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多模态熔融加工双折射纤维素材料用于环保防伪

期刊:Advanced MaterialsDOI:10.1002/adma.202407170

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创研究。以下是针对该研究的学术报告:


作者及研究机构:
本研究由Xinkai Li、Xiaoyan Qiu、Xin Yang、Peng Zhou、Quanquan Guo和Xinxing Zhang*共同完成。Xinkai Li、Xiaoyan Qiu、Xin Yang、Peng Zhou和Xinxing Zhang来自四川大学高分子材料工程国家重点实验室,Quanquan Guo则来自德国马克斯·普朗克微结构物理研究所。该研究于2024年7月8日发表在《Advanced Materials》期刊上,DOI编号为10.1002/adma.202407170。

学术背景:
本研究的主要科学领域是材料科学,特别是生物基纤维素材料在防伪技术中的应用。防伪材料在现代社会中不可或缺,但其大规模使用带来了严重的环境负担。传统防伪材料通常依赖于不可降解的化石碳成分和溶剂残留,增加了环境风险。因此,研究团队提出了一种基于生物基纤维素材料的新型防伪方案,旨在实现绿色、可持续的防伪材料生产、回收和处理。纤维素材料具有独特的双折射(birefringence)光学特性,但其溶剂无加工(solvent-free processing)仍面临挑战。本研究通过动态化学修饰策略,实现了纤维素材料的多模态熔融加工,解决了长程有序结构与分子运动性之间的矛盾。

研究流程:
研究分为以下几个主要步骤:

  1. 材料设计与合成:
    研究团队首先对纤维素进行化学修饰,通过引入醚基和酯基削弱其强氢键结构,同时引入动态二硫键(disulfide bonds)以实现热激活的可逆交联。具体而言,通过酯化反应将纤维素与马来酸酐(maleic anhydride)反应,生成酯化纤维素(mHPC),再与硫辛酸(lipoic acid, LA)进行逆硫化共聚(inverse vulcanization copolymerization),形成动态共价交联的纤维素材料(mHPCx-LAy)。

  2. 多模态熔融加工:
    研究团队开发了多种溶剂无熔融加工技术,包括模具压制(mold-pressing)、熔融纺丝(melt spinning)、直接墨水书写(direct-ink-writing, DIW)和刮刀涂布(blade-coating)。这些技术允许纤维素材料在不同应力场下实现定向排列,并通过动态二硫键锁定其空间拓扑结构。

  3. 材料表征:
    研究团队通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)、拉曼光谱(Raman)、广角X射线衍射(WAXD)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对材料的结构进行了详细表征。此外,还通过热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)和流变学测试评估了材料的热性能和加工性能。

  4. 光学与力学性能测试:
    研究团队通过偏振光学显微镜和CIE 1931色度图研究了材料的双折射特性及其可调性。同时,通过拉伸测试评估了材料的机械性能,包括拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量。

  5. 防伪应用验证:
    研究团队展示了纤维素材料在防伪领域的多种应用,包括可定制光学图案、角度相关光学图案和加密编码。此外,还通过土壤埋藏实验验证了材料的生物降解性。

主要结果:
1. 材料设计与合成:
动态二硫键的引入使纤维素材料在热激活下能够实现可逆重构和定向锁定,从而平衡了长程有序结构与分子运动性之间的矛盾。

  1. 多模态熔融加工:
    模具压制、熔融纺丝、直接墨水书写和刮刀涂布技术成功实现了纤维素材料的多模态加工,材料表现出宽色域、高自修复效率(94.5%)、可回收性和生物降解性。

  2. 材料表征:
    FTIR和NMR结果表明,酯化反应和逆硫化共聚反应成功进行。WAXD和XPS分析证实了动态二硫键的形成及其在材料结构中的作用。

  3. 光学与力学性能:
    材料在偏振光下表现出可调的光学干涉色,拉伸测试表明材料具有高韧性(5.35 MJ m⁻³)和断裂伸长率(523.27%)。

  4. 防伪应用:
    材料可用于构建智能织物和标签,实现信息存储和防伪功能。土壤埋藏实验表明,材料在100天内几乎完全降解,表现出优异的生物降解性。

结论:
本研究通过动态化学修饰策略成功开发了一种具有多模态熔融加工能力的双折射纤维素材料,解决了传统纤维素材料在加工性和定向可调性之间的不兼容问题。该材料在防伪领域展示了广阔的应用前景,同时具有自修复、可回收和生物降解等可持续特性。研究为纤维素材料的绿色加工和防伪材料的可持续发展提供了重要参考。

研究亮点:
1. 通过动态二硫键实现了纤维素材料的可逆重构和定向锁定,解决了长程有序结构与分子运动性之间的矛盾。
2. 开发了多种溶剂无熔融加工技术,包括模具压制、熔融纺丝、直接墨水书写和刮刀涂布,实现了纤维素材料的多模态加工。
3. 材料表现出宽色域、高自修复效率、可回收性和生物降解性,展示了其在防伪领域的重要应用价值。

其他有价值的内容:
研究团队还通过土壤埋藏实验验证了材料的生物降解性,表明其在环境友好性方面的显著优势。此外,材料的自修复能力和可回收性进一步增强了其在实际应用中的可持续性。


以上是对该研究的详细报告,全面介绍了其背景、流程、结果、结论及亮点。

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