木材密度低,力学性能难以满足许多工程建设要求

木材在人类生活中发挥着重要作用。丰富的资源和相对较低的成本使木材广泛应用于造船、建筑和家具等领域。长期以来，科学家们一直试图将木材应用于现代先进的制造工艺领域，以取代高成本、高污染的合成材料，如钢铁和合金。

问题是木材密度低，机械性能难以满足许多工程施工要求，木材的简单密实处理往往效果差。

科学家们开发了一种新型的“超级木材”，其强度是普通木材的10倍以上，可能成为钢铁和其他材料的天然廉价替代品。

制作这种超级木材的关键是经过加热和压缩后的特殊化学处理。由此产生的化学键使木材足够坚固，未来可用于建筑物和车辆。

“这种新的木材处理方法使木材的强度是天然木材的11倍，硬度是天然木材的10倍。”来自马里兰大学的高级研究员LiangbingHu说：“它可能成为钢铁甚至钛合金的竞争对手。它不仅耐用，而且便宜得多。”

来自马里兰大学的蒂娜补充道：“这是一种强硬而坚韧的组合。这种组合在自然界中并不常见。它和钢一样坚固，但比钢轻六倍。”

马里兰大学LiangbingHu和TengLi团队报道了一种新型的密实处理工艺，可以将天然木材的强度提高11倍，密度提高3倍，比强度高422.2±36.3MPacm3g−超过许多金属和合金材料。

图1.木材处理工艺

首先，将天然木材与氢氧化钠和亚硫酸钠混合在一起，类似于制作纸浆的过程。这种密实化工艺主要包括以下两个步骤：

1）化学处理

类似于木材造纸工艺，研究人员首先以NaOH和Na2SO3水溶液为化学处理试剂，在沸腾环境中去除天然木材中的部分木质素和半纤维素。

2）高温压实

然后，在100℃的温度下进行高温压实处理，去除木材中的大部分孔隙，将密度从0.43gcm-3提高到1.3gcm-木材厚度减少80%左右。

图2.天然木材和密实木材的结构表征

木材经上述工艺处理后，密度提高3倍，硬度和强度提高11倍。比强度达到422.2±36.3MPacm3g−1.超过目前大多数金属和合金材料。

在之前的报告中，木材密度只能通过热压处理提高3倍，但硬度只能提高3-4倍。因此，研究人员认为，这一过程中的化学处理是木材硬度提高11倍的关键原因。经过本工艺处理的木材由许多高曲线排列的纤维素纳米纤维组成，相邻的纳米纤维素之间形成大量的氢键。化学处理使基于纤维素的细胞壁更加稳定，不易在水中膨胀。当然，这种木头再也不能漂浮在水面上了。

图3.力学性能测试

图4.冲击试验

接下来，木材通过压缩阶段折叠每个细胞的壁。当木材继续压缩时，会增加热量，形成新的化学键。

这些过程可以去除一些聚合物，保留其他对木材强度非常重要的聚合物，使新木材得到非常有效的强化。这种强化最终来自于大量氢原子和纤维素的纳米纤维的结合，在木材结构中很常见。

其化学反应相当复杂，但这一过程本身实际上非常简单，而且非常便宜，并且已经证明不同种类的木材可以加强。

在某些情况下，它是替代钢、钛合金和其他材料的最佳选择。这种超级木材具有强度高、韧性高、重量轻的特点，不仅能抵抗压力、冲击、刮伤，还能防潮。

总之，本研究为开发高力学性能、轻质木材材料提供了新的工艺，为更换高成本合金或钢材材料提供了新的选择！

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