Superstrong and Ultratough Hydroxyethyl Cellulose-Based Structural Materials Enabled by the Synergy of Microphase and Orientation

材料科学 结构材料 韧性 极限抗拉强度 复合材料 纤维素 工作(物理) 结构强度的尺寸效应 聚合物 纤维素乙醇 耐热性 方向(向量空间) 机械强度 结构变化 高温 结构完整性 压力(语言学) 透明度(行为) 弹性(物理) 纳米技术 各向异性 纳米尺度 纤维素纤维
作者
Bohan Lv,Zhikang Zheng,Guanglong Li,Jing Huang,Tao Li,Yang Wang,Shibo Wang,Xuhui Zhang,Weifu Dong
出处
期刊:ACS Macro Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 603-610
标识
DOI:10.1021/acsmacrolett.6c00088
摘要

Petroleum-based structural plastics are indispensable in industry and daily life but are environmentally problematic. Cellulose is an ideal ecofriendly polymer with abundant availability, renewability, and biodegradability, but it fails to serve as structural plastics due to the lack of combined high strength, toughness, and heat resistance. Herein, we report superstrong, ultratough, and heat-resistant cellulosic plastics through integrating abundant microphases (100–300 nm) and molecular orientation into cellulosic plastics, with the design principle that orientation can enhance the tensile strength and heat resistance based on the enhanced restriction on chain-segment motion while numerous small-sized microphases (100–300 nm) can force the motion of extensive oriented rigid chain-segments via serving as stress concentrators. The unique mechanism, integrating restricted chain-segment motion and forced chain-segment motion, is unprecedented, and enables the high strength (204.1 ± 10.8 MPa), high toughness (27.1 ± 1.6 MJ/m3) and high heat resistance (good shape retention after heating at 180 °C for 10 min) of cellulosic materials. Additionally, the resulting materials also possess good transparency and effective UV shielding. This work provides a new perspective for regulating chain-segment mobility and offers a promising pathway for developing sustainable alternatives to petroleum-based structural plastics.
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