Adv. Mater.： 超强超硬纤维素纳米纤维

Kevin 7年前 (2017-08-02) 11229浏览

【引言】

具有数十至数百微米直径和长长的纤维具有出色的机械性能，在高压容器，航空航天，能源应用甚至可穿戴电子设备等恶劣环境中引起了人们极大的兴趣。迄今为止，主要通过合成聚合物基纤维来实现非凡的机械性能。虽然诸如植物木质纤维素和动物蛋白纤维等天然纤维已经存在千年之久，但由于相对较差的机械性能期应用受到限制。其应用在很大程度上受到相对较弱的机械性能的限制。因此，提高材料的机械性能是紧迫的问题，因此，急需提高天然纤维机械性能以扩大其应用范围，并且减少对基于石油的合成纤维的依赖。例如，纤维素纳米纤维沿轴向的高度取向使其具有极高的强度和刚度，在未来高性能生物材料和纺织品等领域具有重要的潜在应用价值，因此也备受关注。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学胡良兵（通讯作者）在Advanced Materials发表了“Super-Strong, Super-Stiff Macrofibers with Aligned, Long Bacterial Cellulose Nanofibers” 的文章。研究人员通过革兰氏阴性细菌醋杆菌可以沿着纵向细胞表面的线性纤维素合成TC将葡萄糖聚合成纤维素链，产生≈1.5nm宽的16-链亚元素原纤维，然后结晶成30-50nm宽和4-5nm厚的带状细菌纤维素细丝。细菌纤维素具有≈1-9μm的纳米纤维，聚合度高达14000-16000和高结晶度（84-89％），使其成为制造大型纤维的构件材料的理想选择。通过简便且可伸缩的湿法拉伸和湿法扭曲法制备的超细细菌纤维素纳米纤维制成的超强超硬纤维素纤维。所得的细菌纤维素大分子纤维由于纳米纤维沿纤维轴线的长度和取向而产生高抗拉强度（826MPa）和杨氏模量（65.7GPa）。超细纤维的比拉伸强度高达598 MPag-1cm3，甚至比新型轻质钢（227MPag-1cm3）更强。

【图文导读】

图1 湿法拉伸和湿捻法制备超强超硬纤维素纤维的过程及表征

（a）超强超细纤维素超细纤维制造的示意图；

（b）在随机排列的细菌纤维素纳米纤维网络中缠绕醋杆菌的顶视图；

（c）超强超级细菌纤维素大分子纤维顶视图；

（d）超强超级细菌纤维素大分子纤维的侧视图。

图2 细菌纤维素大分子纤维的SEM图像

（a），（b）扭曲细菌纤维素大分子纤维的表面形态；

（c），（d）湿法拉伸的细菌纤维素大分子纤维表面形态；

（e）拉伸细菌纤维素超细纤维的侧视图；

（f）超强SAXS图案和超刚性细菌纤维素大纤维。

图3 细菌纤维素大分子纤维的机械性能

（a）细菌纤维素微纤维在张力下的应力-应变曲线；

（b）BC-0断裂面的SEM图像；

（c），(d）BC-30断裂面的SEM图像；

（e）与纤维素基大分子纤维和天然丝相比，极限拉伸强度；

（f）与天然纤维素纤维，再生纤维素微纤维和新型轻质钢材料相比，具体的极限强度与特定的杨氏模量。

图4 大型纤维的扭曲的细菌纤维素纱线的SEM图像

（a）将细菌纤维素微纤维扭转成纱线加工的照片；

（b）由一至五个宏观纤维（从左到右）组成的扭曲细菌纤维素纱的照片；

（c）一个，（e）两个，（g）三个，（i）四个（k）五个宏观纤维所得细菌纤维素纱线的表面形态及对应的横截面形态（d），（f），（h），（j）和（i）。

图5 细菌纤维素大纤维的大尺度和可染色性能

（a）醋酸醋杆菌在静态浸渍培养条件下产生细菌纤维素，5天后生长厚度为5mm的细菌纤维素薄膜；

（b）卷绕直径为300μm的超长细菌纤维素纤维的照片；

（c）细菌纤维素弹簧；

（d）在室温下浸泡在甲基蓝溶液中容易地染成蓝色；

（e）细菌纤维素纤维通过针插入，可以像线一样被捆扎。

【小结】

研究人员展示了完全由超细细菌纤维素纳米纤维制成的高性能大分子纤维。湿法拉伸导致层次对齐和湿捻增强了间隙氢键并减少了丝间隙。细纤维素大纤维在整体宏观纤维素纤维材料中达到了记录的抗拉强度（达826Mpa），特别是36.4GPa g-1 cm3的特殊杨氏模量优于低密度金属。另外，细菌纤维素纱线可以通过扭转各种宏观纤维来获得，大纤维在工业上具有很大的可伸缩性，可以很容易地染色。这项工作展示了从纤维素原料生产高强度长丝的可能性，用于未来生产高性能生物复合材料和纺织品生产，以及生物医药和纳米流体的新应用。

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

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