本帖最后由 搁浅 于 2025-9-29 08:22 编辑
随着全球对碳中和与绿色材料的关注不断升温，开发可再生、可降解的高性能聚合物材料已成为材料科学的前沿方向。英国女王大学贝尔法斯特分校的研究团队近日在《RSC Sustainability》上发表研究成果，展示了一种全生物基的聚酰胺弹性体/纤维素纳米晶（CNC）复合材料，为替代传统石油基弹性体提供了新的可能性。
一、研究背景：绿色材料的迫切需求传统合成弹性体多依赖于石化资源，难以降解，回收困难，对环境造成长期负担。为响应联合国可持续发展目标第12条“负责任消费与生产”，科研人员致力于开发生物基、可回收的高性能聚合物材料。其中，纤维素纳米晶（CNCs）因其高结晶度、高模量、可再生等优势，成为理想的纳米增强填料。
二、材料亮点：PA36,9与CNC的强强联合本研究采用了一种新型生物基聚酰胺弹性体PA36,9作为基体材料，具备以下优异性能：
- 高延伸率（>900%）
- 中等硬度（Shore D 35）
- 良好的疏水性
- 生物可降解性与热塑性
通过溶液浇铸法，将不同质量分数（5%、10%、15%）的CNC均匀分散于PA36,9基体中，形成全生物基纳米复合材料。
三、性能提升：力学与热性能的协同增强1. 力学性能显著增强- 杨氏模量最高提升82%，从22 MPa增至40.1 MPa；
- 硬度由35提升至45（Shore D）；
- 拉伸强度在10%和15% CNC含量下基本保持稳定；
- 延展性略有下降，但仍保持700%以上，具备良好的柔韧性。
增强机制主要归因于CNC的高刚度和高比表面积，以及与PA36,9之间形成的氢键界面作用。
2. 热性能调控- 玻璃化转变温度（Tg）：从15.3°C提升至17.9°C；
- 熔融温度（Tm）和结晶度（Xc）：略有下降，表明CNC对聚合物链段运动有一定限制；
- 热分解温度略有提升，表明复合材料热稳定性良好。
四、理论验证：Halpin–Tsai模型精准预测研究采用Halpin–Tsai模型对复合材料的杨氏模量进行理论预测，结果表明：
- 二维随机分布模型（2D）：与实验数据高度吻合；
- 三维分布模型（3D）：在高填料含量下偏差较大；
- 说明CNC在基体中主要呈平面随机分布，有利于力学增强。
五、应用前景：可持续材料的多元可能该PA36,9/CNC纳米复合材料具备以下优势：
- 全生物基、可再生、可热塑加工
- 力学性能可调，适用于中等硬度弹性体需求
- 具备注塑、挤出、电纺等多种成型潜力
潜在应用领域包括：
六、未来展望：绿色材料的下一站 研究团队指出，下一步将探索无溶剂熔融加工方法，提升材料的可持续性与规模化生产能力。同时，结合人工智能与材料基因组工程，有望实现复合材料性能的精准设计与快速筛选。
结语PA36,9/CNC生物基纳米复合材料的成功开发，不仅为传统弹性体提供了绿色替代品，也为高性能可持续材料的研发树立了新标杆。在追求碳中和与绿色制造的时代背景下，这类“来自自然、回归自然”的材料，将在未来产业中扮演越来越重要的角色。
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发表于 2025-9-29 08:20:53
