近日， Georgia 理工學(xué)院研究團隊借鑒自然界堅固結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，開發(fā)出一種創(chuàng)新工藝，顯著抑制了再生塑料固有的機械性能波動問題。航空航天工程助理教授Christos Athanasiou領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，相關(guān)成果發(fā)表在《PNAS》期刊上。
這項仿生材料技術(shù)通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效應(yīng)對了再生塑料常見的機械性能波動問題。研究人員采用工業(yè)纏繞膜常用的再生高密度聚乙烯（rHDPE）切片作為剛性“磚塊”，模仿貝殼的“磚-泥結(jié)構(gòu)”構(gòu)建多層復(fù)合材料。該結(jié)構(gòu)將剛性rHDPE“磚塊”嵌入軟質(zhì)的原生聚合物基體（充當(dāng)“灰漿”，實驗中為PDMS）中，形成能夠耗散應(yīng)力和控制失效模式的復(fù)合體系。
圖片信息：顯示了塑料被撕裂的幾個階段，從最初的變形（白色陰影）到裂紋萌生，再到擴展到最終失效。
實驗數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)結(jié)構(gòu)重組后的再生塑料，其模量（剛度）變異度最高可降低93%，最大允許伸長率變異度至少降低68%，顯著提升了材料性能的一致性，滿足工程應(yīng)用要求。研究團隊開發(fā)了專用的力學(xué)測試系統(tǒng)，并建立了“拉伸-剪切鏈”概率模型，成功實現(xiàn)了對這種復(fù)合材料有效模量、強度及其性能變異度的量化預(yù)測與評估。
目前全球每年產(chǎn)生超過3.5億公噸塑料廢棄物，其中得到有效回收利用的比例不足10%。該技術(shù)展現(xiàn)出潛在的經(jīng)濟與環(huán)境效益。研究團隊測算表明，應(yīng)用此技術(shù)的新型包裝材料制造成本有望顯著降低。同時，該技術(shù)有助于提升再生塑料性能可靠性，推動其更廣泛應(yīng)用，從而減少對原生塑料的依賴和塑料廢棄物填埋量。
研究團隊負責(zé)人Christos Athanasiou指出，該技術(shù)的核心價值在于“用不可靠材料構(gòu)建可靠結(jié)構(gòu)”。這種不同于傳統(tǒng)材料工程理念的創(chuàng)新設(shè)計，為解決再生塑料性能波動這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)提供了新途徑。
未來研究將致力于拓展該技術(shù)的應(yīng)用范圍，探索不同類型的再生塑料與更環(huán)保、可持續(xù)的聚合物基體材料的組合方案。研究團隊也關(guān)注該技術(shù)在太空建造等特殊環(huán)境中的應(yīng)用潛力，其核心理念與NASA月球回收挑戰(zhàn)賽所倡導(dǎo)的"廢棄物即資源"方向高度契合。
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI：10.1073/pnas.2502613122.
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