Новые типы сверхпрочных пластиков и композитов на основе нанокристаллов целлюлозы

11.05.2022

Исследователи из Массачусетского технологического института недавно представили свои работы: одна связана с новым типом легкого сверхпрочного пластика, а другая  - с композитом, состоящим из нанокристаллов целлюлозы, смешанных с небольшим количеством синтетического полимера.

Первый проект предполагает использование нового процесса полимеризации для создания нового материала, который, по словам исследователей, прочнее стали, легкий, как пластик, и его можно легко производить в больших количествах. Это двумерный полимер, который самостоятельно собирается в лист, называемый полиарамидом. Этот материал не похож на все другие полимеры, которые образуют одномерные спагетти-подобные цепи. До сих пор, утверждает Массачусетский технологический институт, ученые считали невозможным заставить полимеры формировать двумерные листы.

По словам Майкла Страно, профессора Carbon P. Dubbs, этот совершенно новый тип пластика, которому они дали резкое название 2DPA-1, в два раза прочнее стали при испытаниях под нагрузкой. Ведущим автором нового исследования является постдокторант отделения химического машиностроения Массачусетского технологического института Ювен Цзэн.  Исследовательская работа была опубликована 2 февраля в журнале Nature. 

Исследователи утверждают, что материал является газонепроницаемым и также  может проводить электричество. Такой материал, отмечает Страно, можно было бы использовать в качестве легкого и прочного покрытия для деталей автомобилей или сотовых телефонов, а также в качестве строительного материала для мостов или других сооружений.

В интервью для Fast Company Страно объясняет это так:  2DPA-1 упорядочивает свои полимеры в виде плоских дисков.  Выложенные подобно листу бумаги толщиной в одну молекулу, эти диски соединяются друг с другом водородной связью, - самой прочной межмолекулярной связью в природе. Страно сравнил его с «2D кевларом».

Еще одно большое потенциальное преимущество 2DPA-1 заключается в том, что его можно относительно легко производить в больших количествах почти так же, как и другие пластики.

------------------------

Между тем,  директор Лаборатории производства и производительности Массачусетского технологического института и директор Центра аддитивных и цифровых передовых производственных технологий, профессор  А. Джон Харт и его команда опубликовали результаты своей работы с композитами  в журнале Cellulose 10 февраля.

Он и его исследовательская группа разработали композит, который на 60-90% состоит из нанокристаллов целлюлозы (CNC), что, как говорят, является самой высокой долей CNC, достигнутой на сегодняшний день в составе композита.

В своем отчете они заявляют, что «благодаря своим исключительным механическим и химическим свойствам и их естественному распространению, нанокристаллы целлюлозы являются многообещающими строительными блоками устойчивых полимерных композитов. Однако быстрое гелеобразование дисперсий CNC обычно ограничивает композиты на основе CNC низким содержанием фракций CNC, в которых полимер остается доминирующей фазой. Здесь мы сообщаем о рецептуре и обработке сшитых CNC-эпоксидных композитов с фракцией CNC, превышающей 50 мас.%».

Харт и его команда утверждают, что новый композит на основе целлюлозы прочнее и жестче, чем некоторые типы костей, а также тверже, чем обычные алюминиевые сплавы, такие как арамидное волокно DuPont Kevlar. Они заявляют, что их рецепт для этого композита может быть изготовлен с использованием как 3D-печати, так и обычного литья. По сути, по словам команды, они «в основном разобрали дерево и реконструировали его».

Цель исследователей состояла в том, чтобы разработать композит с высокой долей CNC, которому они могли бы придавать прочные и долговечные формы. Composites World цитирует слова Харта: «Создавая композиты с CNC при высоких нагрузках, мы можем придать материалам на основе полимеров механические свойства, которых у них раньше не было. Если мы сможем заменить пластик на нефтяной основе целлюлозой природного происхождения, возможно, это будет лучше и для планеты».

Источник: https://knowledge.ulprospector.com/