中国科大研制各向同性全生物质仿生木材

2020年12月14日

中国科大研制各向同性全生物质仿生木材

木材一直是被广泛使用的一种结构材料，但天然实木受制于大尺寸材料的稀有性和力学的各向异性，因此目前广泛使用的工程木材料主要是人造板。人造板领域市场规模巨大，我国人造板年产量超过3.25亿立方米，市场规模近万亿元。传统人造板主要通过含有甲醛的树脂等粘合剂将木屑等生物质原料粘结起来，这不仅提高了人造板的成本，还会在使用过程中持续释放甲醛等有毒有害的气体，有害使用者的身体健康。因此，发展高性能无甲醛绿色环保板材对传统人造板产业升级发展至关重要。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队通过深入解析生物质微观结构，提出了一种利用生物质天然纳米结构的全新的生物质表面纳米化策略，基于这种策略构筑了一种可持续新型各向同性仿生木材（“RGI-wood”）。该策略巧妙地利用了木屑等生物质中天然的纤维素纳米纤维，将其暴露在木屑颗粒表面，并使其互相交联从而构筑无需任何粘合剂的高性能人造木材（图1）。相关研究成果于12月12日以“Regenerated isotropic wood”为题发表在《国家科学评论》National Science Review上。

图1.基于自下而上微米/纳米结构设计制备各向同性木材（RGI-wood）的示意图。（a）天然木屑图片；（b）表面蚀刻后的木屑颗粒；（c）表面纳米化的木屑（SNWP）结构示意图；（d）Ca2+和氢键诱导的SNWP的组装过程；（e）通过热压制备RGI-wood。

图2.各向同性仿生木材与天然木材的性能对比。（a）弯曲强度对比；（b）压缩强度对比；（c）各向同性仿生木材具有远超常用聚合物材料的强度和模量；（d）与天然木材的燃烧热释放率对比；（e）与天然木材的燃烧失重对比；（f）与天然木材的燃烧发烟量对比。

运用这种策略所制备的人造木材在各方向上具有相同的力学强度，且超越了实木材和传统人造板。这种新型人造木材自下而上的制备方式使其在尺寸上将不受限制，可以克服大块实木材料的稀缺性，大大拓宽了这类木质材料的应用范围。另外，其还表现出优异的阻燃性性和防水性。在这种高性能人造木材中，微米级木屑颗粒的暴露着大量的纳米尺度的纤维素纤维，这些纳米纤维通过离子键、氢键、范德华力以及物理纠缠等相互作用结合在一起，微米级的木屑颗粒也被这些互相缠绕的纳米纤维网络紧密地结合一起形成高强度的致密结构，而无需添加任何粘结剂。这种结构特征带来了高达170 MPa的各向同性抗弯强度和约10 GPa的弯曲模量，远超天然实木的力学强度。此外，新型人造木材还显示出优异的断裂韧性，极限抗压强度，硬度，抗冲击性，尺寸稳定性以及优于天然木材的阻燃性。作为一种全生物基的环保材料，新型人造木材不仅不含任何粘结剂，还具有远超树脂基材料和传统塑料的力学性能，因此具有非常广泛的应用前景。
此外，这种由纳米纤维构成的网络也为制备木基纳米复合材料提供了一种新途径。通过将碳纳米管（CNT）掺入木屑颗粒间的纳米网络当中，可以获得导电智能人造木材，因碳纳米管能够在其中形成连续的三维网络，因此其具有比传统聚合物/碳纳米管复合材料更好的导电网络和更高电导率。基于这种智能人造木材的高导电性，它可以实现传感、自发热以及电磁屏蔽等多种应用。这种智能人造木材表现出了出色的电磁屏蔽性能（X波段超过90 dB），可以满足精密电子仪器屏蔽标准的要求。这种智能人造木材还可以在1.75 V低电压下（约等于两节五号电池的电压）实现自发热，可在5分钟内升至60摄氏度，这种在低电压下即可自发热木材可有效地确保自加热设备的安全性，同时减少能耗。
这项研究提出了一种生物质颗粒表面纳米化方法和策略，可用于构筑全生物质，不含任何粘结剂，具有优异的力学性能，可复合的新型人造木材。同时，这种全新的生物质表面纳米化策略也可以扩展到其他生物质（例如，树叶、稻草和秸秆等），并可以实现多功能化，有望用于制造一系列绿色全生物质的可持续结构材料，将进一步推动人造板行业向绿色、环保和低碳方向发展。
这项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥综合性国家科学中心等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa230

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部）

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愿无甲醛绿色环保板材能早日替代现在的人造板。