人工木材從“形似”走向“神似”

時間:2018-09-08 08:03來源:科學網 作者:袁一雪
新型人工木材不僅具有類似木材的取向孔道結構,而且力學強度與天然木材相當,更重要的是,人工木材還具有很好的耐腐蝕、隔熱和防火性能。
  新型人工木材不僅具有類似木材的取向孔道結構,而且力學強度與天然木材相當,更重要的是,人工木材還具有很好的耐腐蝕、隔熱和防火性能。
  鋼材、樹脂、碳纖維……這些人造合成材料已經越來越多地出現在日常生活中。這既是科學技術進步的結果,也是人類不斷追求美好生活使然。
  不過,始終有一種材料一直無法被完全取代,那就是木材。因其質輕又兼顧韌性以及易加工等特性,這些都是人工材料無法取代的。
  近日,中國科技大學化學與材料科學學院教授俞書宏帶領的研究團隊傳來好消息,該團隊以傳統酚醛樹脂和密胺樹脂為基體材料研制出了樹脂基仿生人工木材。神奇的是,它不僅化學組分上接近天然木材,而且,在其內部也有類似天然木材的取向孔道結構。
  正是這樣的結構,讓人造木材的壁厚和孔尺寸具有較好的可調控性,壓縮屈服強度也與天然木材相當。而且,除了質量輕、強度高,它與天然木材相比還具有耐腐蝕、隔熱和防火等優點。據悉,這種人工木材有望代替天然木材,實現在苛刻或極端條件下的應用。
  選取材料
  使用人工材料模擬天然木材并不是件容易的事情,為何選擇使用傳統酚醛樹脂和密胺樹脂為基體材料呢?俞書宏在接受《中國科學報》記者采訪時解釋說,因為木材化學成分主要是由基體材料木質素和填充材料纖維素纖維組成。這兩種組分復合成“鋼筋混凝土”結構,才讓木材雖然輕卻具有非常高的強度。“基體材料木質素是一種典型的無定型結構的多酚聚合物,它就像一個堅固的三維網絡將纖維素纖維牢牢地束縛在木頭孔壁之內。”在人工合成的化學產品中有一種聚合物與木質素非常類似,就是酚醛樹脂。它具有很好的可加工性,定型后可以通過加熱來交聯固化,且固化后具有非常好的力學性能。而密胺樹脂也具有類似特點,所以,研究人員選擇了這兩種樹脂作為人工木材的基體材料。
  但在之前的研究中,使用陶瓷粉末材料和膠黏劑的混合漿料較多。這種混合漿料可以通過取向冷凍并干燥后,再在1500℃以上的高溫下進行燒結,但這樣獲得的陶瓷塊體材料強度不理想。另外一類是將聚合物溶液進行取向冷凍,干燥后制得聚合物基仿木結構材料,強度也非常低,目前主要用于細胞工程等領域。
  經過一系列試驗證明,傳統酚醛樹脂和密胺樹脂組合的新材料,比天然木材更耐腐蝕,且它被火焰引燃后還能迅速自動熄滅。而傳統的陶瓷基仿木結構材料雖然具有很好的防火性能,但是隔熱性能很差,因為陶瓷本身就具有很好的傳熱能力。在保證質量輕、強度高性能的前提下,其他仿木結構材料很難做到防火跟隔熱一體化,然而,這一難題卻被俞書宏研究團隊破解了。
  這讓研究人員看到新材料更多應用的前景,比如與石墨烯復合的人工木材具有良好的隔熱效果,且易于大規模生產。
  模擬天然木材孔道是個難題
  人造木材的基體材料確定后,擺在研究人員面前的問題是如何復原天然木材的孔道結構。為何要復原孔道結構?因為天然木材之所以保持著質量輕、強度高的優點,就是因為存在孔道結構。也就是說,如果無法復原孔道結構,那么人工木材就只能是“形似”,而無法達到“神似”。
  研究人員嘗試著在冷凍狀態下,將樹脂的水溶液置于冷臺之上,與冷臺接觸的液體開始結冰,冰晶會沿著溫度梯度方向生長。樹脂材料因為受到冰晶的影響形成孔壁,將冰晶升華和固化后,原來因為冰晶所占的空間形成的孔道就自然而然地留在基體內。方法說起來簡單,但實現起來并不容易。“只是研究孔道,我們就花了近兩年的時間。”俞書宏說。
  在研究過程中,研究人員遇到大大小小很多問題,最困難的環節應該是樹脂材料在冷凍干燥之后、固化之前,如何維持取向孔道結構。因為基體材料采用的是液態的樹脂,但在冷凍干燥之后、固化之前這個空檔期,冰晶已經升華,而液態樹脂尚無法維持固定的形狀,所以在重力作用下液態樹脂會發生蠕變,導致整個結構完全塌掉。
  為了解決這一問題,研究人員尋找添加另一種材料作為臨時支架來穩定樹脂。經過研究,他們發現殼聚糖是非常合適的臨時支架材料。因為在干燥情況下殼聚糖是固體,能夠維持特定的形狀,而且殼聚糖與樹脂具有非常強的靜電相互作用,在冰晶升華之后,殼聚糖能夠將液態樹脂牢牢束縛住,克服其蠕變行為,為他們加熱固化樹脂爭取了時間。
  在這項研究中,俞書宏等研究人員利用新開發的“自組裝和熱固化”技術制備人工木材,制備過程分兩步——取向冷凍技術定型和樹脂加熱固化成型。雖然這兩項技術并非新技術,但將取向冷凍和樹脂固化結合使用的技術卻是首創,“這兩種技術的結合并非簡單的1+1,而是需要克服很多技術難題”。俞書宏坦言。
  批量生產還需時間
  “新的方法具有簡單、易操作等優點,所得的新型人工木材不僅具有類似木材的取向孔道結構,而且力學強度與天然木材相當,更重要的是,人工木材還具有很好的耐腐蝕、隔熱和防火性能。”俞書宏表示,這種材料不僅材質性能優異,而且制作成本不高。
  但是,目前人工木材還無法走出實驗室。
  首先,材料品種有限,現下僅限于酚醛樹脂和密胺樹脂,研究人員還需要進一步開發其他工程材料或自然材料的仿木材結構材料,拓寬材料種類。因為酚醛樹脂和密胺樹脂都是典型的脆性材料,使用過程中很容易發生脆性斷裂。
  其次,新材料的成本還需進一步控制,因為現在的經濟和時間成本來自于冷凍干燥機的使用過程。“冷凍干燥時間取決于樣品尺寸,樣品越大、越厚,所需時間越長,因為樣品中心處冰晶升華需要更長的時間。”俞書宏解釋說。而且,在實驗室,樣品的長度受冷凍平臺尺寸和凍干機尺寸的限制,另外,這種方法制備的樣品厚度也有極限,最高大約5厘米。制備更厚的樣品,則需要選用其他冷凍方法了。
  “如果冷凍干燥過程可以用更簡單、省時的技術替代,批量生產將成為可能。”俞書宏說。

(責任編輯:admin)


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