您当前的位置:检测资讯 > 科研开发

仿生材料常见表征方法

嘉峪检测网        2023-06-04 21:02

仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。本文为大家列举了仿生材料的一些常见表征办法,方便大家选择合适的表征方法。
 
1. 扫描电子显微镜(SEM)
 
图为三种通道宽度分别为30、90和150 µm的定向多孔泡沫,有序通道的尺寸受冷却速率的影响,排列的多孔泡沫的通道方向与冻结方向一致。
图1:仿生多孔泡沫的设计、制备和性能
 
2. 紫外-可见-近红外光谱(UV-Vis-NIR)
 
通过紫外-可见-近红外光谱研究PVA水凝胶、PCE和BVE的光学性能所有不含PPy的水凝胶样品在250至2500 nm的整个太阳波长范围内都表现出低的光吸收率,这不足以实现高性能的光热转换。所设计的水凝胶的PPy层吸收了绝大多数阳光照射光谱(波长范围为250-2500 nm,超过95%),并呈现出优异的太阳能吸收特性。
 
图2:PVA水凝胶、PCE、BVE在200-2500nm范围内的UV-Vis-NIR吸收光谱 
 
3.电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)
 
通过ICP-MS测试蒸发海水的质量,评估水凝胶蒸发器的污水净化能力,图中显示模拟海水中的主要离子(Na+、Mg2+、K+和Ca2+)减少了约3个数量级,显示出出色的脱盐率。
 
 
图3:水凝胶蒸发器在一个阳光下运行一小时后,海水中四种离子的浓度
4.能量色散X射线光谱(EDS)
 
采用EDS表征研究APP膜的表面化学成分,源自PET的C和O元素PDA均匀分布在APP表面。N元素的均匀分布证明了PET膜表面存在PDA层,这可能有利于Al2O3团簇的形成粘附在其表面。此外,还检测到具有低原子百分比的Al元素,表明Al2O3团簇分布均匀,在PDA/PET膜的顶表面成功组装了Al2O3凸点结构。
图4:APP3膜的EDS图谱
 
5.X射线光电子能谱(XPS)
 
XPS的表面化学成分分析显示,PDA/PET膜上分别在125.1 eV和76.1 eV处出现Al 2s和Al 2p的新特征峰,证实了Al2O3团簇已经附着在PDA/PET薄膜上。PDA/PET和APP3膜的C1s光谱的比较显示PDA/PET的O–C=O、C=O,C–O、C–N和C–C分别为289.33、288.19、287.10、286.40和285.28。APP3的O–C=O、C=O,C–O、C–N、C–C和C–O–Al分别为289.07、288.63、288.09、287.23、286.10和284.00。
图5:XPS光谱
 
6.傅里叶变换红外光谱(FTIR)
 
TA的引入导致了明显的蓝移,O–、 N–H峰值从SP的3311 cm−1移动到SP/HBPE/TA(SP/HBPE/TA-3)的3343 cm−1,SP的1648、1532和1230 cm−1的三个峰在SP/HBPE/TA中分别移动到1676、1567和1259 cm−1,表明SP、HBPE和TA之间存在较强的氢键相互作用。
 
图6:FTIR图谱
 
7.紫外-可见光透射率
 
SP/HBPE/TA(SP/HBPE/TA-1,2,3)薄膜都能100%屏蔽沿线的UVB(320–275 nm)和UVC(275–200 nm)光,90%屏蔽UVA(400–320 nm)光。这种优异的紫外线屏蔽性能有助于保护产品免受紫外线照射。(其中:超韧性大豆蛋白(SP)、超支化聚酯(HBPE)、单宁酸(TA))。
 图7:SP/HBPE和SP/HBPE/TA-1、2、3薄膜的紫外-可见光透射曲线
 
8.13C核磁共振谱(13C NMR)
 
通过13C NMR光谱进一步验证了强烈的分子间氢键相互作用。由蛋白质的羰基、C-α、C-β和C-γ的共振引起的SP的173.8、55.7、30.6和25.3 ppm处的四个峰,在SP/HBPE/TA中分别移动到171.9、53.6、29.0和23.6 ppm的较低化学位移,对应于强分子间氢键的形成。
图 8.SP、SP/HBPE和SP/HBPE/TA薄膜的13C NMR光谱
 
9.X射线衍射图谱(XRD) 
 
X射线粉末衍射(XRD)中的晶体学模式(和结晶度(图S6)在加入TA后降低,归因于强H键对结晶过程中SP基质分子重排的限制,而结晶度的降低增强了断裂应变。 
图9:各种薄膜的XRD图谱
10.接触角分析
 
所有泡沫的水接触角均大于120◦ , 表明它们具有疏水性,能够应用于吸油领域。
图10.仿生泡沫的水接触角分析
 
11.动态热机械分析(DMA)
 
储能模量是评估变形过程中储存能量的关键参数,用于测试复合材料的弹性。纳米填料的加入导致织物复合材料的储能模量显著增加。HQ-IP/PPS、Ti3C2/PPS和HQ-IP@Ti3C2/PPS织物复合材料的压力分别为1684MPa、1654 MPa和1821 MPa,与纯PPS织体复合材料(1355 MPa)相比,分别高出24.2%、22%和34.3%。
阻尼系数的变化用于表示分子的长期运动以及与玻璃化转变温度(Tg)相关的温度分布。上述织物复合材料的Tg从187.9 ℃开始上升至191 ℃、 196.5 ℃(图7b),HQ-IP@Ti3C2/PPS织物复合材料具有最大的储能模量。
 图11:(a)储能模量和(b)tanα曲线
 
