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科学家成功研发出一种能防水及防火的人造仿生木材
2019-01-03 15:12:34

近年来,材料科学家不断从大自然中找寻灵感,仿造生物体的结构来合成高效能的新材料。中国科学家就从木材得到灵感,研发出一种比木材强韧,且具有防火和防水特性的人造材料。这种人造仿生木材未来有望取代天然木材,并应用于工程领域。

    仿生木材

    天然木材虽然很轻,却具有非常高的强度,这主要是来自木材内部的特殊结构。其独特的分层细胞结构及由木质素(lignin)、半纤维素(hemicellulose)形成的网络,再加上方向一致的纤维素丝,使得木材具有*的强度。另外,由于材料取得容易,成本较低,材料学家纷纷模仿木材内部结构,来创造出高强度材料。

    不过,木材虽然拥有高强度,却不耐水也不耐火。另外,传统上作为仿生木材基材的陶瓷材料不具有高强度又易碎,且热处理温度极高,通常要烧到摄氏1500度以上才能烧结成一体。

    为了解决这个问题,合肥中国科学技术大学(University of Science and Technology of China)的研究团队使用一种特殊材料来合成仿生木材。他们在一种水溶性高分子树脂(resin)溶液中加入一些甲壳素(chitosan)。当树脂溶液冷冻干燥后,就会生成一个具有微孔及孔洞通道的结构。甲壳素的胺基与树脂间具有强烈反应,可以避免结构变形,能帮助孔洞通道的支撑。接着,研究团队将树脂加热到摄氏200度进行热处理,让结构之间产生强力化学键结,以合成人造木材。

    防水又防火

    中国科学技术大学化学系教授俞书宏博士表示,这种仿生木材有两种强化机制。首先是通过快速的冷冻干燥,使材料内部产生更小的孔洞通道,以强化该材料。其次,较高温的退火温度也增强了树脂间的键结,进而增加材料的强度。

    另外,由于使用了水溶性的树脂,因此可以根据材料所需的性质,在树脂溶液中添加水溶性的金属离子或奈米材料,不仅制备方法简单,也能弹性调整材料特性。例如,可加入人造或自然纤维使其更耐压。此外,这种新材料不像天然木材一样,不需要花费多年生长,就能大量制备,且对环境友善。

    研究人员还测试了这种新材料的抗水及抗腐蚀力。研究人员将合成材料浸泡于水与硫酸溶液中30天,但材料的强度几乎没有弱化,反而是作为对照组的轻木树(balsa)样本,在类似的实验条件下强度减弱了三分之二,同时抗压性少了40%。这是因为这种新材料的本体树脂就具有抗腐蚀能力,且因表面不具亲水性,所以能够防水及抗酸蚀。

    这种新材料具有低密度及高孔洞率(porosity),因此比天然木材更具有良好的防火性。研究人员认为这些孔洞及通道,让热辐射只会在孔洞方向传导而不会往材料方向传播,因此能作为良好火源绝缘体。此外,即使将该材料放置于火源内,只要将材料移离火源,马上就会停止燃烧。基于上述这些优点,研究团队认为这种仿生木材具有替代天然木材于工程用途的潜力。