Adv. Mater.： 超強超硬纖維素納米纖維

Kevin 6年前 (2017-08-02) 10330瀏覽

【引言】

具有數十至數百微米直徑和長長的纖維具有出色的機械性能，在高壓容器，航空航天，能源應用甚至可穿戴電子設備等惡劣環境中引起了人們極大的興趣。迄今為止，主要通過合成聚合物基纖維來實現非凡的機械性能。雖然諸如植物木質纖維素和動物蛋白纖維等天然纖維已經存在千年之久，但由于相對較差的機械性能期應用受到限制。其應用在很大程度上受到相對較弱的機械性能的限制。因此，提高材料的機械性能是緊迫的問題，因此，急需提高天然纖維機械性能以擴大其應用范圍，并且減少對基于石油的合成纖維的依賴。例如，纖維素納米纖維沿軸向的高度取向使其具有極高的強度和剛度，在未來高性能生物材料和紡織品等領域具有重要的潛在應用價值，因此也備受關注。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學胡良兵（通訊作者）在Advanced Materials發表了“Super-Strong, Super-Stiff Macrofibers with Aligned, Long Bacterial Cellulose Nanofibers” 的文章。研究人員通過革蘭氏陰性細菌醋桿菌可以沿著縱向細胞表面的線性纖維素合成TC將葡萄糖聚合成纖維素鏈，產生≈1.5nm寬的16-鏈亞元素原纖維，然后結晶成30-50nm寬和4-5nm厚的帶狀細菌纖維素細絲。細菌纖維素具有≈1-9μm的納米纖維，聚合度高達14000-16000和高結晶度（84-89％），使其成為制造大型纖維的構件材料的理想選擇。通過簡便且可伸縮的濕法拉伸和濕法扭曲法制備的超細細菌纖維素納米纖維制成的超強超硬纖維素纖維。所得的細菌纖維素大分子纖維由于納米纖維沿纖維軸線的長度和取向而產生高抗拉強度（826MPa）和楊氏模量（65.7GPa）。超細纖維的比拉伸強度高達598 MPag-1cm3，甚至比新型輕質鋼（227MPag-1cm3）更強。

【圖文導讀】

圖1 濕法拉伸和濕捻法制備超強超硬纖維素纖維的過程及表征

（a）超強超細纖維素超細纖維制造的示意圖；

（b）在隨機排列的細菌纖維素納米纖維網絡中纏繞醋桿菌的頂視圖；

（c）超強超級細菌纖維素大分子纖維頂視圖；

（d）超強超級細菌纖維素大分子纖維的側視圖。

圖2 細菌纖維素大分子纖維的SEM圖像

（a），（b）扭曲細菌纖維素大分子纖維的表面形態；

（c），（d）濕法拉伸的細菌纖維素大分子纖維表面形態；

（e）拉伸細菌纖維素超細纖維的側視圖；

（f）超強SAXS圖案和超剛性細菌纖維素大纖維。

圖3 細菌纖維素大分子纖維的機械性能

（a）細菌纖維素微纖維在張力下的應力-應變曲線；

（b）BC-0斷裂面的SEM圖像；

（c），(d）BC-30斷裂面的SEM圖像；

（e）與纖維素基大分子纖維和天然絲相比，極限拉伸強度；

（f）與天然纖維素纖維，再生纖維素微纖維和新型輕質鋼材料相比，具體的極限強度與特定的楊氏模量。

圖4 大型纖維的扭曲的細菌纖維素紗線的SEM圖像

（a）將細菌纖維素微纖維扭轉成紗線加工的照片；

（b）由一至五個宏觀纖維（從左到右）組成的扭曲細菌纖維素紗的照片；

（c）一個，（e）兩個，（g）三個，（i）四個（k）五個宏觀纖維所得細菌纖維素紗線的表面形態及對應的橫截面形態（d），（f），（h），（j）和（i）。

圖5 細菌纖維素大纖維的大尺度和可染色性能

（a）醋酸醋桿菌在靜態浸漬培養條件下產生細菌纖維素，5天后生長厚度為5mm的細菌纖維素薄膜；

（b）卷繞直徑為300μm的超長細菌纖維素纖維的照片；

（c）細菌纖維素彈簧；

（d）在室溫下浸泡在甲基藍溶液中容易地染成藍色；

（e）細菌纖維素纖維通過針插入，可以像線一樣被捆扎。

【小結】

研究人員展示了完全由超細細菌纖維素納米纖維制成的高性能大分子纖維。濕法拉伸導致層次對齊和濕捻增強了間隙氫鍵并減少了絲間隙。細纖維素大纖維在整體宏觀纖維素纖維材料中達到了記錄的抗拉強度（達826Mpa），特別是36.4GPa g-1 cm3的特殊楊氏模量優于低密度金屬。另外，細菌纖維素紗線可以通過扭轉各種宏觀纖維來獲得，大纖維在工業上具有很大的可伸縮性，可以很容易地染色。這項工作展示了從纖維素原料生產高強度長絲的可能性，用于未來生產高性能生物復合材料和紡織品生產，以及生物醫藥和納米流體的新應用。

文獻鏈接：Super-Strong, Super-Stiff Macrofibers with Aligned, Long Bacterial Cellulose Nanofibers（Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201702498）

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