11.11.2020 - University of Science and Technology of China

Bioinspiriertes Material kann Kunststoffe ersetzen

Robust, widerstandsfähig und hitzebeständig

Das moderne Leben hängt stark von Kunststoffen ab, auch wenn die erdölbasierte Produktion ernsthafte ökologische Herausforderungen mit sich bringt. Die Industrie entscheidet sich aufgrund ihrer begrenzten mechanischen Eigenschaften oder komplexer Herstellungsprozesse für die Verwendung nachhaltiger Materialien. Eine fortschrittliche Strategie für den Entwurf und die Herstellung hochleistungsfähiger nachhaltiger Strukturwerkstoffe ist von großer Notwendigkeit.

Ein neues bioinspiriertes Material ist da, um die erdölbasierten Kunststoffe zu überholen. Ein Team unter der Leitung von Prof. Shu-Hong Yu von der University of Science and Technology of China (USTC) berichtet über eine Methode zur Herstellung von Materialien mit ähnlicher Struktur wie Perlmutt aus Holz gewonnenen Fasern und Glimmer, mit Anpassung an die Massenproduktion, guter Verarbeitbarkeit und abstimmbarer Färbung.

Natürlicher Perlmutt hat eine hierarchisch geordnete Struktur auf mehreren Ebenen, genau wie Ziegel und Mörtel, wodurch er sowohl Festigkeit als auch Zähigkeit aufweist. Inspiriert durch Perlmutt imitieren die Forscher die geordnete Ziegel-Mörtel-Struktur unter Verwendung des TiO2-beschichteten Glimmer-Mikroplättchens (TiO2-Glimmer) und der Zellulose-Nanofaser (CNF) durch die vorgeschlagene richtungsverformende Montagemethode.

Bei dieser Methode wird das Hydrogel aus TiO2-Glimmer und CNF direkt gepresst, während die Größe in der Ebene unverändert bleibt. Die Dicke des Hydrogels wird drastisch reduziert und die Materialien werden direkt mit der hoch geordneten Ziegel-Mörtel-Struktur aufgebaut.

Im Nanomaßstab führen die TiO2-Nanokörner auf der Oberfläche von TiO2-Glimmer zu einer effizienten Energiedissipation durch Reibungsgleiten beim Herausziehen von TiO2-Glimmer. Die gesamte hierarchisch geordnete Struktur auf Multiskalenebenen trägt zur Lastumverteilung und zur Verbesserung der Zähigkeit bei.

Die erhaltenen Materialien haben eine ausgezeichnete Festigkeit (~281 MPa) und Zähigkeit (~11,5 MPa m1/2), die mehr als 2-mal höher sind als die von technischen Hochleistungskunststoffen (z.B. Polyamide, aromatisches Polycarbonat), was sie zu einem starken Konkurrenten für Kunststoffe auf Erdölbasis macht.

Noch besser ist, dass sich diese Materialien an Temperaturen von -130 °C bis 250 °C anpassen, während normale Kunststoffe bei hohen Temperaturen leicht weich werden. Daher sind solche Materialien bei hohen oder variablen Temperaturen sicherer und zuverlässiger.

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