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聽說過用木材造紙,但你聽說過用木材造“鋼鐵”麽?

目录:行業新聞发布时间:2019-01-17 14:33:55點擊率:

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科學家們多年來一直在尋找一種能使木材“致密化”的方法,如果成功的話,致密化的過程可以使樹木變成可替代多數建材的結構性材料。

盡管科學家們已經嘗試了許多方法,例如將木材暴露于蒸汽或氨水中,然後像擰鋼筋一樣將其滾壓,但結果制造出的木材的強度並不理想,特別是木材會在大氣中隨著對水蒸氣的自然反應自我膨脹和收縮。

木材本身是由另外兩種聚合物木質素和半纖維素結合的纖維素微纖維組成,將木材轉化爲紙張和紙板的過程包括從聚合物中釋放木質素,這是鈉浴的目的。一旦聚合物被部分去除,壓縮就會破壞細胞壁,並使纖維素中的氫原子與其周圍的其他原子形成新的鍵,從而對齊纖維素以産生堅硬,輕質,尺寸穩定的材料,而去除多少木質素是提升木質硬度的關鍵。

在這個過程中的挑戰就是能夠最大限度的去除木質素從而産生最大量的氫鍵。而馬裏蘭大學的工程師近日首先完成了突破,雖說是美國的大學但領導該項目的教授則是實打實的華人,分別是胡良兵教授、負責人李騰與Langley教授,他們已經找到了一種新的處理方法,能夠制造出比以前更強更堅韌十倍以上的木材,創造出許多比钛合金還要強的天然物質。

“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。

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。”

木材加工的過程首先是去除木材中的木質素,這是木材的一部分,掌控著木材的棕色顔色以及硬度,然後在約150°F的溫度下加熱並壓縮,這可以使纖維素纖維變得非常緊密,這一步可以讓木材內的任何缺口如孔或結都會被緊密的壓碎在一起,之後在表面塗抹一層特制漆。

科學家們發現,木材的纖維被緊緊壓在一起後,可以讓它們形成強大的氫鍵,就像一群緊密站在一起的人同時牽著手,緊密連接在一起,壓縮後的木材比原始尺寸薄5倍。

團隊用類似子彈的彈射裝置測試了他們的新木材並對比天然木材,彈丸輕松的徑直穿透了天然木材,但在完全處理的木材上,卻無法突破。胡教授說:“像松木或輕木這樣的軟木,生長速度快,更加環保,可以取代柚木等生長緩慢但密度更大的木材,用于家具或建築物的材料。

這一項新發現爲設計輕質高性能結構的材料提供了非常有前景的途徑,對于需要高強度,高韌性和優異防彈性的廣泛應用有巨大潛力,特別令人興奮的是,該方法適用于各種木材,並且相當容易實施。“這種木材可用于如汽車,飛機,建築物,任何使用鋼材的應用,”胡教授說。

哈佛大學力學與材料教授索志剛博士說:“本文報道的兩步法實現了極高強度的木材加工,價值遠遠超出了文獻所說的範圍,鑒于木材産量豐富,以及其他富含纖維素的植物,本文激發了木材無限的想象力。”

“在我看來,最突出的觀察結果是木質素的限制濃度(木質細胞之間的鏈接)的存在,以最大限度地提高致密木材的機械性能,與中間或部分木質素去除所達到的最大值相比,太少或太多的去除木質素都會降低強度,這揭示了氫鍵與這種多酚化合物賦予的粘合之間微妙的平衡。

此外,令人感興趣的是,木材致密化導致強度和韌性的增加,兩種性能在通常情況下是相互抵消的,但在這項研究中,兩種特性都得到了增強”,芬蘭阿爾托大學教授奧蘭多J.羅哈斯說。

胡教授他們的研究專門探索木材天然納米技術的能力,他們以前也曾使用納米纖維素相關材料制造了一系列新興技術:

(1)用于替代塑料的超清晰紙張;

(2)用于提高太陽能電池效率30%的光子紙;

(3)木質電池和超級電容器;

(4)葉片電池;

(5)用于節能建築的透明木材;

(6)海水淡化,特別是過濾有毒物質。

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!



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