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人造仿生木材:具有防火和防水特性,未来有望取代天然

发布时间:2018-12-12 18:17:52
人造仿生木材:具有防火和防水特性,未来有望取代天然木材

近年来,材料科学家不断从大自然中找寻灵感,仿造生物体的结构来合成高效能的新材料。中国科学家就从木材得到灵感,研发出一种比木材强韧,且具有防火和防水特性的人造材料。这种人造仿生木材未来有望取代天然木材,并应用于工程领域。


仿生木材

天然木材虽然很轻,却具有非常高的强度,这主要是来自木材内部的特殊结构。其独特的分层细胞结构及由木质素(lignin)、半纤维素(hemicellulose)形成的网络,再加上方向一致的纤维素丝,使得木材具有无与伦比的强度。另外,由于材料取得容易,成本较低,材料学家纷纷模仿木材内部结构,来创造出高强度材料。

不过,木材虽然拥有高强度,却不耐水也不耐火。另外,传统上作为仿生木材基材的陶瓷材料不具有高强度又易碎,且热处理温度极高,通常要烧到摄氏1500度以上才能烧结成一体。

为了解决这个问题,合肥中国科学技术大学(UniversityofScienceandTechnologyofChina)的研究团队使用一种特殊材料来合成仿生木材。他们在一种水溶性高分子树脂(resin)溶液中加入一些甲壳素(chitosan)。当树脂溶液冷冻干燥后,就会生成一个具有微孔及孔洞通道的结构。甲壳素的胺基与树脂间具有强烈反应,可以避免结构变形,能帮助孔洞通道的支撑。接着,研究团队将树脂加热到摄氏200度进行热处理,让结构之间产生强力化学键结,以合成人造木材。


防水又防火

中国科技大学材料化学家余书宏(音,Shu-Hong Yu)说,这种材料在今年8月的《科学进展》(Science Advances)上被描述为具有与木材抗碎性的材料。在其制作过程中,更快的冷冻干燥会产生更小的通道和毛孔,这将进一步强化材料强度,Yu说,研究小组也发现,较高的固化温度会增加树脂内部的结合,这样也会增加材料的强度,向其中加入人造纤维或天然纤维也会对提高强度有帮助。

与天然木材不同,这种新材料的生产过程并不需要很长时间。此外,它还有排斥水的自带属性,一块新材料的样本就算在水和强酸中浸泡30天,它的强度几乎也不会减弱,而在类似条件下测试的巴尔沙木材样品失去了三分之二的强度和40%的抗压能力,并且这种新材料也很难点燃,就算被点燃了,只要当它从火焰中被取出时就会停止燃烧。

瑞典斯德哥尔摩大学(Stockholm University in Sweden)材料科学家伦纳特·伯格斯特罗姆(Lennart Bergstrom)没有参与这项研究,但他补充说,这种仿制的木材非常适合用于可放进微波炉的包装;它的多孔性使其具有空气隔离能力,这使得它同时也非常适合作为建筑物的隔热材料,并且聚合物树脂的环保替代品也可以提高人们对这种材料的兴趣。

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