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  木材一直是廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料，但天然實(shí)木受到大尺寸材料稀少、力學(xué)上各向異性的限制，因此目前廣泛使用的工程木材料主要是人造板。人造板領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模巨大，我國(guó)人造板年產(chǎn)量超過(guò)3.25億立方米，市場(chǎng)規(guī)模近萬(wàn)億元。

  傳統(tǒng)人造板主要是由含有甲醛的樹(shù)脂等粘合劑將木屑等生物質(zhì)原料粘結(jié)而成的，粘合劑的使用不僅大大提高了人造板的成本，還會(huì)在使用過(guò)程中持續(xù)釋放甲醛等有毒有害氣體，嚴(yán)重威脅使用者的身體健康。因此，發(fā)展高性能無(wú)甲醛綠色環(huán)保板材對(duì)傳統(tǒng)人造板產(chǎn)業(yè)的升級(jí)發(fā)展至關(guān)重要。

常見(jiàn)的實(shí)木（左）與人造板（右）

  近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的生物質(zhì)表面納米化策略，可以利用生物質(zhì)天然納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑出一種新型的各向同性仿生木材（RGI-wood），研究成果發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）。

  該策略巧妙地利用了木屑等生物質(zhì)中天然的纖維素納米纖維，將其暴露在木屑顆粒表面，并使其互相交聯(lián)從而構(gòu)筑無(wú)需任何粘合劑的高性能人造木材，具體構(gòu)筑過(guò)程如下圖所示。

RGI-wood制備示意圖。（a）天然木屑；（b）表面蝕刻后的木屑顆粒；（c）表面納米化的木屑（SNWP）的結(jié)構(gòu)；（d）Ca²⁺和氫鍵誘導(dǎo)的SNWP的組裝過(guò)程；（e）通過(guò)熱壓制備RGI-wood。

  在這種高性能人造木材中，微米級(jí)木屑顆粒暴露出大量納米尺度的纖維素纖維，這些納米纖維通過(guò)離子鍵、氫鍵、范德華力以及物理糾纏等相互作用結(jié)合在一起，無(wú)需任何粘結(jié)劑，即可緊密結(jié)合為高強(qiáng)度的致密結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有高達(dá)170 MPa的各向同性抗彎強(qiáng)度和約10 GPa的彎曲模量，其力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)超天然實(shí)木和傳統(tǒng)人造板。此外，新型人造木材還顯示出優(yōu)異的斷裂韌性、極限抗壓強(qiáng)度、硬度、抗沖擊性、尺寸穩(wěn)定性以及優(yōu)于天然木材的阻燃性。

  作為一種全生物基的環(huán)保材料，新型人造木材不含任何粘結(jié)劑、制備尺寸不受限制，而且具有遠(yuǎn)超樹(shù)脂基材料和傳統(tǒng)塑料的力學(xué)性能，因此具有非常廣泛的應(yīng)用前景，有望在許多應(yīng)用場(chǎng)景下取代塑料和傳統(tǒng)板材。

  這種由納米纖維構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)也為制備木基納米復(fù)合材料提供了一種新途徑。例如，將碳納米管（CNT）摻入木屑顆粒間的納米網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可以獲得導(dǎo)電智能人造木材。其中的碳納米管能夠形成更連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)，因此具有比傳統(tǒng)聚合物/碳納米管復(fù)合材料更好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和更高的電導(dǎo)率，可以實(shí)現(xiàn)傳感、自發(fā)熱、電磁屏蔽等多種應(yīng)用。

  在權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中，智能人造木材表現(xiàn)出了出色的電磁屏蔽性能（X波段超過(guò)90 dB），可以滿足精密電子儀器屏蔽標(biāo)準(zhǔn)的要求。智能人造木材還可以在低電壓下利用焦耳熱實(shí)現(xiàn)自發(fā)熱，在1.75 V低電壓下（約等于兩節(jié)五號(hào)電池的電壓），樣品可在5分鐘內(nèi)升至60攝氏度，較低的加熱電壓可以有效地確保自加熱設(shè)備的安全性，同時(shí)減少能耗。

  這種全新的生物質(zhì)表面納米化策略不只適用于人造木材，也可以擴(kuò)展到其他生物質(zhì)（如樹(shù)葉、稻草和秸稈等），制造出一系列綠色全生物質(zhì)可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。這類(lèi)新材料有望推動(dòng)人造板行業(yè)向綠色、環(huán)保和低碳方向發(fā)展，而且有望在塑料替代和人造板材領(lǐng)域發(fā)揮巨大潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa230