The thermal and flammability properties of polyamide 6/clay (2 and 5% by mass fraction) nanocomposites were measured to determine their flame retardant (FR) performance. The gasification process of the nanocomposite samples at an external radiant flux of 50 kW/m2 in a nitrogen atmosphere was observed, and the residues collected at various sample mass losses were analyzed by thermogravimetric analysis, transmission electron microscopy, and X-ray diffraction to determine the content of the residue and to understand the FR mechanism of the nanocomposites. The analysis of the floccules of blackened residues shows that up to 80% by mass of the residues consists of clay particles and the remainder is thermally stable organic components with possible graphitic structure. Furthermore, clay particles are stacked in the carbonaceous floccule residues and the d-spacing of the clay platelets is in the range of 1.3–1.4 nm as compared to the well exfoliated original sample. The accumulation of the initially well-dispersed clay particles in the sample on the burning/gasifying sample surface are due to two possible mechanisms. One is recession of the polymer resin from the surface by pyrolysis with the de-wetted clay particles left behind. Another mechanism is the transportation of clay particles pushed by numerous rising bubbles of degradation products and the associated convection flow in the melt from the interior of the sample toward the sample surface. Numerous rising bubbles may have another effect on the transport of clay particles. Bursting of the bubbles at the sample surface pushes the accumulated clay particles outward from the bursting area and forms the island-like floccules instead of forming a continuous net-like structure of a clay filled protective layer. Therefore, both PA6/clay nanocomposite samples did not produce sufficient amounts of protective floccules to cover the entire sample surface and vigorous bubbling was observed over the sample surface which was not covered by the protective floccules.

Although solid-state lithium (Li)-metal batteries promise both high energy density and safety, existing solid ion conductors fail to satisfy the rigorous requirements of battery operations. Inorganic ion conductors allow fast ion transport, but their rigid and brittle nature prevents good interfacial contact with electrodes. Conversely, polymer ion conductors that are Li-metal-stable usually provide better interfacial compatibility and mechanical tolerance, but typically suffer from inferior ionic conductivity owing to the coupling of the ion transport with the motion of the polymer chains1–3. Here we report a general strategy for achieving high-performance solid polymer ion conductors by engineering of molecular channels. Through the coordination of copper ions (Cu2+) with one-dimensional cellulose nanofibrils, we show that the opening of molecular channels within the normally ion-insulating cellulose enables rapid transport of Li+ ions along the polymer chains. In addition to high Li+ conductivity (1.5 × 10−3 siemens per centimetre at room temperature along the molecular chain direction), the Cu2+-coordinated cellulose ion conductor also exhibits a high transference number (0.78, compared with 0.2–0.5 in other polymers2) and a wide window of electrochemical stability (0–4.5 volts) that can accommodate both the Li-metal anode and high-voltage cathodes. This one-dimensional ion conductor also allows ion percolation in thick LiFePO4 solid-state cathodes for application in batteries with a high energy density. Furthermore, we have verified the universality of this molecular-channel engineering approach with other polymers and cations, achieving similarly high conductivities, with implications that could go beyond safe, high-performance solid-state batteries. By coordinating copper ions with the oxygen-containing groups of cellulose nanofibrils, the molecular spacing in the nanofibrils is increased, allowing fast transport of lithium ions and offering hopes for solid-state batteries.

The advancement of nanofluidic applications will require the identification of materials with high-conductivity nanoscale channels that can be readily obtained at massive scale. Inspired by the transpiration in mesostructured trees, we report a nanofluidic membrane consisting of densely packed cellulose nanofibers directly derived from wood. Numerous nanochannels are produced among an expansive array of one-dimensional cellulose nanofibers. The abundant functional groups of cellulose enable facile tuning of the surface charge density via chemical modification. The nanofiber-nanofiber spacing can also be tuned from ~2 to ~20 nm by structural engineering. The surface-charge-governed ionic transport region shows a high ionic conductivity plateau of ~2 mS cm-1 (up to 10 mM). The nanofluidic membrane also exhibits excellent mechanical flexibility, demonstrating stable performance even when the membrane is folded 150°. Combining the inherent advantages of cellulose, this novel class of membrane offers an environmentally responsible strategy for flexible and printable nanofluidic applications.

Supramolecular frameworks have been widely synthesized for ion transport applications. However, conventional approaches of constructing ion transport pathways in supramolecular frameworks typically require complex processes and display poor scalability, high cost, and limited sustainability. Here, we report the scalable and cost-effective synthesis of an ion-conducting (e.g., Na+) cellulose-derived supramolecule (Na-CS) that features a three-dimensional, hierarchical, and crystalline structure composed of massively aligned, one-dimensional, and ångström-scale open channels. Using wood-based Na-CS as a model material, we achieve high ionic conductivities (e.g., 0.23 S/cm in 20 wt% NaOH at 25 °C) even with a highly dense microstructure, in stark contrast to conventional membranes that typically rely on large pores (e.g., submicrometers to a few micrometers) to obtain comparable ionic conductivities. This synthesis approach can be universally applied to a variety of cellulose materials beyond wood, including cotton textiles, fibers, paper, and ink, which suggests excellent potential for a number of applications such as ion-conductive membranes, ionic cables, and ionotronic devices.

When a roadheader breaks hard rock in a roadway, the excessive cutting load causes the conical pick to experience abnormal wear, which impacts equipment stability. To improve the reliability of hard rock cutting equipment, the dynamic characteristics of prefabricated grooved rocks during cutting were investigated using a single pick cutting experimental bench in rock crushing experiments, and a conical pick cutting rock breaking finite element model was established. The rock stress state under different cutting depths and spacing conditions was analyzed, and the cutting force and the trend of the change in the specific energy consumption were elucidated. The results show that prefabricated grooves can effectively reduce the cutting load and specific energy consumption, the cutting depth and conical pick–groove spacing are the key factors affecting the cutting characteristics, and a reasonable choice of spacing and depth can help reduce the wear of conical picks and improve the working reliability of roadheaders.

Corn straw-based board has great potential for the protection of forest resources, waste recycling, and sustainable economic development. However, corn stalk-based board has poor mechanical properties due to its short fiber length and poor water resistance because of the presence of numerous hydrophilic hydroxyl functional groups in its structure. Natural mycelium originating from waste Pleurotus ostreatus substrate is a hydrophobic bio-adhesive. In the present study, formaldehyde-free corn stalk/P. ostreatus substrate bio-composites were prepared using the hot-pressing technique without the addition of any chemical adhesive. The mechanical properties and water resistance of the prepared bio-composites were excellent. The highest internal bonding strength (IBS) of 2.16 MPa and the minimum thickness swelling (TS) of 18.3% were observed, which are beyond the national standards for particleboard in China. These bio-composites were prepared using a simple, green, and convenient manufacturing method to promote their popularization and application. The method may, therefore, be used as a novel technical measure to resolve the problem of overuse of forestry resources and waste disposal.