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[分享]听说过用木材造纸,但你听说过用木材造“钢铁”么?
作者:hjq 来源: 阅读次数:887次 发布日期:2018年3月15日

科学家们多年来一直在寻找一种能使木材“致密化”的方法,如果成功的话,致密化的过程可以使树木变成可替代多数建材的结构性材料。

尽管科学家们已经尝试了许多方法,例如将木材暴露于蒸汽或氨水中,然后像拧钢筋一样将其滚压,但结果制造出的木材的强度并不理想,特别是木材会在大气中随着对水蒸气的自然反应自我膨胀和收缩。

木材本身是由另外两种聚合物木质素和半纤维素结合的纤维素微纤维组成,将木材转化为纸张和纸板的过程包括从聚合物中释放木质素,这是钠浴的目的。一旦聚合物被部分去除,压缩就会破坏细胞壁,并使纤维素中的氢原子与其周围的其他原子形成新的键,从而对齐纤维素以产生坚硬,轻质,尺寸稳定的材料,而去除多少木质素是提升木质硬度的关键。

 

 

在这个过程中的挑战就是能够最大限度的去除木质素从而产生最大量的氢键。而马里兰大学的工程师近日首先完成了突破,虽说是美国的大学但领导该项目的教授则是实打实的华人,分别是胡良兵教授、负责人李腾与Langley教授,他们已经找到了一种新的处理方法,能够制造出比以前更强更坚韧十倍以上的木材,创造出许多比钛合金还要强的天然物质。

“这种处理木材的新方法使它比天然木材强十二倍,韧性强十倍,”研究团队的负责人胡良兵说,他在“自然”杂志上发表了关于这种新木质材料的文章。 “这可能成为钢铁甚至钛合金材料的全新竞争对手,它非常坚固耐用,它能与碳纤维相媲美,但价格更便宜。“胡先生是材料科学与工程学副教授,也是马里兰州能源创新研究院的成员。

 

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马里兰大学机械工程学教授Samuel P. Langley的团队负责人李腾说:“它既强又有韧性,这是一种在自然界不常见的特性组合。”该组织的负责人和Samuel P. Langley机械工程学教授说,他的团队测量了这种全新密实木材的机械性能, “它和钢铁一样坚固,而且更是在重量上轻了六倍,它需要施加比天然木材多10倍的断裂能量才能使之出现裂痕,它甚至于可以在工艺开始时进行弯曲和形变,改成想要的形状后再进行固化处理。”

木材加工的过程首先是去除木材中的木质素,这是木材的一部分,掌控着木材的棕色颜色以及硬度,然后在约150°F的温度下加热并压缩,这可以使纤维素纤维变得非常紧密,这一步可以让木材内的任何缺口如孔或结都会被紧密的压碎在一起,之后在表面涂抹一层特制漆。

科学家们发现,木材的纤维被紧紧压在一起后,可以让它们形成强大的氢键,就像一群紧密站在一起的人同时牵着手,紧密连接在一起,压缩后的木材比原始尺寸薄5倍。

团队用类似子弹的弹射装置测试了他们的新木材并对比天然木材,弹丸轻松的径直穿透了天然木材,但在完全处理的木材上,却无法突破。胡教授说:“像松木或轻木这样的软木,生长速度快,更加环保,可以取代柚木等生长缓慢但密度更大的木材,用于家具或建筑物的材料。

 

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这一项新发现为设计轻质高性能结构的材料提供了非常有前景的途径,对于需要高强度,高韧性和优异防弹性的广泛应用有巨大潜力,特别令人兴奋的是,该方法适用于各种木材,并且相当容易实施。“这种木材可用于如汽车,飞机,建筑物,任何使用钢材的应用,”胡教授说。

哈佛大学力学与材料教授索志刚博士说:“本文报道的两步法实现了极高强度的木材加工,价值远远超出了文献所说的范围,鉴于木材产量丰富,以及其他富含纤维素的植物,本文激发了木材无限的想象力。”

 

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“在我看来,最突出的观察结果是木质素的限制浓度(木质细胞之间的链接)的存在,以最大限度地提高致密木材的机械性能,与中间或部分木质素去除所达到的最大值相比,太少或太多的去除木质素都会降低强度,这揭示了氢键与这种多酚化合物赋予的粘合之间微妙的平衡。

此外,令人感兴趣的是,木材致密化导致强度和韧性的增加,两种性能在通常情况下是相互抵消的,但在这项研究中,两种特性都得到了增强”,芬兰阿尔托大学教授奥兰多J.罗哈斯说。

 

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胡教授他们的研究专门探索木材天然纳米技术的能力,他们以前也曾使用纳米纤维素相关材料制造了一系列新兴技术:

(1)用于替代塑料的超清晰纸张; 

(2)用于提高太阳能电池效率30%的光子纸; 

(3)木质电池和超级电容器;

(4)叶片电池; 

(5)用于节能建筑的透明木材; 

(6)海水淡化,特别是过滤有毒物质。

这些基于木材的新兴技术正通过马里兰大学剥离而出的公司Inventwood LLC进行商业化,可以想象未来高层建筑由木材大量代替钢材的时代了,又便宜又环保,给中国科学家点个赞!


 

(信息收集:建筑人才网
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