鋼材、樹脂、碳纖維……這些人造合成材料已經(jīng)越來越多地出現(xiàn)在日常生活中。這既是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果，也是人類不斷追求美好生活使然。
不過，始終有一種材料一直無法被完全取代，那就是木材。因其質(zhì)輕又兼顧韌性以及易加工等特性，這些都是人工材料無法取代的。
近日，中國科技大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授俞書宏帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊傳來好消息，該團(tuán)隊以傳統(tǒng)酚醛樹脂和密胺樹脂為基體材料研制出了樹脂基仿生人工木材。
神奇的是，它不僅化學(xué)組分上接近天然木材，而且，在其內(nèi)部也有類似天然木材的取向孔道結(jié)構(gòu)。
樹脂基仿生人工木材
正是這樣的結(jié)構(gòu)，讓人造木材的壁厚和孔尺寸具有較好的可調(diào)控性，壓縮屈服強(qiáng)度也與天然木材相當(dāng)。而且，除了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，它與天然木材相比還具有耐腐蝕、隔熱和防火等優(yōu)點。
據(jù)悉，這種人工木材有望代替天然木材，實現(xiàn)在苛刻或極端條件下的應(yīng)用。
選取材料
使用人工材料模擬天然木材并不是件容易的事情，為何選擇使用傳統(tǒng)酚醛樹脂和密胺樹脂為基體材料呢？
俞書宏在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時解釋說，因為木材化學(xué)成分主要是由基體材料木質(zhì)素和填充材料纖維素纖維組成。
這兩種組分復(fù)合成“鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)，才讓木材雖然輕卻具有非常高的強(qiáng)度。
“基體材料木質(zhì)素是一種典型的無定型結(jié)構(gòu)的多酚聚合物，它就像一個堅固的三維網(wǎng)絡(luò)將纖維素纖維牢牢地束縛在木頭孔壁之內(nèi)。”在人工合成的化學(xué)產(chǎn)品中有一種聚合物與木質(zhì)素非常類似，就是酚醛樹脂。
它具有很好的可加工性，定型后可以通過加熱來交聯(lián)固化，且固化后具有非常好的力學(xué)性能。而密胺樹脂也具有類似特點，所以，研究人員選擇了這兩種樹脂作為人工木材的基體材料。
但在之前的研究中，使用陶瓷粉末材料和膠黏劑的混合漿料較多。這種混合漿料可以通過取向冷凍并干燥后，再在1500℃以上的高溫下進(jìn)行燒結(jié)，但這樣獲得的陶瓷塊體材料強(qiáng)度不理想。
另外一類是將聚合物溶液進(jìn)行取向冷凍，干燥后制得聚合物基仿木結(jié)構(gòu)材料，強(qiáng)度也非常低，目前主要用于細(xì)胞工程等領(lǐng)域。
經(jīng)過一系列試驗證明，傳統(tǒng)酚醛樹脂和密胺樹脂組合的新材料，比天然木材更耐腐蝕，且它被火焰引燃后還能迅速自動熄滅。
而傳統(tǒng)的陶瓷基仿木結(jié)構(gòu)材料雖然具有很好的防火性能，但是隔熱性能很差，因為陶瓷本身就具有很好的傳熱能力。在保證質(zhì)量輕、強(qiáng)度高性能的前提下，其他仿木結(jié)構(gòu)材料很難做到防火跟隔熱一體化，然而，這一難題卻被俞書宏研究團(tuán)隊破解了。
這讓研究人員看到新材料更多應(yīng)用的前景，比如與石墨烯復(fù)合的人工木材具有良好的隔熱效果，且易于大規(guī)模生產(chǎn)。
模擬天然木材孔道是個難題
人造木材的基體材料確定后，擺在研究人員面前的問題是如何復(fù)原天然木材的孔道結(jié)構(gòu)。為何要復(fù)原孔道結(jié)構(gòu)？
