Double-interpenetrating nanostructured networks of marine polysaccharides possessing properties comparable to synthetic polymers

材料科学 褐藻酸 聚合物 生物高聚物 复合材料 产量(工程) 极限抗拉强度 聚乳酸 弹性模量 化学工程 纤维素 化学 生物化学 工程类
作者
Faycel Ghrissi,Yawei Gu,Venkatram Prasad Shastri
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:119 (42): e2204073119-e2204073119 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2204073119
摘要

Sustainable circular economy requires materials that possess a property profile comparable to synthetic polymers and, additionally, processing and sourcing of raw materials that have a small environmental footprint. Here, we present a paradigm for processing marine biopolymers into materials that possess both elastic and plastic behavior within a single system involving a double-interpenetrating polymer network comprising the elastic phase of dynamic physical cross-links and stress-dissipating ionically cross-linked domains. As a proof of principle, films possessing more than twofold higher elastic modulus, ultimate tensile strength, and yield stress than those of polylactic acid were realized by blending two water-soluble marine polysaccharides, namely alginic acid (Alg) with physically cross-linkable carboxylated agarose (CA) followed by ionic cross-linking with a divalent cation. Dried CAAlg films showed homogeneous nano-micro-scale domains, with yield stress and size of the domains scaling inversely with calcium concentration. Through surface activation/cross-linking using calcium, CAAlg films could be further processed using wet bonding to yield laminated structures with interfacial failure loads (13.2 ± 0.81 N) similar to the ultimate loads of unlaminated films (10.09 ± 1.47 N). Toward the engineering of wood-marine biopolymer composites, an array of lines of CAAlg were printed on wood veneers (panels), dried, and then bonded following activation with calcium to yield fully bonded wood two-ply laminate. The system presented herein provides a blueprint for the adoption of marine algae-derived polysaccharides in the development of sustainable high-performance materials.
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