双重仿生结构-界面工程构建砖-灰浆型生物复合材料以实现卓越的水/气/紫外线综合阻隔性能

《Matter》：Dual bioinspired structural-interfacial engineering of brick-and-mortar biocomposites for a superior integrated water/gas/UV barrier

　　

进展与潜力

可持续材料的最新进展旨在用可生物降解的替代品取代石油基塑料，但仍面临一个重大障碍：大多数生物塑料在受潮时会失去强度和完整性。本研究采用一种受自然启发的方法来应对这一长期存在的挑战。通过模仿贻贝壳的砖泥结构和贻贝足丝的强大粘附化学，我们开发了一种将花粉、纤维素和壳聚糖等自然资源转化为高性能生物复合材料的方法。这三种生物质组分通过多尺度物理堆积组装形成致密结构，随后在150°C下进行热固化，诱导化学交联，所得材料在干燥状态下具有高强度，在潮湿环境下也表现出优异的鲁棒性。除机械性能外，这些生物复合材料还能提供优异的防潮、防氧和防紫外线辐射保护，优于许多现有的可生物降解聚合物。这种综合功能，结合无需粘结剂即可成型为多种形态的能力，使其成为一种多用途的绿色替代品。本研究为开发兼具机械鲁棒性、阻隔性能和紫外线屏蔽功能的高性能生物复合材料提供了一种可持续且可规模化的方法。利用可再生原料，该策略可减轻包装和农用薄膜造成的微塑料污染，并拓展其在电子、医疗器械和建筑领域的应用。

要点

•

受贻贝壳结构和足丝粘附启发的双重结构-化学仿生策略

•

全生物质复合材料实现优异的防水/气/紫外线综合阻隔性能

•

通过简单的低温加热实现超强湿态粘附和防水性能

摘要

石油基塑料的环境威胁推动了可持续替代品的需求，但可生物降解材料往往因亲水性和界面薄弱而在潮湿条件下失效。在此，受贻贝壳的砖泥结构和贻贝足丝的界面粘附机制启发，本研究提出一种双重仿生策略，利用150°C的热激活在花粉、纤维素和壳聚糖的本征网络中触发原位界面固化。该过程可制备出具有层级结构的生物复合材料，其机械性能卓越（拉伸强度98.55 MPa，湿态拉伸强度77.30 MPa），并可无需粘结剂成型为从柔性薄膜到刚性块材的复杂结构。值得注意的是，与典型可生物降解聚合物相比，该生物复合材料还表现出优异的阻隔性能，水蒸气透过率低（约41.11 ± 4.87 g·m^?2·day^?1），氧气透过率低（约3.31 ± 0.33 cm³·m^?2·day^?1），且紫外线屏蔽效率高（紫外线吸收率>99.8%）。本研究为开发具有综合功能的高性能可持续生物复合材料提供了一条绿色且可规模化的途径。

图形摘要