刚发Nature,隔一天再发Science封面!他,把木头做到极致!
纳米人 2021-10-24

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第一作者:Shaoliang Xiao,Chaoji Chen,Qinqin Xia,Yu Liu

通讯作者:胡良兵

通讯单位:马里兰大学帕克分校


研究背景

材料的形状和其内在特性一样重要。例如,结构组件必须由能够在不牺牲机械强度的情况下以物理成型以满足特定需求的材料制成。此外,轻质材料对于基于车辆的应用(例如汽车、火车和飞机)具有重要价值,减轻重量是提高燃油效率的最直接方式。基于此,聚合物和一些金属,如铝(Al),得益于有低密度和易加工性,通过不同的方法(如挤压、铸造和注塑成型)被制成各种形状和大小的轻质结构部件。然而,需要开发更可持续的材料来降低石化塑料的环境成本和金属的能源成本。


木材作为一种可再生资源,是替代这些轻质结构材料的潜在候选者之一。木材还具有机械强度高、重量轻、潜在的低成本等优点。各种方法已被证明可在更广泛的应用中改善木材的性能和功能,包括通过脱木素、致密化和其他改性[例如,热处理、有机或无机盐浸渍等]。这也说明了,与金属和塑料相比,木材成形性通常较差,因此很难加工成复杂的形状。为了满足特定形状的需要,人们已经探索了不同的木材成型方法,并取得了一定的进展。然而,所开发的“物理方法”通常是在体积尺度上对木材进行工程处理,这种方法不会改变木材固有的微观结构或材料特性,因此无法同时获得高机械强度和良好的成型性,从而限制了木材在高级工程领域的实际应用。


成果简介

近日,马里兰大学帕克分校胡良兵教授报道了一种利用细胞壁工程将硬木平板成形为多功能三维(3D)结构的加工策略。在分解木材的木质素成分,并通过蒸发水关闭容器和纤维后,在快速的水击过程中部分地重新膨胀木材,选择性地打开木材管道。这形成了独特的褶皱细胞壁结构,允许材料折叠并模制成所需的形状。由此产生的3D模塑木材的强度是原始木材的6倍,可媲美铝合金等广泛使用的轻质材料。这种方法扩大了木材作为结构材料的潜力,同时对建筑和交通应用的环境影响较小。


要点1:模塑木材的设计与制备

研究人员首先采用了普通的水基脱木素工艺,从鲈木的木质纤维素细胞壁中提取了5.5%的木质素和67%的半纤维素(图1A)。研究发现,这种疏水成分的部分和选择性去除会导致木材样品尺寸的软化和轻微膨胀。然后,在室温下对部分脱木素的木材进行风干,在约30 h的条件下去除水分并形成收缩木材中间体(图1A)。接下来,将收缩的木材在水中浸泡3 min,这称之为“水击过程”,这种过程部分地重新膨胀细胞壁,并导致最终产品中样品尺寸的一些膨胀(可模塑木材)(~100 wt%含水量)。这种可模塑木材可以实现不同的形状和结构,这些形状和结构与剩余水分一起形成最终的3D模塑木材产品(图1B)。此外,这种细胞壁工程过程保持了木材固有的各向异性结构,并增强了木材纤维之间的相互作用,进一步提高了木材的机械强度。例如,研究人员演示了用木材单板(使用滚轮旋转切割生产)制造蜂窝芯材的方法,该材料的抗拉强度为300 MPa,与铝合金相似,但密度仅为0.75 g/cm3,而且成本可能更低(图1, B和C)。


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图1. 通过部分脱木质素与“水冲击”过程相结合的起皱细胞壁工程策略,使木材更坚固和可塑。


要点2:微观结构表征

研究发现,尽管湿的天然木材(图2A)和收缩的木材(图2B)不能弯曲而导致折断,但制备的可模塑木材具有高度可折叠性(图2C)。研究人员进一步利用扫描电子显微镜(SEM)研究了这些木材样品的微观结构,以更好地揭示它们的工艺-结构-性能关系。SEM图像显示,天然木材原料具有3D分层多孔的细胞结构,有许多中空的血管和纤维(图2D)。在收缩的木材中,由于木质素和水分的去除,这些开放的细胞几乎完全闭合,形成高度致密结构(图2E)。而水击处理则形成了一种独特的褶皱细胞壁结构,其中管道部分开放,而纤维几乎完全闭合(图2F)。整个过程,研究人员观察到管道重新开放的速度极快(3s),而较小纤维的形态几乎保持不变。值得注意的是,细胞壁结构的这种选择性打开是值得注意的,其可以实现两个同时的效果。部分开放的容器在可模塑木材内创造了空间,可以以手风琴的方式容纳压缩和拉伸变形,使得材料在折叠时可以承受严重的压缩和拉伸,甚至高达180°而不会开裂(图2C)。同时,密实堆积的闭合纤维可以为增强强度提供机械支撑。


