研究背景
随着全球对绿色、可持续、环保材料需求的快速增长，生物塑料作为一种理想的替代品受到了广泛关注。大豆蛋白分离物（SPI）作为一种植物蛋白源，在包装、药物输送和组织再生等领域展现出广泛的应用潜力。然而，由于SPI分子链之间存在强烈的缠结、摩擦和空隙缺陷，导致其强度低、脆性大，严重限制了其应用领域。为了提高SPI的强度和韧性，化学交联和纳米材料的引入被证明是有效的策略。但是，同时提高韧性和强度是一个挑战，通常需要复杂的过程和昂贵的化学成本。自然界中的珍珠母以其优异的力学性能提供了设计高性能材料的灵感，其复杂的层次有序微观结构是其卓越性能的主要原因。因此，模仿珍珠母结构的高性能材料成为了材料科学研究的热点。在这项研究中，研究人员面临的挑战是如何开发出既具有高强度又具有优异断裂韧性的SPI材料，同时实现可大规模生产、低成本和环境友好性
成果简介
在这项研究中，研究人员成功开发了一种通过球磨喷雾法制备的类似珍珠母的高性能和多功能纳米复合膜，该膜由石墨烯/SPI材料制成。研究人员利用动态非共价相互作用来增强无机纳米填料的增韧效果，同时利用动态共价超分子相互作用来实现增塑剂增强材料。通过共价和非共价相互作用的协同作用，增强了界面相互作用，从而提高了材料的机械性能。所得SPI/GPN纳米复合材料展现出优异的拉伸强度11.01 ± 0.81 MPa和断裂韧性14.52 ± 0.71 MJ/m³，分别是纯SPI的3.4倍和3.5倍。通过动态键的使用，使得高强度增强的珍珠母模拟SPI基纳米复合材料的回收成为可能，提高了生物启发纳米复合材料在循环经济中的可持续性。此外，SPI复合材料还具有出色的阻燃性、热导性和电磁屏蔽性能。这项研究为设计可靠和环保的生物材料提供了新见解，对可持续发展资源的开发具有重要意义
图文导读
图1 设计和制造SPI薄膜。(a-b) 超分子SPI-GPN溶液的合成路线 (c) 80°C时SPI溶液和SPI-石墨混合溶液的数字图像。(d-e) 通过喷涂组装涂层方法制造SPI-GPN-AA薄膜。
图2 (a) 石墨的SEM图像。(b) 厚度约为1.2nm的石墨烯纳米片的AFM图像。(c) 球磨时间和石墨烯纳米片产量之间的关系。(d) SPI、SPI-GPN和SPI-GPN-AA薄膜的XRD。(e) SPI、SPI-GPN和SPI-GPN-AA薄膜的FTIR光谱。(f) SPI-GPN-AA薄膜和AA的11B NMR光谱。(g) SPI、SPI-GPN和SPI-GPN-AA薄膜的XPS全谱。(h) SPI-GPN-AA薄膜的C 1s谱。(i) SPI-GPN-AA薄膜的B 1s谱。
图3(a) 包含共价键和多种非共价相互作用的SPI-GPN-AA薄膜交联网络的示意图。(b) SPI、SPI-GPN20和SPI-GPN20-10%AA薄膜的应力-应变曲线。(c) 拉伸强度曲线。(d) 杨氏模量和韧性曲线。(e) SPI-GPN-AA薄膜的侧视SEM图像。(f) SPI-GPN-AA薄膜的断裂机制图。
图4 (a) SPI-GPN-AA薄膜的回收机制示意图。(b) SPI-GPN-AA薄膜层压的制备路线图。(c) 层压SPI基薄膜的拉伸强度。(d) 层压SPI基薄膜的杨氏模量和韧性曲线。(e) SPI-GPN-AA薄膜的可回收性示意图。(f) 不同回收次数的SPI-GPN-AA薄膜的拉伸强度曲线。(g) 机械性能比较。(h, i) 大规模制备的SPI-GPN-AA薄膜的照片。(j) 由SPI-GPN-AA制成的鹤形物。
图5 (a) SPI、SPI-GPN、SPI-GPN-AA薄膜在不同时间的垂直燃烧过程的照片。(b) SPI、SPI-GPN和SPI-GPN-AA薄膜的热释放速率曲线。(c) SPI、SPI-GPN和SPI-GPN-AA薄膜的总热释放曲线。(d) SPI、SPI-GPN和SPI-GPN-AA薄膜的PHRR和THR曲线。(e) 随时间变化的热红外图像。(f) 体表温度曲线。(g) 复合薄膜在X波段的电磁干扰屏蔽效能。(h) 12 GHz频率下电磁干扰屏蔽值。(i) 与其他电磁屏蔽材料的比较。
小结
研究人员通过球磨-喷涂-热压工艺，利用动态键交联策略，成功开发了一种结实、强韧、阻燃、可回收和电磁屏蔽的SPI基薄膜。所得SPI-GPN-AA薄膜展现出卓越的柔韧性、拉伸强度和韧性，这得益于通过动态硼酸酯相互作用建立的相互连接的SPI链的三维交联网络。动态硼酸酯键在实现薄膜之间的有效粘附、提供拉伸测试焊接薄膜的高强度和薄膜废弃时的出色可回收性方面具有重要意义。此外，GPN的加入赋予了SPI-GPN-AA薄膜阻燃、热传导和电磁屏蔽等功能性特性。重要的是，利用独特的动态硼酸酯相互作用薄膜，研究人员成功制造了一种柔软但设备级的动态超强超级电容器，该电容器不仅柔韧，而且高度柔软、动态稳定、设备级超强，能够承受刀切割和动态挤压等各种机械刺激。该设备在变形耐受性方面显著优于基于其他电解质的超级电容器。SPI溶液的卓越流变性能还使得使用喷涂技术构建多功能和扩展定制的微型超级电容器成为可能。
文献：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111998
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