再生木材各向同性
摘要
可持续高性能结构材料的建造是全球可持续发展目标的核心部分。在这方面做了很多努力;然而，通过使用全绿色基本构件来降低成本和提高机械性能以满足实际应用的需求的方式仍然存在挑战。在这里，我们有了一种强大而有效的自下而上策略，利用微纳米尺度结构设计，从天然木材颗粒再生各向同性木材作为高性能的可持续结构材料。再生各向同性木材(RGI-wood)超过了天然木材各向异性和力学性能不一致的限制，其各向同性抗弯强度和抗弯模量分别为约170 MPa和约10 GPa。与天然松木相比，RGI木材还具有优越的耐水性和阻燃性。大规模生产大尺寸RGI-wood和功能RGI-wood纳米复合材料也可以实现。
关键词:可持续结构材料、木材材料、纤维素纳米纤维、微/纳米结构设计、自下而上策略
由全绿色(即100%生物基)基础砌块构成的可持续高性能结构材料已经吸引了越来越多的关注[1-8]。这一研究领域有望推进关键的全球可持续发展目标[1]。然而，迄今为止，由生物资源构建的可持续结构材料要么受到有限的机械性能限制[1]和依赖于石油化工基粘合剂(例如刨花板[9-11]，中密度纤维板[12-14])或复杂的制造工艺的影响，从而产生高成本(例如聚合物基复合材料和生物塑料[1])。因此，提出设计和制造新型可持续结构材料的先进策略具有重要意义。
微纳米结构设计是提高结构材料性能的重要策略。通过这一策略，微纳米结构的大界面面积和微纳米界面的可调性能可以促进结构材料宏观性能的改善。例如，陶瓷材料的韧性已经通过设计仿生层状结构进行改进得到了提高[15-17]，通过构建纳米级孪晶结构[18]，提高了金属材料的抗疲劳性能。因此，微纳米尺度的结构设计是一种强大的策略，有许多成功的应用[6,19-23]，在设计更好的可持续结构材料方面可以发挥重要作用。
木材作为地球上最丰富的可再生和可持续资源，几千年来一直用于制造工具和家具，以及作为建筑材料。木质素基板[6]中嵌有排列整齐的纤维素纳米纤维，使木质素颗粒成为微纳米结构设计的理想原料。在这里，我们采用了一种稳健和高效的策略，利用微纳米尺度结构设计，从天然木材颗粒中再生的各向异性木材作为高性能可持续的结构材料。这种过程超过了天然木材各向异性和机械性能不一致的限制，使再生各向同性木材(RGI-wood)成为工程塑料的强大竞争对手。可以实现大规模生产大型RGI木材，克服了稀有的大型天然木材稀缺，利用这种自下而上的方法，制备了一系列功能性RGI-wood纳米复合材料。
图1所示。自底向上再生各向同性木材的方法示意图。(a)天然木材颗粒，例如木锯末。(b)表面蚀刻的木材颗粒，表面露出纤维素微纤维。(c)表面纳米化木粒(SNWP)与大量的纤维素纳米纤维从表面膨胀。(d) Ca诱导的SNWP组装2 和氢键。(e)热压得到的RGI木材。
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