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最新的三种高分子材料 报告人 张晴晴 透明木材 课题背景近日 美国马里兰大学的胡良兵副教授等人首先去除木头中有颜色的木素成分 然后填充光折射率匹配材料环氧树脂 实现了木头在光学上的透明 Hu的团队并不是研究透明木头这一领域的唯一团队 一些瑞典的科学家们也可以把一块木头里令人讨厌的木质填充替换成一种透明的聚合物 从而制造出一块透明的木头来 这和Hu的团队的处理方式看起来特别相似 都是先抽出一种物质 然后再填入新的物质 透明木材 木材的结构木材的最突出的特点是它们的结构各向异性 树干内部存在着许多垂直通道 用来输送水分及其他成分 中通管道内壁是3 5nm纤维素 原纤维的细胞 木质素 果胶 和其他成分 由于纤维素 半纤维素之间的强烈的相互作用 导致木材优异的机械性能 纤维素和半纤维素都是光学无色 但木质素却是深色的 在可见光范围内木材中的孔结构也导致大的光散射 因此 木材总是出现不透明的某些颜色 HighlyAnisotropic HighlyTransparentWoodComposites 透明木材 立题依据由于纤维素的纳米结构 具有优良的机械 光学性质等 这引起了研究者们极大的兴趣 又木材独特的微结构的被设计成为具有良好的功能性的材料 木材 聚合物 如磁木材 以及一些仿生结构已经被证明 基于上述背景 透明木材的想法就应运而生 透明木材可用在例如家具 汽车和光电子结构材料等领域 研究内容第一次研究通过除去有色木质素和填入折射率匹配的聚合物来实现高光学透明度各向异性透明 木质复合材料 透明木材 制备方法木质素去除 使用具有50毫米 50毫米的尺寸 厚度为3mm的木块 在制浆过程中使用的化学品和工艺在我们的实验中使用 简言之 将木块浸泡在沸腾的含氢氧化钠和亚硫酸钠 方法I 图2F 以溶解木质素 然后将木块转移到H2O2溶液对去除剩余的木质素 II过程 图2F 聚合物浸渗 木材除去木质素后放置在培养皿的底部与两种液体组分混合 300环氧树脂和 21nonblushing环族固化剂 然后将溶液在200帕脱气以除去气体和乙醇溶剂 约5分钟后 释放真空让树脂填充入木结构 重复3次该过程 所有上述方法均在30分钟内完成 以避免聚合物固化 最后 将含有木样品盘和树脂在30 下保持静止12小时 树脂完全固化后 树脂渗入木材样品从培养皿剥离 透明木材 图a为1型透明的木材 1型木由径向切割木材树干 其也被称为R 木材 木质素可以很容易地在R 木材中被去除而纤维素骨架结构保存 图b为2型木通过纵向切割木材行树干 其也被称为L 木材 透明木材 a 来说明两种类型的木块可以从树干 其中所述径向切片被命名为 R 和纵向 L b 在R 木材 在木材的管腔是垂直向的平面 c 在L 木材 管腔是沿平面方向 d R 木材的SEM图像 e L 木材的SEM图像 显示出它的长通道 f 去除木质素实验 g h 脱木素过程中分别为I和II 木材的颜色变化比较 i j 的脱木素过程中木质素含量比较 用I和II表示 其中去除木质素是R 木更快 i j表示用两种方法测定脱木素过程 都说明R 木脱木质素更快 因为R 木有更多的中通管道 透明木材 结果与讨论 a 是木质素被移除之后R 型木扫描电子显微镜 SEM 图像 木块显示沿木生长方向大规模流明 b 管腔由细胞壁 它是由纤维素和半纤维素的包围 放大的SEM还示出了腔的内表面上的小凹坑 它使在木材树干的径向方向的材料运输 c 一个放大的SEM图像也显示了细胞壁定向排列的密集的纤维素纳米纤维 d 聚合物填充实木复合的SEM图像 透明木材 结果与讨论 a b 的透射率的测量设置为两种不同的透明木的的各向异性的结构 c d 的散射光点分别为R 木材和L 木 所述的照片图像 e f 在x的强度分布和如上述 c 和 d 类似分别为R 木和L 木 在y方向 L型木显示透光率明显的各向异性行为 g h 的R 木材分别直接放置在网格和5毫米网格上方 i j 的L木材分别直接放置在网格和5毫米网格上方 白色垂直线比由于各向异性散射平行白线更为明显 k 自然R 木材 自然L 木 透明R 木 透明的L 木材总透射率 l 这两个R 和L 木质复合材料显示出高透光率的阴霾 透明木材 同时高透射率和高光学雾度各向异性透明 结果与讨论 透明木材 力学性能 各向异性不同的方向的机械性能 透明木材 结论这是第一次 我们通过利用木材的独特性的结构制备成两种各向异性木质复合材料 R木材和L 木质复合材料 用于制造各向异性透明 木质复合材料 这两种类型的透明的木材 纤维素结构保存良好 颜色木质素被除去 