from nanocellulose為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202214245

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