12.热重分析(TG)
 
热稳定性性能对织物复合材料摩擦磨损性能具有重要价值,织物复合材料降解的第一阶段是在300–420 ℃、 与酚醛树脂的热分解有关,第二阶段的降解温度为440–620 ℃、 归因于PPS纤维的分解。与纯pps相比,HQ-IP@Ti3C2/PPS织物复合材料在750 ℃时剩余重量最高,为44.9%。
图12:织物复合材料的TGA曲线和(b)DTG曲线
 
13.比表面及孔径分析(BET)
 
气凝胶的磁滞回线与较大大相对压力下的IV型N2等温线一致,表明P-KNF@Pd气凝胶具有丰富的中孔。P-KNF@Pd气凝胶具有约35 m2 g−1的高BET表面积,这是由于交织的纳米纤维。
图13:KNF@Pd气凝胶、KNF气凝胶和KNF+CS气凝胶氮气吸附-解吸等温线 
 
14.拉伸性能测试
 
织物复合材料的拉伸强度和相关的应力-应变曲线评估PPS复合物织物的韧性和可变形性,HQ-IP@Ti3C2/PPS织物复合材料达到75.3 MPa,比原来的PPS织体复合材料(51.9 MPa)提高了45%。 
 图14:织物复合材料的平均抗拉强度和(d)应力-应变曲线
 
15.摩擦性能
 
随着纳米填料的加入,织物复合材料的磨损率都有所下降DOPO-HQ-IPTS@Ti3C2Tx/PPS的磨损率为1.8x10−14 m3(N·m)−1,与纯PPS织物复合物相比降低了77%。图b显示了织物复合材料的相应摩擦系数。很明显,摩擦系数的趋势与磨损率相似。 
图15:(a) 磨损率和(b)填充织物复合材料的不同填料的摩擦系数(40MPa,0.7m/s)
 
16.模拟计算
 
排列的多孔泡沫的预期液体吸收高度可以使用Washburn方程计算,排列通道宽度为30–150 µm的新型PLA泡沫,饱和柴油吸收高度至少为85 mm。为更好地理解泡沫的液体吸收速度,将液体吸收高度与时间的关系转化为单位面积吸收的液体质量(m/s)与时间1/2(t1/2)的关系,饱前的吸收曲线由Washburn很好的模拟。
图16:泡沫的柴油吸收高度与时间的关系,相对于1/2t每单位面积泡沫吸收的柴油质量
 
参考文献:
 
[1] Yaohui He , Zhaozhu Zhang  , Yanling Wang , Meng Liu , J u n ya Yuan , Peilong Li ,Mingming Yang , Weimin Liu.Inspired with f ish scale to manufacture biomimetic MXene derivative for the re inforcement on tribological and mechanical properties of PPS fa bric/phenolic composites [J].Tribology International,179 (2023 ) 108136.
[2] Zhiwei Chang, Yulin Shen, Junfang Xue, Yi Sun, Shifeng Zha n g.Fabrication of spider silk-inspired bio-based polymeric mate ri als underdynamic nanoconfinement as high-strong, ultra-tough, and multifunctionalplastic substitutes[J].Chemical Engineering J ournal, 457(2023) 140984.
[3] Jingsi Li, Xiaohan Sun, Jiajia Dai, Jianmin Yang , Liang Li, Zibo Zhang, Jiadong Guo,Shumeng Bai, Yunquan Zheng, Xianai S hi .Bi omimetic multifunctional hybrid spong[J].International Journal o f Biological Macromolecules,225(2023)90-102.
[4] Yuhan Xu, Jinheng Wang, Zihao Wang, Yu Zhao, Weihong Guo .Bio-based polyamide fibers prepared by mussel biomimetic mo dification of hydroxyapatite[J].European Polymer Journal,187 ( 2 023)111913.
[5] Huawen Liu, Wentao Zhai a, Chul B. Park.Biomimetic hydrop h obic plastic foams with aligned channels for rapid oil absorptio n [J].Journal of Hazardous Materials ,437 (2022) 129346.
[6] Jin Yang, Lin Zhu, Yu Chen, Guofeng W an g ,Xiaohua Jia, Ha ojie Song.Wood-Inspired Biomimetic Vascular Evaporator for H i ghly Efficient an d St able Solar Steam Generation in Harsh En v ironments[J].Colloids and Surfaces,2023.
[7] Qi Xiong, Xuejie Yue, Zengxin Zhuang, Ji cheng Xu, Fengxi a n Qiu, Tao Zhang.Biomimetic fabrication of PET composite mem branes with enhanced stability and demulsibility for emulsion se paration[J].Separation and Purification Technology ,314(2023) 1 23547.
[8] Deke Li , Chenggong Xu , Haili Zhang , Jianhai Li , Fujun Liu ,  Jinxia Huang ,Zhiguang Guo.Biomimetic Kevlar aerogel for sew a ge treatment and all-day fresh water production [J] .Separation and Purification Technology,315(2023)123729.
[9] Chen Gao, Yuxuan Li, Xiaoyun Liu, Jie Huang, Zhijun Zhang .  3D bioprinted conductive spinal cord biomimetic scaffolds for p romoting  neuronal differentiation of neural stem cells and repa iring of spinal cord injury[J].Chemical Engineering Journal,14 51(2023)138788.
 

分享到:

来源:Internet