多孔结构填充聚合物 高透光率 可达90 众多的聚合物的纤维素接口造成更多的前向光散射 从而导致在同一时间高的光学雾度 这两种类型的透明木质复合材料也显示显着优异机械性能 应用 透明木材可用在例如家具 汽车和光电子结构材料等领域 第二皮肤 第二皮肤BettyYu等研究者将一种含有聚硅氧烷成分的凝胶均匀涂抹在皮肤上 保证聚硅氧烷能够与皮肤粘附在一起 随后再涂抹另外一种含有铂金成分的特殊凝胶 使皮肤上的聚硅氧烷发生交联 这样形成的薄膜就可以粘贴在脸部或身体其他部位的皮肤上 根据研究证实 形成的这层薄膜可紧密贴合在皮肤上超过16小时 Anelasticsecondskin 第二皮肤 研究意义皮肤 皮肤的主要功能是提供一个保护屏障 减轻暴露于外部因素 如极端温度 毒素 微生物 辐射和机械伤害 同时保持内部环境 硅氧烷聚合物 我们选择的硅氧烷聚合物XPL 在文献中已有的生物相容性数据的报道 安全性高 交联后的聚硅氧烷透气性好 机械性能与真实皮肤相近 易于涂抹 可做成类皮肤外观 现在的一些技术 仍依靠使用繁琐的包扎敷料 经常与外用药膏组合使用 由于患者依从性差 往往会失败 第二皮肤同时解决了机械的与正常健康皮肤的生理功能 并且兼顾了皮肤美学 第二皮肤 制备方法 第一步涂抹可流动的 具有皮肤保形性的 反应性聚硅氧烷凝胶 第二步涂抹含铂金的凝胶 催化聚硅氧烷产生交联 具体机理 铂催化聚硅氧烷产生交联 第二步还使光散射粒子沉积在的XPL的表面 表面光学粒子和底层交联聚硅氧烷网络产生镜面和散射反射会接近年轻的皮肤的外观 形成仿真皮肤 第二皮肤 a d的四个提取的帧显示 a 为基线 b 在隆起前左侧和右侧在隆起试验 温柔捏 c 立即释放皮肤 d 3秒后释放皮肤 左侧涂抹XPL显示最小塑性应变和缩回到原来的位置 而未经处理的右侧面展示了极弱的弹性回缩力和持续塑性应变 说明XPL有良好的弹性 结果与讨论 第二皮肤 结果与讨论应力 应变曲线储能模量 图a代表拉伸应力 应变曲线 分别为XPL和商用成形两种伤口敷料 亚信护理硅胶片及丙烯酸粘胶TEGADERM聚氨酯板材 图b是XPL储能模量曲线1 脂肪垫突起 XPL施加到由虚线界定的区域 2 XPL应用两分钟 皮肤质地光滑 在内侧和中央脂肪垫由轻度皮肤起皱看到皮肤松弛的收紧 3 在3小时以上应用XPL 眼袋明显改善 第二皮肤 粘弹性和保水性a XPL仿真皮肤被拉伸 蓝线呈线性相关 红线表示粘弹性 b 一个是基线 一个使用吸盘方法的固定高度拉伸皮肤所需的负压的代表性曲线 c 皮肤平均回缩时间 明显XPL仿真皮肤恢复时间短 d 拉伸负压也是XPL仿真皮肤较小e 皮肤含水量的变化 明显XPL仿真皮肤保水量更好 结果与讨论 第二皮肤 结果与讨论 失水率从失水率上看 与涂抹乳酸 凡士林 不作处理的皮肤 XPL也是失水最少的 24h后 是失水率依旧在基线一下 其他三种处理方式 都基本接近基线 应用前景随后的临床试验表明 这种 第二皮肤 能够有效地恢复皮肤原有的力学性能 能够有效消除使用者脸部的眼袋 与此同时 聚硅氧烷薄膜的存在还能更好地帮助皮肤保湿 可用于护肤品或者化妆品 还可应用于医用皮肤 第二皮肤 智能纤维 课题背景科学界对人工肌肉材料的研究很早就开始了 但传统的溶剂敏感型人工肌肉多是基于功能性的高分子材料 其对溶剂的响应速度较慢 运动形式也相对单一 多是简单的膨胀或弯曲 且不容易控制 彭慧胜团队以具有高比表面积 优异力学和电学性能的取向碳纳米管为基本单元 并对其进行多级螺旋构筑 在纤维内部形成了大量的纳米和微米尺度的管道结构 这种多级管道结构可以使溶剂高效快速地渗透到纤维内部 并引起纤维的快速膨胀 可以在几十毫秒内完成 这种智能纤维有很大的应用前景 智能纤维 研究思路研究团队以具有高比表面积 优异的力学和电学性能取向的碳纳米管为基本单元 并对其进行多级螺旋构筑 在纤维内部形成了大量的纳米和微米尺度的管道结构 这种多级管道结构可以使溶剂快速高效地渗透到纤维内部 以制备溶剂响应性智能纤维 智能纤维 制备HHFs将碳纳米管构筑成螺旋结构然后拧成一股 再由多股螺旋碳纳米管拧成一股纤维 最后再构筑螺旋结构 由图中可可看出拧成的纤维含有很多纳米微米管道 智能纤维 注射有机溶剂乙醇溶剂向HHFs中注入乙醇溶液 发现HFFs解螺旋 此现象可用作制备有机溶剂响应性智能纤维 智能纤维 将HFFs编织成网 放置铜球 网凹陷 然后喷洒乙醇溶液 可以发现网弹性回缩 铜球平置在网上部 整个过程时间非常短 将HFFs编织成网 智能纤维 将HFFs拧成弹簧二氯甲烷溶剂向HHFs中注入二氯甲烷溶剂 发现HFFs解螺旋 发现弹簧回缩 加入其它有机溶剂 丙酮 乙醇都有一定的回缩应变 智能纤维