Counterion Size and Nature Control Structural and Mechanical Response in Cellulose Nanofibril Nanopapers

反离子 韧性 材料科学 纤维素 延展性(地球科学) 纳米复合材料 刚度 复合材料 多孔性 水溶液 聚合物 化学工程 纳米技术 化学 离子 有机化学 蠕动 工程类
作者
Alejandro Benítez,Andreas Walther
出处
期刊:Biomacromolecules [American Chemical Society]
卷期号:18 (5): 1642-1653 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acs.biomac.7b00263
摘要

Nanopapers formed from aqueous dispersions of cellulose nanofibrils (CNFs) combine stiffness, strength, and toughness. Yet, delicate interactions operate between the CNFs during nanopaper formation and mechanical deformation. We unravel in detail how counterions, being either of the organic alkyl ammonium kind (NR4+) or of the earth metal series (Li+, Na+, Cs+), need to be chosen to achieve outstanding combinations of stiffness, strength, and toughness, extending to previously unreached territories. We relate structure formation processes in terms of colloidal stabilization to nanostructural details such as porosity and ability for swelling, as well as to interfibrillar interactions in bulk and macroscale mechanical properties. We demonstrate that our understanding also leads to new levels of ductility in bioinspired CNF/polymer nanocomposites at high levels of reinforcements. These results contribute to future rational design of CNF-based high-performance materials.
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