木材也可以像钢铁一样硬

崇礼的白桦林
崇礼的白桦林

文/黄贞祥

木材在我们生活中有许多的应用,例如家具和建筑材料。

但是因为木材的硬度大不如钢铁,所以应用范围有限。如今有科学家发现,利用化学浴和热压,可以在刚度和强度方面产生了前所未有的增强,把木材转变成比钢铁更坚固的材料。这个发现,可能会使木材成为在汽车和建筑物制造中塑料和金属的环保替代品。

加强木材的尝试可以回溯数十年。过去一些科学家努力提取纤维素中的奈米纤维来合成新的材料[1]。也有科学家们试图使木材更致密,以获得适用于高强度应用的材料,但成效有限。

美国马里兰大学的力学家李腾和材料科学家胡良斌的研究小组则采取了不同的方法,他们专注于修改天然木材的多孔结构。首先,他们用氢氧化钠和亚硫酸钠溶液把不同类型的木材(包括橡木)煮沸七小时,这种化学过程类似于木浆制纸的方法。他们的发现发表在《自然》(Nature)[2]

木材也可以像钢铁一样硬

天然木材包含许多平行的管状细胞,其细胞壁主要由纤维素构成。在树的木质部的大部分地方,细胞已经死亡并留下了富含纤维素的细胞壁,加上木质素和半纤维素形成中空的木质纤维。木质素是一种生物聚合物,在植物中具有许多功能,如稳定木材中的细胞壁并阻止寄生虫和细菌对木质细胞的侵袭;半纤维素则是用糖链覆盖和结合细胞壁中的纤维素纤维。

然后,他们在100ºC 下压块一天,并将其密度从0.43 克每立方厘米增加到1.3 克每立方厘米。结果是,木板成了只有原本厚度的五分之一,但密度是天然木材的三倍,强度提高了11.5 倍。由此产生的稳定材料密度高到无法漂浮在水面上。而过去对木材致密化的处理,仅使强度提高了三到四倍。

许多纤维素基材料在与水接触时会膨胀,但他们的致密木材的吸水膨胀的可能性不大。德国波茨坦马克斯·普朗克胶体与界面研究所所长Peter Fratzl 指出,去除木材中的木质素可能使其更容易受到细菌或真菌侵袭,但这仍有待观察[3]

他们利用扫描电子显微镜显示,最新的过程将纤维素管压碎在一起,直到它们皱缩并互锁。为了测试材料的韧性,他们从通常用于测试军车抗冲击能力的弹道气枪,向其发射子弹。将五层木材层压成总厚度仅为3 毫米的材料,就能够挡住以每秒约30 米的速度行进的46 克钢弹。他们表示,这比一颗子弹每秒几百米的速度慢得多,但它与汽车在碰撞前可能移动的速度相当,使得该材料可能适用于车辆。

然而还是有人不买账,例如俄勒冈州立大学的Fred Kamke 就认为,即使不去除木质素,其他技术(如施加较高温度,在处理前蒸汽蒸煮木材并用树脂处理)也可以让木材变硬。

他认为这些其他方法可能比苛性碱溶液中7 小时的煮沸便宜得多,而且还指出在自己的测试中,24 层未经化学处理的致密木材能够挡住手枪的9 毫米子弹[1]

马克斯·普朗克胶体与界面研究所的植物生物力学家Michaela Eder 指出,压缩木材以增加其密度自然会提高其强度,但是有多少强度是来自奈米纤维缠结的程度还不清楚。胡良斌和李腾指出,他们的模拟显示,强度的增加与奈米纤维缠绕时形成的氢键的影响是一致的。他们说,进一步的证据是在以前的研究中,他们萃取木质奈米纤维,使纸张的强度提高了40 倍,强度提高了130 倍,但密度只有稍微的增加。他们说,这显示纤维素纤维的键结是获得优异强度的主因。

胡良斌指出,他们的研究主要发现,是去除适量的木质素是让性能最大化的关键。在他们的实验中,去除太多的聚合物会导致较低密度的脆木材,这表明一些剩余的木质素在热压时有助于纤维素纤维的键结。当大约45%的木质素被除去时,制作出的木材是最强的。

致密的木材仍然比金属材料轻,能与更贵的碳纤维相媲美,所以它的刚度和强度为许多工程应用开辟了应用潜力。另外,胡良斌指出,像松木或轻木这样的软木,生长速度快,更加环保,可以用这种方法替代家具或建筑中生长较慢但密度较高的木材如柚木[4]

这些新兴技术正在透过马里兰大学分拆出去的公司Inventwood LLC 进行商业化。

参考文献:
1. Zastrow, M. Crushed wood is stronger than steel. Nature News. 07 FEBRUARY 2018.  
2. Song, J. et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material.Nature 554, 224–228 (2018) . 
3. Fratzl, P. Wood made denser and stronger. Nature 554, 172–173 (2018). 
4. University of Maryland. ” Super wood could replace steel: New process could make wood as strong as titanium alloys but lighter and cheaper . ” ScienceDaily. ScienceDaily, 7 February 2018. 

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