中国科大成功研制仿生人工木材

发布者:李雅清发布时间:2018-08-13浏览次数:47

天然木材的独特取向孔道结构赋予了其轻质高强的特点,有关仿木头结构的研究是国际上仿生材料研究领域的热点之一。然而,传统的仿木头结构材料是“徒有其型”,虽然以往的研究实现了取向孔道结构的模仿,但其力学性能远不能令人满意。例如,目前开发的陶瓷基仿木头结构材料,不仅密度高、强度低、缺陷多,而且制备过程需要高温烧结(通常>1500 ⁰C)。因此,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。


最近,中国科学技术大学俞书宏教授领导的团队发展了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的新技术,以传统的酚醛树脂和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。该系列仿生人工木材具有轻质高强、耐腐蚀和隔热防火等优点。研究论文以“Bioinspired polymeric woods”为题发表在8月10日的《科学进展》上(Science Advances 2018, 4: eaat7223.),并被《Science》杂志科学新闻(Science News)以“This synthetic wood is as strong as the real thing—and won’t catch fire为题作了报道。论文的共同第一作者为我校博士后于志龙和硕士生杨宁。


图1. 人工木头的制备过程示意图。(A)树脂聚合物的混合溶液;(B)取向冷冻和干燥后具有取向孔道结构的聚合物干胶;C)固化后的树脂基仿生木材;(D)酚醛树脂基(上)和密胺树脂基(下)仿生木材实物照片


研究人员研制的一系列树脂基仿生人工木材,具有非常类似天然木材的取向孔道结构,并且壁厚和孔尺寸具有很好的可调控性(图1)。这种方法还可以复合多种纳米材料以制备多功能复合人工木材,而且简单高效,容易放大生产。这种取向孔道结构的人工木材具有突出的机械性能,压缩屈服强度优于已开发的多种仿木结构的陶瓷材料,且与天然木材性能相当(图2)。


图2. 仿生人工木材的照片、结构和力学性能。(A)酚醛树脂基人工木材与微观结构;

(B)密胺树脂基人工木材与微观结构;(C)人工木材的力学性能与其他工程材料对比图。


图3. 人工木材的防火性能和巴尔杉木的易燃性对比。(a)CMF人工木材;

(b)CPF人工木材;(c)CPF/GO复合木材;(d)巴尔杉木。


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、隔热和防火性能。在该项研究中,由于选用热固树脂材料作为基体材料,所制备的仿生人工木材具有很好的防水、耐酸腐蚀的特点,在水和硫酸溶液中浸泡30天,其力学强度均没有衰减。得益于其取向孔道结构和孔壁中复合的纳米材料,与石墨烯复合的人工木材具有很好的径向(垂直于孔道方向)隔热效果,最低热导率可达20.8 mW/mK(毫瓦每米每开尔文)。考虑到人工木材的高比强度(压缩强度/密度),这种人工木材比其他工程材料和气凝胶材料具有更好的实用性。


易燃性是天然木材在实际应用中面临的最大问题,而防火阻燃则是人工木材最大的优点,而且通过复合不同的纳米材料可以进一步提高其防火隔热性能。这种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,而这正是天然木材无法克服的缺点(图3)。


作为一种新型的仿生工程材料,其多功能性优于传统的工程材料,这类人工木材有望代替天然木材,实现在苛刻或极端条件下的应用。此外,这种合成方法为制备和加工一系列高性能仿生工程材料提供了新的思路,其功能的可设计性等优点将有助于拓宽该方法和制备的材料在多种技术领域中的应用。


该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。


附文章链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat7223

Highlighted by Science News (doi:10.1126/science.aav0689)

http://www.sciencemag.org/news/2018/08/synthetic-wood-strong-real-thing-and-won-t-catch-fire


(合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院纳米科学卓越创新中心

苏州纳米科技协同创新中心、科研部)