因為天然木材之所以保持著質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點，就是因為存在孔道結(jié)構(gòu)。也就是說，如果無法復(fù)原孔道結(jié)構(gòu)，那么人工木材就只能是“形似”，而無法達(dá)到“神似”。
研究人員嘗試著在冷凍狀態(tài)下，將樹脂的水溶液置于冷臺之上，與冷臺接觸的液體開始結(jié)冰，冰晶會沿著溫度梯度方向生長。
樹脂材料因為受到冰晶的影響形成孔壁，將冰晶升華和固化后，原來因為冰晶所占的空間形成的孔道就自然而然地留在基體內(nèi)。方法說起來簡單，但實現(xiàn)起來并不容易?！爸皇茄芯靠椎溃覀兙突私鼉赡甑臅r間。”俞書宏說。
在研究過程中，研究人員遇到大大小小很多問題，最困難的環(huán)節(jié)應(yīng)該是樹脂材料在冷凍干燥之后、固化之前，如何維持取向孔道結(jié)構(gòu)。
因為基體材料采用的是液態(tài)的樹脂，但在冷凍干燥之后、固化之前這個空檔期，冰晶已經(jīng)升華，而液態(tài)樹脂尚無法維持固定的形狀，所以在重力作用下液態(tài)樹脂會發(fā)生蠕變，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)完全塌掉。
為了解決這一問題，研究人員尋找添加另一種材料作為臨時支架來穩(wěn)定樹脂。經(jīng)過研究，他們發(fā)現(xiàn)殼聚糖是非常合適的臨時支架材料。
因為在干燥情況下殼聚糖是固體，能夠維持特定的形狀，而且殼聚糖與樹脂具有非常強(qiáng)的靜電相互作用，在冰晶升華之后，殼聚糖能夠?qū)⒁簯B(tài)樹脂牢牢束縛住，克服其蠕變行為，為他們加熱固化樹脂爭取了時間。
在這項研究中，俞書宏等研究人員利用新開發(fā)的“自組裝和熱固化”技術(shù)制備人工木材，制備過程分兩步——取向冷凍技術(shù)定型和樹脂加熱固化成型。
雖然這兩項技術(shù)并非新技術(shù)，但將取向冷凍和樹脂固化結(jié)合使用的技術(shù)卻是首創(chuàng)，“這兩種技術(shù)的結(jié)合并非簡單的1+1，而是需要克服很多技術(shù)難題”。俞書宏坦言。
批量生產(chǎn)還需時間
“新的方法具有簡單、易操作等優(yōu)點，所得的新型人工木材不僅具有類似木材的取向孔道結(jié)構(gòu)，而且力學(xué)強(qiáng)度與天然木材相當(dāng)，更重要的是，人工木材還具有很好的耐腐蝕、隔熱和防火性能。”俞書宏表示，這種材料不僅材質(zhì)性能優(yōu)異，而且制作成本不高。
但是，目前人工木材還無法走出實驗室。
首先，材料品種有限，現(xiàn)下僅限于酚醛樹脂和密胺樹脂，研究人員還需要進(jìn)一步開發(fā)其他工程材料或自然材料的仿木材結(jié)構(gòu)材料，拓寬材料種類。因為酚醛樹脂和密胺樹脂都是典型的脆性材料，使用過程中很容易發(fā)生脆性斷裂。
其次，新材料的成本還需進(jìn)一步控制，因為現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)和時間成本來自于冷凍干燥機(jī)的使用過程?！袄鋬龈稍飼r間取決于樣品尺寸，樣品越大、越厚，所需時間越長，因為樣品中心處冰晶升華需要更長的時間。”俞書宏解釋說。而且，在實驗室，樣品的長度受冷凍平臺尺寸和凍干機(jī)尺寸的限制，另外，這種方法制備的樣品厚度也有極限，最高大約5厘米。制備更厚的樣品，則需要選用其他冷凍方法了。
“如果冷凍干燥過程可以用更簡單、省時的技術(shù)替代，批量生產(chǎn)將成為可能?！庇釙暾f。
文章來源：家具微新聞
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