南京大学祝名伟教授团队《ACS Nano》:超强超柔木皮，可自然界完全降解的超强柔性新材料！

北欧风强调自然、舒适，大量使用木材和柔和色调 #生活知识# #生活美学# #室内设计风格#

铝合金、钛合金和碳纤维等轻质高强材料的发现和广泛应用深刻影响了人类的生活。然而，这些传统材料在生产过程中存在能耗高、回收难等环境挑战。近年来，随着全球环境压力加剧，开发基于可再生资源的高性能新材料已成为材料科学的重要前沿领域，研究者正致力于将可持续发展与高性能需求相结合。木皮是由可再生天然木材厚度减薄后获得的一种可持续材料，其柔性特征极大拓展了其应用领域。然而，厚度减薄后的木皮十分脆弱，难以获得广泛的实际应用。这是由于切削过程中刀具路径难以完全保持木材纤维轴向一致性，导致表面 1~2 个细胞深度内的纤维断裂或层间剥离，这些缺陷在薄木皮体积中所占的比例远远高于厚木块，因此木皮的强度往往低于木材的强度。目前，致密化强化策略在木材领域获得了极大成功，获得了强度媲美钢铁的超强木材。但这一强化策略应用于薄木皮时效果不佳。

日前，南京大学祝名伟教授团队同时克服了天然木材缺乏柔韧性和天然木皮强度太低的缺点，开发了一种超强超柔木皮新材料。通过引入再生纤维素实现了针对缺陷的修复，重新建立了木皮表面受损纤维之间的连接，同时在木皮细胞之间以及细胞壁内的纳米纤维之间建立密集的氢键连接，从而极大提升了其拉伸强度。它的拉伸强度高达578.4 MPa，是天然木皮的10倍，超过了7075铝合金和碳纤维复合织物，并保留了木材美丽的木质纹理。

该研究将为新型环境友好的高强度柔性木质纤维材料的研究和工程应用提供新的思路和材料。论文以“An ultra-strong and ultra-flexible wood veneer via fiber interaction enhancement and defect reduction”为题发表在《ACS nano》。该研究得到了国家自然科学基金（91963211、92463303）的资助。

图1 超强超柔木皮的制备

该工作的重要研究思路是修复了木皮大部分的表面缺陷。木皮强度低的主要原因是生产切割过程中，刀具的刀口导致木皮表层产生较多缺陷，表面1-2层深度的细胞与纤维被切断或翘起。这些缺陷主要分布在外表面。由于木皮在厚度方向上仅约10层木材细胞，远少于实木块的细胞层数，因此单位体积内的缺陷占比显著更高。研究人员通过引入与木材同源的再生纳米纤维素，强化了细胞壁中纳米纤维间的相互作用，从而修复了大部分表面缺陷。

图2 超强超柔木皮的微结构和性能

通过引入额外纤维素分子部分取代非纤维素成分，可有效增强纤维间的相互作用，从而提高材料的宏观强度。这种强化方式还保留了天然木材美丽的自然纹理和颜色。木皮强化的过程中没有经过密集的化学处理（如完全去除木质素处理），一些天然木材孔道结构仍然保留在了木皮中。

图3 超强超柔木皮的弯曲性能

超强超柔木皮展现出了卓越的弯曲性能，能够在极大的弯曲半径范围内（从50 mm到0.2 mm）弯曲后保持初始的拉伸强度，远超天然木皮材料。这这项工作同时突破了天然木块缺乏柔韧性和天然木皮缺乏强度的缺点，将大大拓展木质材料的应用范围，为开发新型可折叠的高性能木质材料开辟了新的路径。

图4 超强超柔木皮的应用

作为潜在应用的展示，研究人员将超强超柔木皮作为蒙皮材料用于基体增强。研究结果表明，将木皮包覆于木条或芳纶纸蜂窝上可显著提高基材的强度。与碳纤维织物这类蒙皮材料相比，木质纤维的天然绝缘特性为其在电磁透明保护材料领域的应用提供了独特优势。

图5 超强超柔木皮的环境影响

为了评估超强超柔木皮的环境影响，研究人员进行了从原材料到最终产品的生命周期分析。基于木皮和碳纤维材料的强度与密度特性，对两者的环境影响进行了归一化比较。尽管碳纤维的强度要高于木皮，但超强超柔木皮的环境影响要远低于碳纤维材料。

总结：研究人员通过增强木皮细胞壁中纤维素纳米纤维之间的相互作用，减少了天然木皮中的缺陷，成功获得了超强超柔木皮。作为其潜在应用的展示，这种木皮可用于加固木条和蜂窝结构，保持材料轻量化的同时显著提高其强度和韧性。超强超柔的木皮作为一种可持续的的天然纤维新材料，期望其能获得更加广泛的应用，为人类社会的可持续发展做出贡献。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c17158

来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

免责声明：本内容来自腾讯平台创作者，不代表腾讯新闻或腾讯网的观点和立场。

举报

网址：南京大学祝名伟教授团队《ACS Nano》:超强超柔木皮，可自然界完全降解的超强柔性新材料！ https://www.yuejiaxmz.com/news/view/942294

相关内容

南开大学陈永胜教授和马儒军教授团队Nano Letters：用于人体热能收集与热管理的超弹性石墨烯基热电海绵
植物与微生物的攻防战！南京农业大学王源超教授团队在植物学顶级期刊（IF=17.1）发表最新成果，解锁“广谱抗病秘籍”
过程工程所研发出耐极端环境光热陶瓷纤维膜材料
罗莱 超柔床品“超柔焕新季”，引领科技“质造”生活新时代！
黄维院士团队张洪健课题组在Nano Energy上发表关于柔性智能热管理系统的综述论文
IF=42.8！电子科技大学邓旭教授团队《CSR》综述：制备稳定超疏水表面的方法及策略
柔性电子器件：想见未来生活方式
美科研团队设计出节能高效的柔性活塞
2024年品牌衣物柔顺剂排行榜10强
重庆大学92岁教授刘南科“超强大脑” 能快速背诵400字诗文

随便看看