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科研前瞻 | ACS Sus. Chem. Eng. 封面文章:高强度三维互穿网络结构木基复合材料

时间:2021-08-29     【转载】   来自:高分子科技

木材,是一种资源丰富、产量高、可再生自然资源。木材作为一种多孔性材料,给人的感觉就是力学性能相对较低。与传统的高强度复合材料相比,材料的力学性能无法胜任许多工程结构领域的需要,千百年来,主要作为建筑、家具等材料使用。然而,如何有效地挖掘木材自身的潜力,开发应用于结构领域的高强度木基复合材料,一直是木材学和材料学研究人员的研究目标。

近日,ACS Sustainable Chemistry & Engineering国际期刊(2021年32期)以Supplementary Cover Article形式在线发表了中国林科院木材所最新研究成果“Laminating Delignified Wood Veneers toward High-Strength, Flame-Retardant Composites for Structural Applications”。该成果主要研究关于采用木材为原材料,经过部分脱除木质素,再添加环氧树脂作为胶黏剂研制成高强度三维互穿网络结构木基复合材料,该种材料拉伸强度达到397.2MPa;弯曲强度达到436.1MPa,约为普通钢板的2倍;材料密度为1.35g/cm3,远低于钢板的密度,其比弯曲强度约为普通钢板的11倍,具有非常明显的轻质高强特性。

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Figure 1  高强度三维互穿网络结构木基复合材料

目前制备高性能木基材料主要是以实体木块为原材料,经过木质素部分脱除,再高压密实成高性能木材。然而,该种方法木质素脱除较慢、脱除程度不均匀,而且受限于实体木块尺寸无法制备出大幅面的高性能木基材料。

我们国家是一个人造板产业的大国,采用旋切技术将原木旋切出各种幅面单板用于研制各种人造板的技术成熟。依托我国强大的单板产业优势,研究小组人员采用薄单板为原材料,通过部分脱除木质素的方式将单板软化,再将环氧树脂渗透入木材内部孔隙中替代原先木质素的粘接作用,在添加阻燃剂情况下,通过高温高压固化成具有力学强度高、阻燃性能好的层压三维互穿网络结构木基复合材料。

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Figure 2 高强度木基复合材料拉伸性能

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Figure 3 高强度木基复合材料弯曲性能

借助高压作用将环氧树脂渗透入木材内部结构,固化之后,木材和环氧树脂之间可以形成三维互穿网络结构,该结构不仅可以将单板层间紧密地锁在一起,有效地避免剧烈变形下的层间相对滑移,还能够有效地将密实化单板内部细胞壁及细胞壁内纤维之间粘接起来;此外,单板内纤维素之间由于高压密实形成大量氢键,提高单板自身力学性能;在三维网络结构和氢键作用下,促使该材料具有很高力学强度。

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Figure 4 高强度木基复合材料的增强机制

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Figure 5  木材界面和环氧树脂的粘接性能

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Figure 6  高强度木基复合材料阻燃性能

该项工作有利于推动木材在航空航天、轨道交通、建筑等结构领域的应用,不仅提高了木材的附加值,而且有利于促进复合材料的绿色化发展。该项技术已经获得国家授权发明专利,文章第一作者是唐启恒副研究员,邹淼博士研究生参与本项工作,通讯作者是郭文静研究员,论文得到国家自然科学基金(31800484)、“十三五”国家重点研发计划(2017YFD0600802)等项目的支持。