中國科大研制各向同性全生物質(zhì)仿生木材
木材一直是被廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)材料，但天然實木受制于大尺寸材料的稀有性和力學的各向異性，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)域市場規(guī)模巨大，我國人造板年產(chǎn)量超過3.25億立方米，市場規(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)保板材對傳統(tǒng)人造板產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展至關(guān)重要。
近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊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《國家科學評論》National Science Review上。
圖1.基于自下而上微米/納米結(jié)構(gòu)設(shè)計制備各向同性木材（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比。（a）彎曲強度對比；（b）壓縮強度對比；（c）各向同性仿生木材具有遠超常用聚合物材料的強度和模量；（d）與天然木材的燃燒熱釋放率對比；（e）與天然木材的燃燒失重對比；（f）與天然木材的燃燒發(fā)煙量對比。
運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強度，且超越了實木材和傳統(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170 MPa的各向同性抗彎強度和約10 GPa的彎曲模量，遠超天然實木的力學強度。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，還具有遠超樹脂基材料和傳統(tǒng)塑料的力學性能，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。基于這種智能人造木材的高導(dǎo)電性，它可以實現(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準的要求。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)五號電池的電壓）實現(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，同時減少能耗。
這項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)異的力學性能，可復(fù)合的新型人造木材。同時，這種全新的生物質(zhì)表面納米化策略也可以擴展到其他生物質(zhì)（例如，樹葉、稻草和秸稈等），并可以實現(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，將進一步推動人造板行業(yè)向綠色、環(huán)保和低碳方向發(fā)展。
這項研究受到國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國家科學中心等資助。
論文鏈接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa230
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