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NSR.中科大俞書宏院士團(tuán)隊(duì)研制各向同性全生物質(zhì)仿生木材

來源:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)      2020-12-14
導(dǎo)讀:木材一直是被廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)材料,但天然實(shí)木受制于大尺寸材料的稀有性和力學(xué)的各向異性,因此目前廣泛使用的工程木材料主要是人造板。人造板領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模巨大,我國(guó)人造板年產(chǎn)量超過3.25億立方米,市場(chǎng)規(guī)模近萬億元。傳統(tǒng)人造板主要通過含有甲醛的樹脂等粘合劑將木屑等生物質(zhì)原料粘結(jié)起來,這不僅提高了人造板的成本,還會(huì)在使用過程中持續(xù)釋放甲醛等有毒有害的氣體,有害使用者的身體健康。因此,發(fā)展高性能無甲醛綠色環(huán)保板材對(duì)傳統(tǒng)人造板產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展至關(guān)重要。

近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)通過深入解析生物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu),提出了一種利用生物質(zhì)天然納米結(jié)構(gòu)的全新的生物質(zhì)表面納米化策略,基于這種策略構(gòu)筑了一種可持續(xù)新型各向同性仿生木材( “RGI-wood”)。該策略巧妙地利用了木屑等生物質(zhì)中天然的纖維素納米纖維,將其暴露在木屑顆粒表面,并使其互相交聯(lián)從而構(gòu)筑無需任何粘合劑的高性能人造木材(圖1)。相關(guān)研究成果于12月12日以“Regenerated isotropic wood”為題發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》National Science Review上。

圖1.基于自下而上微米/納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備各向同性木材(RGI-wood)的示意圖。(a)天然木屑圖片;(b)表面蝕刻后的木屑顆粒;(c)表面納米化的木屑(SNWP)結(jié)構(gòu)示意圖;(d)Ca2+和氫鍵誘導(dǎo)的SNWP的組裝過程;(e)通過熱壓制備RGI-wood。

圖2.各向同性仿生木材與天然木材的性能對(duì)比。(a)彎曲強(qiáng)度對(duì)比;(b)壓縮強(qiáng)度對(duì)比;(c)各向同性仿生木材具有遠(yuǎn)超常用聚合物材料的強(qiáng)度和模量;(d)與天然木材的燃燒熱釋放率對(duì)比;(e)與天然木材的燃燒失重對(duì)比;(f)與天然木材的燃燒發(fā)煙量對(duì)比。

運(yùn)用這種策略所制備的人造木材在各方向上具有相同的力學(xué)強(qiáng)度,且超越了實(shí)木材和傳統(tǒng)人造板。這種新型人造木材自下而上的制備方式使其在尺寸上將不受限制,可以克服大塊實(shí)木材料的稀缺性,大大拓寬了這類木質(zhì)材料的應(yīng)用范圍。另外,其還表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性性和防水性。在這種高性能人造木材中,微米級(jí)木屑顆粒的暴露著大量的納米尺度的纖維素纖維,這些納米纖維通過離子鍵、氫鍵、范德華力以及物理糾纏等相互作用結(jié)合在一起,微米級(jí)的木屑顆粒也被這些互相纏繞的納米纖維網(wǎng)絡(luò)緊密地結(jié)合一起形成高強(qiáng)度的致密結(jié)構(gòu),而無需添加任何粘結(jié)劑。這種結(jié)構(gòu)特征帶來了高達(dá)170 MPa的各向同性抗彎強(qiáng)度和約10 GPa的彎曲模量,遠(yuǎn)超天然實(shí)木的力學(xué)強(qiáng)度。此外,新型人造木材還顯示出優(yōu)異的斷裂韌性,極限抗壓強(qiáng)度,硬度,抗沖擊性,尺寸穩(wěn)定性以及優(yōu)于天然木材的阻燃性。作為一種全生物基的環(huán)保材料,新型人造木材不僅不含任何粘結(jié)劑,還具有遠(yuǎn)超樹脂基材料和傳統(tǒng)塑料的力學(xué)性能,因此具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

此外,這種由納米纖維構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)也為制備木基納米復(fù)合材料提供了一種新途徑。通過將碳納米管(CNT)摻入木屑顆粒間的納米網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,可以獲得導(dǎo)電智能人造木材,因碳納米管能夠在其中形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò),因此其具有比傳統(tǒng)聚合物/碳納米管復(fù)合材料更好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和更高電導(dǎo)率?;谶@種智能人造木材的高導(dǎo)電性,它可以實(shí)現(xiàn)傳感、自發(fā)熱以及電磁屏蔽等多種應(yīng)用。這種智能人造木材表現(xiàn)出了出色的電磁屏蔽性能(X波段超過90 dB),可以滿足精密電子儀器屏蔽標(biāo)準(zhǔn)的要求。這種智能人造木材還可以在1.75 V低電壓下(約等于兩節(jié)五號(hào)電池的電壓)實(shí)現(xiàn)自發(fā)熱,可在5分鐘內(nèi)升至60攝氏度,這種在低電壓下即可自發(fā)熱木材可有效地確保自加熱設(shè)備的安全性,同時(shí)減少能耗。

這項(xiàng)研究提出了一種生物質(zhì)顆粒表面納米化方法和策略,可用于構(gòu)筑全生物質(zhì),不含任何粘結(jié)劑,具有優(yōu)異的力學(xué)性能,可復(fù)合的新型人造木材。同時(shí),這種全新的生物質(zhì)表面納米化策略也可以擴(kuò)展到其他生物質(zhì)(例如,樹葉、稻草和秸稈等),并可以實(shí)現(xiàn)多功能化,有望用于制造一系列綠色全生物質(zhì)的可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料,將進(jìn)一步推動(dòng)人造板行業(yè)向綠色、環(huán)保和低碳方向發(fā)展。

這項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心等資助。

參考資料

[1]中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),中國(guó)科大研制各向同性全生物質(zhì)仿生木材

[2]論文鏈接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa230


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