垃圾填埋场中的塑料废物的报警量需要可持续的替代品。生物化聚合物是一个有前途的替代品，但表现挑战限制了他们在竞争性成本驱动的市场中的引入。提高生物化聚合物的性能和功能的一种方法是通过添加纳米颗粒。在这项工作中，我们证明纳米颗粒的战略组装可以向生物聚合物基质产生新的和有趣的性质。例如，纳米组件可用于设计具有超疏水性或UV阻断性质的水性生物化聚合物纳米复合材料。详细表征和计算建模表明，生物化聚合物的形态在确定组装结构和最终性能方面发挥着重要作用。

介绍

增加塑料废物量（2017年3.48亿吨）^1,2和零售的食物垃圾（高达13.3亿英镑和1610亿美元），^3.立即要求绿色解决方案。Biobased聚合物是石油聚合物系统的有吸引力的替代品，但在机械性能方面的性能不佳，热稳定性和水敏感性限制它们在石油主导的行业中的融合。纳米粒子已被广泛用于增强石油聚合物的性能。有趣的是，很少有研究在生物化聚合物体系中寻址纳米粒子集成。^4,5生物化纳米复合材料的根本研究可能是生物化聚合物固有的可变光源的结果，这使得结果不太可再现。^6-11已证明纳米粒子赋予包括抗菌活性的性质，^12-14耐腐蚀性能，^15,16力量，^17,18和疏水性^19-21对生物聚合物。还表明，生物化聚合物可用于设计复杂的纳米颗粒组装结构，包括簇，^22,23网络，^24-26和电影。^27-29

上述结构可以原位形成（通过溶胶 - 凝胶化学或水热/溶剂热方法）^30-33或者简单地混合纳米颗粒和基质。^34-36这些纳米结构可以为生物化聚合物基质提供新的和独特的性质，共同减少环境影响并满足必要的性能度量。

在本报告中，我们利用了生物化聚合物的形态，设计了独特的纳米组织结构，用于生产高性能生物涂料。这里证明了两个例子：透明紫外线阻断涂层和超疏水涂层。淀粉和纤维素与羟乙基改性（HEC和HES）用于本工作的范围。虽然化学上相同，纤维素在淀粉是线圈的同时表现出棒状的形态。链的构象对基质内的纳米颗粒组装的巨大作用以及结果的性质。二氧化硅形成的纳米组织结构（SIO₂）和氧化锌（ZnO）纳米颗粒赋予生物化聚合物基质的超疏水性和UV阻断性质。因此，聚合物形态可用于开发高度性能的绿色纳米复合材料，其纳米结构给予它们对传统塑料的竞争优势。

结果

紫外线覆盖

UV阻断涂层由三个元素组成：ZnO纳米粒子（30nm，0.8％wt。），生物粘合剂（HEC或HES）（4％wt。）和化学分散剂（吐温20）（0.5％wt。）。在此选择ZnO以获得其独特的带隙，其在UVA范围内促进UV阻塞。^6.

使用小纳米颗粒有助于产生透明的紫外线膜。发现聚合物粘合剂的选择大大改变了涂层的紫外线阻断能力，并且HEC大部分优于HES（图1），具有令人印象深刻的可见透明度。^7.

SEM揭示了具有HEC的松散支链颗粒组件的存在，并且具有HES的小，致密的聚集体（图2），表明涂层的功能高度依赖于纳米颗粒聚集图案。考虑到聚合物分子结构之间的相似性，这一结果令人惊讶。HEC和HES是化学上相同的，只有其分子间键的不同。由于其顺式糖苷键，HES采用卷绕结构。另一方面，HEC是由于其反式键的结果（图2）。聚合物结构的变化显然对基质内的纳米颗粒的组装产生影响。

超疏水涂层

二氧化硅二氧化物纳米颗粒形成与HEC和HES相同的颗粒载荷相似的结构。然而，当将较大量的二氧化硅（3％wt）引入HEC和HES聚合物体系中的氧化锌时，将新的能力引入涂层系统。在干燥的涂层表面上蒸发氟化硅烷时，实现了超疏水性。没有纳米颗粒，显示硅烷处理在聚合物表面上形成小簇。这些群集在HEC中看起来比HES更大。当纳米颗粒中包含在处理的涂层中时，纤维素聚合物引入多尺度粗糙度（具有支链特征），而淀粉基质仅分散颗粒。通过共焦和AFM技术（图3）分别通过共焦和AFM技术量化具有和不含纳米填充物的粗糙度硅烷处理。

粗糙度和组装特征在很大程度上改变了复合材料的防水性，HEC实现了160°接触角，优于20°。与没有纳米填充物的聚合物相比，这是一个显着的改善（图4）。通过HEC形成的结构比HES衍生物更鲁棒，即使在水中浸入水中，也能维持防水性1天。

也已经证明了由HEC形成的网络结构以增强涂层对基板的粘附性。即使浸渍后，硅烷处理的HEC-二氧化硅涂层也是通过交联粘附试验的粘附测试（图5）稳健。未处理的HEC在浸渍之前显示粘合强度，但在浸渍少涂层后仍有待测试。另一方面，他甚至在硅烷处理后表现出差的粘附性（图5）。

性能亮点

聚合物链构象用于介导纳米颗粒的独特组装结构。HEC的棒状构象形成了多孔分支网络，并且HES的线圈状构象形成了聚集体的分散体。基于纳米颗粒选择，网络组件产生了许多有利的性质。

• ZnO纳米粒子用HEC
  • 高效紫外线阻断（95％），同时保持80％可见透明度
  • 超薄厚度为200nm
• SiO.₂纳米粒子用HEC.
  • 来自硅烷处理和纳米组织模式的多尺度粗糙度导致的超疏水性
  • 在水中保持性能
  • 强粘附后交叉壳测试

结论

通过本研究，我们证明了生物化的聚合物形态可用于影响纳米颗粒组装结构。高性能涂层可以用水分散性生物化聚合物制造。结果桥接在纳米级的组装结构，受到生物聚合物的分子构象的影响，在宏观水平的涂层性能下影响。纤维素衍生的Biobased聚合物HEC创造了一种独特的纳米粒子组件网络结构，已被证明是有益的，以提高生物涂料的功能和性能。用二氧化硅纳米粒子和用氧化锌纳米颗粒封闭，对超疏水性和粘合强度进行说明。此外，这些结构普遍是不同类型的纳米颗粒，这可能会在将来激发更具创新性的涂层设计。通过这项研究，我们推出了高性能和可持续发展的新机遇，高性能生物化材料。188金宝搏bet官网潜在的应用可能会影响诸如医疗，民事，汽车和航空航天等广义。

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