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可生物降解的聚合物压电纤维,解锁更多传感和能量收集应用
2024-05-14 16:42:28   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

这种基于生物且可生物降解的聚合物替代材料具有惊人的高压电特性,这意味着它在弯曲或变形时能够产生电能。

全球每年生产的塑料超过4亿吨,其中包括购物袋和饮料杯等一次性用品。这些材料在进入环境后很长时间都不会被降解,因此,学术界和产业界都在寻找既能提供与传统塑料相似的物理特性,又能快速生物降解且不会对动植物造成伤害的材料。

据麦姆斯咨询报道,美国特拉华大学(University of Delaware)工程学院材料科学与工程系兼职教授Isao Noda发明、设计并合成了一种基于生物且可生物降解的聚合物替代材料。此后,通过与材料科学与工程系教授John Rabolt持续合作,发现这种聚合物还具有惊人的高压电特性,这意味着它在弯曲或变形时能够产生电能。

这项专利技术的主要发明人Isao Noda和John Rabolt教授:该技术利用可生物降解的生物基聚合物Nodax®制造包括传感器和执行器在内的压电器件。

这项专利技术的主要发明人Isao Noda和John Rabolt教授:该技术利用可生物降解的生物基聚合物Nodax®制造包括传感器和执行器在内的压电器件。

现在,该研究团队已经获得利用这种创新材料制造压电器件的美国专利权。此外,这项成果还在全球多个国家获得了专利权,为其广泛的潜在应用和商业化铺平了道路。

有机压电材料示意图(左)及照片(右),展示了这些材料如何引导电流。

有机压电材料示意图(左)及照片(右),展示了这些材料如何引导电流。

工业规模生产天然聚合物

在宝洁(P&G)担任工业科学家期间,Noda的任务是为一次性尿布和包装寻找一种新型可生物降解的材料。他研究了一类名为聚羟基脂肪酸酯(简称PHA)的聚合物,这是一种由细菌、其它微生物和植物制成的天然聚酯。Noda解释说,问题在于当时已知的PHA太硬太脆,在大多数实际应用中都无法发挥作用。

Noda解释称:“我当时做了大量的光谱特性分析,意识到我们应该能够找到能以特定方式改变PHA分子结构的细菌。对于聚合物烷基侧链,可以是甲基或乙基,它们不容易熔化或加工。但是,当我们把这个侧链延长到三个碳原子,即丙基,甚至更长时,这种材料就突然变得更容易加工,并成为一种可延展、坚韧且有用的聚合物。”

如今,这种商品名为Nodax®的可生物降解聚合物由Danimer Scientific公司以工业规模生产,该公司是一家生物技术公司,致力于创造可替代传统塑料的可持续材料。特拉华大学与Danimer Scientific公司保持着持续的合作关系,后者为最近的专利申请提供了支持。

与标准塑料的制造方法不同,Nodax®是在大型罐中由细菌利用植物原料制造的。配制好的Nodax®聚合物随后可销售给其它公司,用于制造各种终端产品,其生物降解率与纤维素或食物垃圾类似。

Nodax®聚合物可用于制造各种终端产品,其生物降解率与纤维素或食物垃圾相似。

Nodax®聚合物可用于制造各种终端产品,其生物降解率与纤维素或食物垃圾相似。

Danimer Scientific公司业务开发副总裁Keith A. Edwards表示:“Danimer Scientific公司率先对天然PHA进行商业化生产,为吸管、餐具、纸张涂层、咖啡包和柔性薄膜等多种不同的餐饮和包装应用提供可再生、完全经过认证的生物降解和堆肥材料。”

通过基础研究发现新特性

当然,Nodax®生物聚合物规模化生产后,对它的研究并没有停止。2012年,Noda受邀在特拉华大学做了一次演讲后,会见了多年的同事Rabolt,决定将他多年积累的一些材料研究转向支持基础研究。Noda还在2013年至2019年期间担任了Danimer Scientific公司高级副总裁,目前仍是该公司董事会成员,他于2012年加入特拉华大学成为兼职教员。

在后来的研究中,Noda和Rabolt领导的研究团队发现了PHA的更多独特性能,其中包括具有高压电特性的一种材料形态。

Rabolt说:“这是一次卓有成效的跨界合作,团队包括了化学家、流变学家、物理学家,这种专业组合恰到好处,从而能够理解这类独特材料,并对其进行不同的处理和利用。”

他们的这一发现促使特拉华大学经济创新与合作办公室(OEIP)在2019年申请了一项专利,该专利将Nodax®作为一种制造压电器件的生物可降解聚合物。该专利已于今年早些时候获得授权,其发明人包括Noda和Rabolt。

“特拉华大学与Danimer Scientific公司的合作成果令人兴奋,它有望带来一连串的效益连锁反应。”OEIP副总Julius Korley说,“随着厂商将Nodax®应用于对公众有用的器件,专利使用费将返还到特拉华大学,以奖励我们的发明家,并进一步投资于研究和创新,同时让我们的学生学会成为创新者。”

释放新型压电聚合物的潜力

Nodax®具有很高的压电特性,这意味着它望应用于传感器或执行器。Nodax®还可以替代聚偏二氟乙烯(PVDF),后者是一种由全氟和多氟烷基物质(PFAS)制成的常见压电材料。PFAS不易分解,某些类型已被证明会在环境和人们身体中积累。

混合“纳米发电机”材料示例(左),可在驱动下生成电压测量(右)。

混合“纳米发电机”材料示例(左),可在驱动下生成电压测量(右)。

尽管这种材料仍处于早期开发阶段,但在基础研究和潜在应用方面开展进一步研究的可能性令Noda感到兴奋。他说:“我们希望发现更多尚未被探索的特性,了解如何更好地制造这种材料,并使加工过程适应工业规模,总之,我们要继续进行基础研究,这将有助于其它厂商的未来应用。”

“有趣的是,随着时间的推移,我们还可以进行更多不同的尝试,或许能够开发这种材料的铁电或热电性能,诸如此类。”Rabolt补充道,“对于这种新材料,我们还只打开了冰山一角。”

Danimer Scientific公司已经在跟合作伙伴合作,利用Nodax®生产纺织纤维,以取代PET和聚丙烯等传统材料。现在有机会扩展到压电纤维应用领域,这是一个令人兴奋的发展方向。

Danimer Scientific公司业务开发副总裁Keith A. Edwards说:“PHA作为一种更完美的聚合物,在很多领域的应用已近在眼前,Danimer与优秀的合作伙伴特拉华大学一起开创了新的生物技术解决方案。”

织物压电材料的显微镜图像(右),相应的三维剖面示意图(左)。

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