防火耐酸还隔热?中国智造的仿生木材,就是这么“硬核”!

导读:
随着冶金工业的发展、工艺水平的提高,以及木材价格的攀升和资源的紧缺,人们的经济、环保、安全意识增强等各方面因素,各类金属材料仿木结构如雨后春笋般地涌现,如钢质仿木件、铝合金仿木件等,也都得到了广泛应用。

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应用广泛的仿木结构

从前提起仿木结构,大家的印象是,内部用水泥、石材,外部呢,简单点的,是用颜料绘出纹路,在断面画上年轮、侧面画上树皮状纹路来表示树木;复杂一些的,就是在水泥基材上面包一层塑料制品,以达到手感与外观都很像木材的效果。

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随着冶金工业的发展、工艺水平的提高,以及木材价格的攀升和资源的紧缺,人们的经济、环保、安全意识增强等各方面因素,各类金属材料仿木结构如雨后春笋般地涌现,如钢质仿木件、铝合金仿木件等,也都得到了广泛应用。

廊桥上的柱、梁和栏杆,游船船体和上层建筑,舞台特色框架、路灯杆,以及家私中的橱、柜、架、桌、椅等。总之,凡是需要保留传统文化和木质景观,又想渗入现代元素的场合,常常会采用以金属材料制成仿木结构的形式。

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然而天然木材除了颜色花纹美观以外,其独特的平行孔道结构赋予了其轻质高强的特点,这也是木材的一大特色。无论是水泥、石材的仿木,还是金属材料仿木,都是“徒有其型”,其力学性能远不能令人满意。

新型仿生人工木材—仿木又仿生

有关模仿木头结构的研究一直是国际上仿生材料研究领域的热点之一。如何制备真正具有轻质高强特点的仿木材结构材料是仿生材料研究领域面临的挑战。

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近日,中国科学技术大学俞书宏教授的团队研发了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的新技术,以传统的酚醛树脂或密胺树脂为基体材料,成功研制了一系列具有类似天然木材取向孔道结构的新型仿生人工木材。

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▲基于取向冷冻技术的传统树脂(酚醛树脂和密胺树脂)基仿生人工木材的制备过程、结构示意图和一系列仿生木材

相关研究成果以‘Bioinspired polymeric woods'  (仿生聚合物木材)为题,发表在<Science Advances> (《科学进展》)上。

Science News杂志以‘This synthetic wood is as strong as the real thing—and won’t catch fire’ (这种合成木材与天然木材一样坚固且不会着火)为题,对该成果进行报道。

与以往的仿木结构不同,该系列仿生人工木材不仅化学组分上接近天然木材 ,在其内部也有类似天然木材的取向孔道结构。

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▲天然巴尔杉木和人工木头的结构对比扫描电镜(SEM)照片

这已经不是科学家从仿生角度对木材的首次探索,前人在运用陶瓷材料进行木材仿生研究的道路上已经积累了不少经验。使用陶瓷粉末材料和胶黏剂的混合浆料通过取向冷冻并干燥后,再在1500℃以上的高温下进行烧结,但此方法开发的多种仿木结构的陶瓷材料力学强度并不理想。

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而该新型仿生人工木材,在性能上不仅具有天然木材轻质高强的特点,力学强度也与天然木材性能相当,甚至还具有耐腐蚀和防火隔热的优点,综合性能十分优异。

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(A)人工木材在水和硫酸溶液中浸泡前后的力学压缩曲线

(B)人工木材与巴尔杉木和商业酚醛泡沫的各向异性热导率的对比

(C)各向异性孔道中热量传递机理示意图

(D)人工木材和多种工程材料、气凝胶材料的热导率和比强度的对比图

使用人工材料模拟天然木材并不是件容易的事情,为何选择使用传统酚醛树脂和密胺树脂为基体材料呢?

俞书宏在接受《中国科学报》记者采访时解释说,因为木材化学成分主要是由基体材料木质素和填充材料纤维素纤维组成。这两种组分复合成“钢筋混凝土”结构,才让木材虽然轻却具有非常高的强度。

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▲木质素表面特写

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▲纤维素结构

 

“基体材料木质素是一种典型的无定型结构的多酚聚合物,它就像一个坚固的三维网络将纤维素纤维牢牢地束缚在木头孔壁之内。”

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在人工合成的化学产品中有一种聚合物与木质素非常类似,就是酚醛树脂。它具有很好的可加工性,定型后可以通过加热来交联固化,且固化后具有非常好的力学性能。

密胺树脂也具有类似特点,所以,研究人员选择了这两种树脂作为人工木材的基体材料。

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与天然木材相比,仿生人工木材最大的优势在于其耐腐蚀性、防火和隔热性能。

耐腐蚀性优越

该研究制备的仿生人工木材在pH=3的稀硫酸溶液中浸泡30天,其力学强度均没有衰减。

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▲人工木头的力学性能表征与结构失效机理

防火性能优越

易燃是天然木材在实际应用中面临的最大问题,无论是存放、加工、运输还是使用,都存在一定的安全隐患。

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而该人工木材具有很好的防火性能,在火焰引燃后能够迅速自熄灭。防火阻燃就是人工木材最大的优点,并且可以通过复合无机纳米材料的运用,进一步提高其防火性能。

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隔热性能优越

传统的陶瓷基仿木结构材料虽然具有很好的防火性能,但是隔热性能很差,因为陶瓷本身就具有很好的传热能力。

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在保证质量轻、强度高性能的前提下,其他仿木结构材料很难做到防火跟隔热一体化,而该新型仿生人工木材就很好地解决了这个难题。

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与石墨烯复合的人工木材具有很好的保温隔热效果,最低热导率可达20.8mW/(m·K),隔热性能远优于市面上的聚合物保温材料,如发泡聚苯乙烯、聚氨酯泡沫等。

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▲石墨烯结构

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▲发泡聚苯乙烯隔热板

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▲聚氨酯泡沫板

运用前景广泛

由于此新型仿生人工木材具有很高的比强度(即强度/密度),使得这种人工木材比其他工程材料具有更好的实用性。

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正是由于这种新型的仿生人工木材模仿了天然木材的平行孔道结构,因此其孔壁厚和孔尺寸具有很好的可调控性,而且还可以复合多种纳米材料以制备多功能复合人工木材,简单高效,容易放大生产。

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虽说十年树木,但打造一套好家具所需的木材又何止百年?

社会大量地需求必然会导致大量地采伐,红木等稀有木材价格连年飙升也是这个原因。

然而,比木材价格飙升更可怕的,是对生态不可修复的破坏。

这些年来的气候变化异常,空气质量和水环境的恶化,人们的生存环境变得严峻,已经说明了这一点。

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使用仿生人工木材,不仅可以获得质地优良、纹理优美的“木质家具”,还可以大大减少木材的用量,有利于生态环境的保护。

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希望此系列仿生人工木材可以尽快走出实验室,走向市场,得到大力倡导和全面推广。