Nature：让木材像钢铁一样坚硬！

纳米人 · 公众号 · · 2018-02-08 07:45

正文

第一作者：Jianwei Song, Chaoji Chen, Shuze Zhu, Mingwei Zhu

通讯作者：Teng Li, Liangbing Hu

第一单位：马里兰大学（美国）

自钻木取火以来，木材就在人类生活中发挥重要地位。丰富的资源和相对低廉的成本使得木材被广泛应用于造船、建筑和家具等等。长期以来，科学家一直尝试将木材应用到现代化先进制造过程领域，以取代钢铁、合金等高成本高污染的人工合成材料。

问题在于：木材密度较低，力学性能难以满足许多工程建设要求，对木材的简单密实化处理，也往往效果不佳。

有鉴于此，美国马里兰大学 Liangbing Hu 和 Teng Li 团队报道了一种新型的密实化处理工艺，可以使天然木材强度提高 11 倍，密度提高 3 倍，比强度达到 422.2 ± 36.3 MPa cm ³ g ⁻¹ ，超过众多金属和合金材料。

图 1. 木材处理工艺

这种密实化工艺主要包括以下两个步骤：

1）化学处理

类似木材造纸工艺，研究人员首先以 NaOH 和 Na ₂ SO ₃ 水溶液作为化学处理试剂，在沸腾环境中去除天然木材中的部分木质素和半纤维素。

2）高温压实

然后，在 100 ℃温度条件下高温压实处理，去除木材中的绝大部分孔隙，使密度从 0.43 g cm ^-3 提高到 1.3 g cm ^-3 ，木材厚度减少 80% 左右。

图 2. 天然木材和密实化木材结构表征

经过以上工艺处理后的木材，密度提高了 3 倍，硬度和强度提高了 11 倍。比强度达到 422.2 ± 36.3 MPa cm ³ g ⁻¹ ，超过目前大部分金属和合金材料。

之前的报道中，仅通过热压处理，木材密度也可提高 3 倍，但是硬度仅提高 3-4 倍。因此，研究人员认为，本工艺中的化学处理，是木材硬度提高 11 倍的关键原因。而经过本工艺处理之后的木材由许多高度曲线排列的纤维素纳米纤维组成，相邻的纳米纤维素之间形成大量氢键。化学处理，使基于纤维素的细胞壁更稳定，在水中更不容易膨胀。当然，这种木头再也不能漂浮在水面了。