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  木材，是一種資源豐富、產(chǎn)量高、可再生自然資源。木材作為一種多孔性材料，給人的感覺就是力學(xué)性能相對(duì)較低。與傳統(tǒng)的高強(qiáng)度復(fù)合材料相比，材料的力學(xué)性能無法勝任許多工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的需要，千百年來，主要作為建筑、家具等材料使用。然而，如何有效地挖掘木材自身的潛力，開發(fā)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的高強(qiáng)度木基復(fù)合材料，一直是木材學(xué)和材料學(xué)研究人員的研究目標(biāo)。

  近日，ACS Sustainable Chemistry & Engineering國際期刊（2021年32期）以Supplementary Cover Article形式在線發(fā)表了中國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”。該成果主要研究關(guān)于采用木材為原材料，經(jīng)過部分脫除木質(zhì)素，再添加環(huán)氧樹脂作為膠黏劑研制成高強(qiáng)度三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)木基復(fù)合材料，該種材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到397.2MPa；彎曲強(qiáng)度達(dá)到436.1MPa，約為普通鋼板的2倍；材料密度為1.35g/cm³，遠(yuǎn)低于鋼板的密度，其比彎曲強(qiáng)度約為普通鋼板的11倍，具有非常明顯的輕質(zhì)高強(qiáng)特性。

Figure 1  高強(qiáng)度三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)木基復(fù)合材料

  目前制備高性能木基材料主要是以實(shí)體木塊為原材料，經(jīng)過木質(zhì)素部分脫除，再高壓密實(shí)成高性能木材。然而，該種方法木質(zhì)素脫除較慢、脫除程度不均勻，而且受限于實(shí)體木塊尺寸無法制備出大幅面的高性能木基材料。

  我們國家是一個(gè)人造板產(chǎn)業(yè)的大國，采用旋切技術(shù)將原木旋切出各種幅面單板用于研制各種人造板的技術(shù)成熟。依托我國強(qiáng)大的單板產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，研究小組人員采用薄單板為原材料，通過部分脫除木質(zhì)素的方式將單板軟化，再將環(huán)氧樹脂滲透入木材內(nèi)部孔隙中替代原先木質(zhì)素的粘接作用，在添加阻燃劑情況下，通過高溫高壓固化成具有力學(xué)強(qiáng)度高、阻燃性能好的層壓三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)木基復(fù)合材料。

Figure 2 高強(qiáng)度木基復(fù)合材料拉伸性能

Figure 3 高強(qiáng)度木基復(fù)合材料彎曲性能

  借助高壓作用將環(huán)氧樹脂滲透入木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，固化之后，木材和環(huán)氧樹脂之間可以形成三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以將單板層間緊密地鎖在一起，有效地避免劇烈變形下的層間相對(duì)滑移，還能夠有效地將密實(shí)化單板內(nèi)部細(xì)胞壁及細(xì)胞壁內(nèi)纖維之間粘接起來；此外，單板內(nèi)纖維素之間由于高壓密實(shí)形成大量氫鍵，提高單板自身力學(xué)性能；在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和氫鍵作用下，促使該材料具有很高力學(xué)強(qiáng)度。

Figure 4 高強(qiáng)度木基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制

Figure 5  木材界面和環(huán)氧樹脂的粘接性能

Figure 6  高強(qiáng)度木基復(fù)合材料阻燃性能

  該項(xiàng)工作有利于推動(dòng)木材在航空航天、軌道交通、建筑等結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅提高了木材的附加值，而且有利于促進(jìn)復(fù)合材料的綠色化發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得國家授權(quán)發(fā)明專利，文章第一作者是唐啟恒副研究員，鄒淼博士研究生參與本項(xiàng)工作，通訊作者是郭文靜研究員，論文得到國家自然科學(xué)基金（31800484）、“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0600802）等項(xiàng)目的支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c09390