經(jīng)過上百萬年的生物演變與進(jìn)化，自然界形成了大量具有完美精細(xì)結(jié)構(gòu)與優(yōu)越性能的生物材料。珍珠母材料是這種生物材料的代表。由于其獨(dú)特的有機(jī)/無機(jī)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，使其具有極高的強(qiáng)度、硬度與良好的韌性。珍珠母是由約95 vol%的文石相碳酸鈣與約5 vol %的有機(jī)質(zhì)（幾丁質(zhì)與蠶絲蛋白）組成，其超常的力學(xué)性能來源于獨(dú)特的有機(jī)/無機(jī)層狀結(jié)構(gòu)與良好的層間力學(xué)傳遞作用。受此啟發(fā)，大量的科學(xué)工作者希望合成具有相似結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無機(jī)雜化材料并得到實(shí)際的應(yīng)用。目前制備具有珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無機(jī)雜化材料的主要方法有冰模板法、逐層自組裝法、生物礦化法與電沉積法等。以上這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是由于工藝繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中難以大規(guī)模連續(xù)性的制備大尺寸的產(chǎn)品。

    近期，美國康涅狄格大學(xué)（Universityof Connecticut）化工與生物分子工程系和材料科學(xué)研究所的孫陸逸教授課題組報(bào)道了一種簡單易行的方法，使大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。其核心在于利用液體流動(dòng)誘導(dǎo)取向的共組裝工藝，制備具有類似珍珠母結(jié)構(gòu)的仿生有機(jī)/無機(jī)雜化材料。該方法首先將聚乙烯醇（PVA）水溶液與單片分散的蒙脫土（MMT）分散液共混制備PVA/MMT混合溶液，通過浸涂的工藝將這種混合溶液涂覆于塑料薄膜，比如聚乳酸（PLA）、聚酯（PET）、雙向拉伸聚丙烯（BOPP）、高密度聚乙烯（HDPE）與低密度聚乙烯（LDPE）薄膜的表面，再通過干燥、固化等過程，成功制備了一種層狀結(jié)構(gòu)分布均勻、層間距可控、具有超強(qiáng)力學(xué)、阻隔與阻燃性能的PVA/MMT雜化納米涂層材料。不同于常見的聚合物納米復(fù)合材料，由這種方法所制備的PVA/MMT雜化納米涂層材料中，MMT的含量可以達(dá)到70 wt%或更高，并且MMT平行于基底的平面高度取向。基于透射電鏡（TEM）對材料結(jié)構(gòu)的表征結(jié)果（圖1）可以看出，當(dāng)MMT的含量達(dá)到50 wt% 時(shí)，MMT有高度致密并高度取向的狀態(tài)。同時(shí)通過加入交聯(lián)劑戊二醛使得有機(jī)高分子PVA分子鏈之間及PVA與MMT之間形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了無機(jī)相與有機(jī)相之間力的傳遞。當(dāng)MMT的含量為50 wt% 時(shí)，所制備樣品的拉伸強(qiáng)度與模量分別高達(dá)315 MPa與65 GPa。其拉伸強(qiáng)度大大超過了航空用鋁合金，模量非常接近航空用鋁合金，但是密度只有1.75克/立方厘米，遠(yuǎn)低于鋁合金，并且保持高度透明。

▲ 圖1. PVA/MMT（50 wt%/50 wt%）雜化納米涂層的TEM照片。

    除了具有非常優(yōu)異的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能外，因?yàn)榫鶆蛞?guī)整致密排列的MMT片層對氣體的滲透有良好的阻隔作用，這種雜化納米涂層材料同時(shí)還具有優(yōu)異的阻隔性能。將其涂覆于PLA、PET、BOPP、HDPE與LDPE膜表面，可以極大的降低這些塑料薄膜對氧氣與水蒸汽的滲透率。例如在PLA膜表面涂覆MMT含量為50 wt%的涂層（厚度約為620 納米）后，對比未涂覆前，其對氧氣與水蒸汽的滲透率分別從1205.0 mL/(m²•day) 與98.2 g/(m²•day)降至0.2 mL/(m²•day) 與13.1 g/(m²•day)。

    這種雜化納米涂層材料同時(shí)還具有很好的阻燃效果，將該雜化納米材料涂覆于PET膜與開孔聚氨酯（PU）泡沫塑料的表面，可以大大降低基體材料的可燃性（視頻1與視頻2）。這主要是由于PVA/MMT納米復(fù)合涂層中MMT的排列非常致密規(guī)整，可以對熱量與氧氣的傳遞形成出色的阻隔效果，使存在于MMT層間的PVA不充分燃燒，從而造就了出色的阻燃效果。 

視頻一：表面未涂覆和表面涂覆PVA/MMT雜化納米涂層的PET薄膜的垂直燃燒過程。

視頻二：表面未涂覆和表面涂覆PVA/MMT雜化納米涂層的開孔PU泡沫塑料的水平燃燒過程。

    以上工作近期發(fā)表在《Science Advances》（2017; 3: e1701212），文章的并列第一作者為丁富傳博士與劉靜靜同學(xué)。丁富傳為美國康涅狄格大學(xué)博士后（現(xiàn)在福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院工作），劉靜靜為美國康涅狄格大學(xué)博士生。

    全文鏈接：

    http://advances.sciencemag.org/content/3/7/e1701212

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