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图2. 天然木材、皱缩木材和可塑木材的微观结构。


要点3:模塑木材加工成各种形状

使用这种细胞壁工程方法,研究人员实现了通过机械弯曲、折叠和扭曲将可模塑的木材加工成各种形状。当目标结构达到后,就可以烘干木材来固定形状。例如,通过反复折叠可模塑的木片,然后烘干材料以形成刚性模板,从而制造出锯齿形和波纹状的木结构(图3,A和B)。此外,可以卷起模塑木材(图3C)并将其扭曲(图3D)。出色的折叠性和干燥后的出色稳定性使得人们能够设计和制造复杂的3D结构,如星形(图3e)。以及其他形状包括波纹结构,使用自制模具来塑造材料(图3F)。进一步的,通过SEM,研究人员揭示了3D模塑木材的致密和完整结构。研究人员没有观察到任何纤维从这些结构的折叠角脱落,即使在100次折叠和展开循环后(图3G)。当与木纤维方向平行折叠时,表面光洁度保持平滑。这种优异的表面光洁度很可能是由于木材纤维的卓越柔韧性和它们之间的氢键,使得纤维在机械变形过程中能够以保角的方式遵循折叠的形状(图3G)。在折叠性和耐用性方面,可模塑木材的性能也优于Al-5052,可模塑木材可以折叠和展开100次而不会断裂,而铝合金只需折叠和展开三次就会破裂(图3H)。

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图3. 利用细胞壁工程工艺将3D模塑木材制作成各种形状。


要点4:机械性能和LCA

这种3D模塑木材的硬度超过了一系列硬木、软木和聚合物(图4A)。3D模塑木材蜂窝单元的比压缩强度(51.6 MPa per g/cm3)与Al-5052蜂窝单元(46.8 MPa per g/cm3)相当(图4B)。为了测试组装的3D模塑木质蜂窝芯材的压缩和弯曲性能,将该结构夹在两个铝板之间。结果显示,夹层结构的抗压强度为9.1 MPa(图4C),比抗压强度为91.0 MPa per g/cm3,高于Al-5052蜂窝结构的抗压强度(比抗压强度为70.9 MPa per g/cm3)。这种夹层结构能够支撑一辆1588公斤的汽车的重量,相当于3D模塑木质蜂窝芯本身重量的1526倍(图4D)。使用木材和纸浆行业成熟的卷对卷制造流程,可以实现波纹3D模塑木结构的规模化制造(图4E)。所有这些过程在木材和纸浆工业中都很常见。此外,使用热空气(~80 °C)可将30 h的环境干燥步骤缩短至约2 min,而不影响材料的成型性。然后,滚压或模压成型就可以完成3D模塑木材波纹结构的制造。而附加的粘合和组装步骤可以创建所需的形状,例如3D模塑木质蜂窝芯(图4F)。


除了其出色的功能外,3D模塑木材还可直接由生物来源的可再生材料(即硬木种类)制成,与传统的金属和聚合物结构材料相比,潜在地提供了更高的环境可持续性(例如,更低的碳足迹)。基于此,研究人员进行了生命周期评估(LCA),计算了每立方厘米材料对环境的影响与它们的抗拉强度和刚度的比率。结果显示,3D模塑木材在所研究的所有环境影响类别中都显示出显著降低的影响(59%至99%),即使与高回收含量73.9%的铝合金相比也是如此(图4G)。此外,根据本研究中测量到的比抗拉强度,3D模塑木材只需要铝合金质量的21-23%就可以满足相同的强度要求。


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图4. 用于坚固、轻量化结构设计的3D模塑木材的机械性能和LCA。


小结

研究人员展示了利用细胞壁工程如何使木材可折叠和成型,同时改善其机械性能,赋予木材结构多功能性,这在以前仅限于塑料和金属。作为一种可持续的材料,这种3D模塑木材不仅具有显著的几个优势,而且比铝合金具有更低的潜在的环境影响。此外,3D模塑木材作为汽车和飞机的轻量化结构材料,也可以节省大量燃料和相应的环境效益。进一步的,与塑料和金属相比,木制品具有更大的碳储存能力。


参考文献

Shaoliang Xiao, et al, Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material, Science374, 465–471 (2021)

DOI: 10.1126/science.abg9556

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9556


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