端氨基的超支化聚合物枝纤维素纳米纤维涂层增强微、纳米褶皱木材表面的仿生皮肤触觉性能设计

学术   科技   2024-11-08 16:17   山东  


褶皱表面在自然界中普遍存在,如丝绸、树叶和皮肤。这些独特的图案不仅有助于自然世界的美感,而且还赋予重要的生物功能,如防指纹、超疏水特性以及除冰能力。作为人体最重要的器官之一,皮肤也呈现出褶皱结构。研究表明,皮肤表面的平均粗糙度约为 5µm,在纳米尺度上由许多凸起和毛孔组成。这些微观和纳米级的特征有助于给皮肤带来舒适、细腻和光滑的感觉。已经有大量研究,在各种材料上复制这些褶皱表面,包括聚合物、玻璃、金属等,且完成了一系列附加功能探索。

在表面上形成褶皱结构的关键是应用不同收缩率的材料,一般包括(1)纳米固体颗粒/液体;(2)单体/聚合物;(3)单一涂层系统中的刚性/软段混合物。在液体涂料中掺入纳米固体颗粒,这些纳米颗粒在固化后会在表面产生微纳米级的粗糙度。在这些纳米级颗粒中,纤维素纳米纤维(CNF)因其高机械强度和丰度而成为可持续发展的有前途的候选材料。CNF 源自于天然植物细胞壁,直径为 3~10 纳米,长度为 0.5~2µm。因此,通过适当的加工,可在表面产生纳米皱纹。但由于天然 CNF 上含有丰富的羟基,它们易于在液体中聚集,造成相容性问题和难于制造问题。为了解决这个问题,尝试了对 CNF 进行改性,例如通过在 C2 和 C3 位点引入两个醛基以氧化 CNF,通常称为双醛纤维素纳米纤维(D-CNF),这是一种常用的改性方法。引入两个醛基官能基能显著增强 D-CNF 的化学反应性,使其成为含羟基和氨基聚合物的有效交联剂。使用具有多氨基为端基的试剂,可通过席夫碱反应在 D-CNF 与试剂之间形成网络,进一步增强 D-CNF 与所得聚合物之间的界面粘附性。

家具、地板、门、墙板等木制品在家庭中广泛使用。采用透明涂层装饰表面是一种有效的保护表面,同时保留自然图案的方法。随着社会的发展,消费者的需求从视觉享受发展到包括触觉舒适。在木制品上制作褶皱表面是满足这些需求的有效解决方案。

中国林科院、北京林业大学、加拿大 New Brunswick 大学倪永浩教授等人受人体皮肤的启发,采用水溶性 UV 固化聚氨酯丙烯酸酯涂层和纤维素纳米纤维(CNF),设计并开发了具有皮肤触觉性能的微纳米褶皱木材表面。为了进一步改善性能,将 CNF 二乙酰化为 D-CNF,进一步接枝了含有丰富端氨基的超支化聚合物(HB-CNF)。他们对涂层的表面结构和化学反应进行了表征,并对涂层的皮肤触觉性能进行了全面研究。HB-CNF 在涂层中表现出良好的分散性,两者通过-NH2 和末端-NCO 基团发生反应,大大提高了涂层的机械性能和耐久性。作者还制备了宽度为 12~15µm、高度为 8~14µm 的微皱纹,并获得了 50~100nm 的凸起。涂层表面具有疏水性,压缩后具有较高的回弹性,在 60º入射角下光泽度为 3.3GU,静摩擦系数为 0.26,与人体皮肤相似。该研究结果为高性能木制品提供了一种具有良好感觉的有效方法,有助于提高市场竞争力,满足人们对美好生活的追求。

图. 木材起皱涂料制备工艺方案

文献来源:Ru Liu, Yuhui Sun, Yingchun Sun, Hui Li, Minggui Chen, Ling Long, Jingya Gong, Bin Lv*, Yonghao Ni*. Carbohydrate Polymers, 2024, 334, 122035.

晨源分子介绍
亚洲首家研发与生产树枝状聚合物的高新技术企业

海晨源分子新材料有限公司成立于2011年,是一家国家级高新技术企业。公司先后获批山东省工程技术研究中心、山东省品牌国际科技合作基地、山东省院士工作站、山东省知名品牌、山东省隐形冠军等技术创新平台及荣誉。创始人李武松博士毕业于北京大学,是中国树枝状聚合物产业化的创始人,先后获得山东省组织部颁发的山东省泰山产业领军人才,山东省人社厅颁发的山东省有突出贡献的中青年专家,山东青年五四奖章、山东省优秀科技工作者、2018年度威海市市长质量奖、威海市科学技术一等奖、威海市十大杰出青年、2020“大国之材”年度人物,荣获共青团中央和人社部颁发的第十一届中国青年创业奖等荣誉称号。


晨源分子目前拥有由多名名校毕业的博士、硕士组成的研发团队,与北京大学、清华大学和上海交通大学等国内外6所高校院所建立了产学研合作,拥有行业内唯一的院士工作站,并获得了政府数千万元的科技支持。


晨源分子建立了亚洲第一条也是唯一一条吨级高纯度树枝状聚酰胺胺生产线以及千吨级超支化聚酯的产业化生产线,实现了树枝状聚合物真正意义上的产业化,填补国内空白,打破了欧美技术垄断。目前,国内知名企业金发、聚隆、横店得邦等均使用晨源分子公司的产品。                

晨源分子公司目前产品共有包括树枝状聚酰胺胺、超支化聚酯、树枝状塑料润滑剂、树枝状改性胶黏剂在内的三大类十多个品种,第一类是高纯度实验级树枝状大分子,主要用于科研及生物医疗,成功销往清华、北大、复旦等100多所高校和医疗公司;第二类是工业级树枝状聚合物助剂产品,主要应用于塑料、胶黏剂、涂料、水处理等工业领域作高性能添加剂使用,销往包括诸多上市公司在内的200多家企业客户;第三类是树枝状改性的下游产品,包括树枝状改性3D打印材料、可降解材料、胶黏剂等,已与国内多家行业龙头企业形成战略合作。
目前,晨源分子主要专注于以树枝状聚合物为核心组分的各种助剂以及复合材料的研发与应用。

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