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Nature Reviews Materials综述:木材的改性和功能化应用

时间:2020-05-12     【转载】   来自:高分子科技公众号

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森林覆盖了地球上30%以上的土地,并提供了可再生和可持续的资源。木材已经被人类社会在一些领域使用了数千年,包括建筑、家具、工具以及用作燃料。2017年,木材的年工业生产量约为38亿立方米。作为一种来源丰富的可再生材料,木材在人类社会的可持续发展中扮演不可或缺的角色,特别是在广泛的产品和应用中替代不可再生的石油基材料。多种因素推动了木材的广泛使用,包括减少碳排放,缓解能源和水安全的危机,以及对可持续工业增长的渴望。由于来源丰富,木材可以很好地满足社会对低成本和高性能复合材料的需求,并且对环境的影响非常小。这些基于木材的材料包括仅包含木质成分的生物基复合材料和包含木材以及其他非木质成分(例如聚合物和有机或无机化合物)的复合材料。

近年来新型木材基功能材料的设计与制备领域出现了一系列具有突破性创新的研究成果,包括超强木头(Nature, 2018)、自发辐射散热木头(Science, 2019)、透明木头(Advanced Materials, 2016)、低热收集木头(Nature Materials, 2019)、隔热木头(Science Advances, 2018)、海绵木头(ACS Nano, 2018;Chem, 2018)、柔性木头(ACS Applied Materials & Interface, 2017)等新型木材基功能材料,吸引了社会广泛的关注和兴趣,被全球主流媒体广泛报道。

鉴于在木材基功能材料领域的创新工作和积累,近日,马里兰大学帕克分校胡良兵教授,马里兰大学帕克分校李腾教授、瑞士苏黎世联邦理工学院Ingo Burgert教授、瑞典皇家理工学院Lars Berglund教授、英国布里斯托大学Stephen J. Eichhorn教授等国际木材科学领域的专家共同合作在《自然综述:材料》(Nature Reviews Materials)期刊撰写了题目为“Structure–property–function relationships of natural and engineered wood”的综述论文。论文第一作者为胡良兵教授团队和李腾教授团队联合博士后陈朝吉,其他共同作者包括马里兰大学况宇迪博士和朱书泽博士(现为浙江大学航空航天学院百人计划研究员)。

该论文系统性概述了木材的结构和组成以及改性策略。然后探索了木材的固有属性,这些属性源自其分层的多孔、各向异性的结构和木质纤维素成分。文章进一步讨论了木材结构设计、改性和功能化应用方面的原则和近年来该领域取得的进展,重点讨论了通过各种结构成分改性赋予木材的机械、离子、流体、光学和热学性能。文章还讨论了先进的木材表征技术和计算模拟建模方法,以期加深对木材结构与性能之间关系的理解,进而知道木材的改性与功能化。最后,文章探讨了木材研究和产业化面临的挑战、机遇和未来的研究方向,特别是利用木质材料以可持续的方式应对全球挑战。

木材的分级结构和组分

木材具有独特的分级多孔结构(图1),主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。细胞作为木材基本结构单元,一般为中空结构,其细胞壁主要包含定定向组装的纤维素纤维,这些纤维素纤维被半纤维素和木质素紧密包裹。这样的分级取向结构为木材提供了许多独特的性质和广泛的改性和功能化空间。

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图1.木材的分级结构、组分及各向异向性。

木材的改性策略

得益于木材复杂的分级结构和丰富的组分,人们可以通过物理、化学或者多种方式结合的方法对其进行基于宏观尺度到围观尺度的结构改性(图2),从而丰富其性能和功能,提高其在传统应用领域的性能甚至开发出新的功能,以满足现代社会对可持续功能材料不断增长的需求。

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图2.木材的多种改性策略

木材的改性和功能化应用

接着,文章通过以下几个方面详细阐述了木材基功能材料在结构材料、能源、环境、纳米离子流体器件、光管理、热管理等领域的应用:

(1)轻质高强结构材料。

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图3.木材基轻质高强结构材料

(2)基于多尺度物相传输的储能、环境修复及纳米离子流体应用。

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图4.木材基材料的多尺度物相传输及其在储能、环境修复及纳米离子流体领域的应用

(3)光管理。

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图5.木材基材料的光管理应用

(4)热管理。

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图6.木材基材料的热管理应用

先进表征及计算模拟

文章进一步讨论了先进的表征技术和计算模拟方法如何帮助人们了解木材基材料的结构、性质和性能,以及如何辅助人们对木材的改性和功能化。

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图7.对木材基材料的先进的表征技术和计算模拟方法


总结及展望

文章最后探讨了木材基功能材料研究和产业化所面临的一些挑战和未来的发展方向:

1)低成本、绿色和可扩展的木质材料生产;

2)综合评估及提高木材基功能材料的稳定性;

3)进一步提高木材基功能材料的性能及拓展新的应用;

4)通过基因工程对木材结构及组分进行改性;

5)通过3D打印等先进制造技术合成具有仿生木材结构的人造木头;

6)开发更加先进的表征技术和计算模拟方法,突破现有技术时间和空间上的极限,进行更加精细的结构表征和模拟;

7)高通量计算及人工智能辅助木材批量改性和功能化开发;

8)林业资源的合理利用和管理,评估木材功能材料产业化的经济、环境及社会影响。

尽管新型木材基功能材料的研发和应用还处于初级阶段,基于全球持续的木材研究和产业化努力,有理由相信它们的大规模应用将会实现,并服务于日常生活和人类社会的可持续发展。