Self-aligned integration of native cellulose nanofibrils towards producing diverse bulk materials

纤维素 材料科学 纳米技术 纳米尺度 聚合物 自愈水凝胶 纳米复合材料 蒸发 化学工程 复合材料 高分子化学 热力学 物理 工程类
作者
Tsuguyuki Saito,Takafumi Uematsu,Satoshi Kimura,Toshiharu Enomae,Akira Isogai
出处
期刊:Soft Matter [Royal Society of Chemistry]
卷期号:7 (19): 8804-8804 被引量:311
标识
DOI:10.1039/c1sm06050c
摘要

In living organisms, nanoscale building blocks are well organized into a nearly defect-free arrangement, leading to sophisticated hierarchical structures that exhibit high mechanical strengths and functionalities. Cellulose nanofibrils are representative building blocks in nature and have raised great interest as excellent structural materials, originating from the most abundant bioresource, wood biomass. Here, we report integration controls of the cellulose nanofibrils that have been completely dispersed in water through the specific surface-carboxylation using 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO) as a catalyst. The dispersed nanofibrils spontaneously align in water. The integration controls of the self-aligned nanofibrils, i.e., careful adjustment of the pH and evaporation of the solvent in the nanofibril dispersions, produce a wide range of artificial bulk materials with outstanding properties. Examples include unprecedentedly stiff hydrogels that are freestanding with a water content of 99.9%, ultralow-density, tough aerogels with large surface areas, and transparent films with exceptionally high oxygen-barrier properties. These materials are expected to further develop as robust frameworks of polymer nanocomposites or high-capacity supports of catalysts and the other functional materials. For the sustainable development of society, we propose a methodology for producing sophisticated, high-performance bio-based materials.
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