Bioinspired Design of Strong, Tough, and Thermally Stable Polymeric Materials via Nanoconfinement

韧性 材料科学 极限抗拉强度 聚合物 复合材料 热稳定性 纳米技术 比强度 复合数 化学工程 工程类
作者
Pingan Song,Jinfeng Dai,Guorong Chen,Youming Yu,Zhengping Fang,Weiwei Lei,Shenyuan Fu,Hao Wang,Zhi‐Gang Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (9): 9266-9278 被引量:178
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b04002
摘要

The combination of high strength, great toughness, and high heat resistance for polymeric materials is a vital factor for their practical applications. Unfortunately, until now it has remained a major challenge to achieve this performance portfolio because the mechanisms of strength and toughness are mutually exclusive. In the natural world, spider silk features the combination of high strength, great toughness, and excellent thermal stability, which are governed by the nanoconfinement of hydrogen-bonded β-sheets. Here, we report a facile bioinspired methodology for fabricating advanced polymer composite films with a high tensile strength of 152.8 MPa, a high stiffness of 4.35 GPa, and a tensile toughness of 30.3 MJ/m3 in addition to high thermal stability (69 °C higher than that of the polymer matrix) only by adding 2.0 wt % of artificial β-sheets. The mechanical and thermostable performance portfolio is superior to that of its counterparts developed to date because of the nanoconfinement and hydrogen-bond cross-linking effects of artificial β-sheets. Our study offers a facile biomimetic strategy for the design of integrated mechanically robust and thermostable polymer materials, which hold promise for many applications in electrical devices and tissue engineering fields.

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