无需粘合剂、木屑变木板；性能超过实木、人造板

来源：中国科学杂志社

木材一直是广泛使用的结构材料，但天然实木受到大尺寸材料稀少、力学上各向异性的限制，因此目前广泛使用的工程木材料主要是人造板。人造板领域市场规模巨大，我国人造板年产量超过3.25亿立方米，市场规模近万亿元。

传统人造板主要是由含有甲醛的树脂等粘合剂将木屑等生物质原料粘结而成的，粘合剂的使用不仅大大提高了人造板的成本，还会在使用过程中持续释放甲醛等有毒有害气体，严重威胁使用者的身体健康。因此，发展高性能无甲醛绿色环保板材对传统人造板产业的升级发展至关重要。

常见的实木（左）与人造板（右）

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队提出了一种全新的生物质表面纳米化策略，可以利用生物质天然纳米结构，构筑出一种新型的各向同性仿生木材（RGI-wood），研究成果发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

该策略巧妙地利用了木屑等生物质中天然的纤维素纳米纤维，将其暴露在木屑颗粒表面，并使其互相交联从而构筑无需任何粘合剂的高性能人造木材，具体构筑过程如下图所示。

RGI-wood制备示意图。（a）天然木屑；（b）表面蚀刻后的木屑颗粒；（c）表面纳米化的木屑（SNWP）的结构；（d）Ca2+和氢键诱导的SNWP的组装过程；（e）通过热压制备RGI-wood。

在这种高性能人造木材中，微米级木屑颗粒暴露出大量纳米尺度的纤维素纤维，这些纳米纤维通过离子键、氢键、范德华力以及物理纠缠等相互作用结合在一起，无需任何粘结剂，即可紧密结合为高强度的致密结构。这种结构具有高达170 MPa的各向同性抗弯强度和约10 GPa的弯曲模量，其力学强度远超天然实木和传统人造板。此外，新型人造木材还显示出优异的断裂韧性、极限抗压强度、硬度、抗冲击性、尺寸稳定性以及优于天然木材的阻燃性。

作为一种全生物基的环保材料，新型人造木材不含任何粘结剂、制备尺寸不受限制，而且具有远超树脂基材料和传统塑料的力学性能，因此具有非常广泛的应用前景，有望在许多应用场景下取代塑料和传统板材。

RGI-wood与天然木材的性能对比。（a）弯曲强度对比；（b）压缩强度对比；（c）各向同性仿生木材具有远超常用聚合物材料的强度和模量；（d）与天然木材的燃烧热释放率对比；（e）与天然木材的燃烧失重对比；（f）与天然木材的燃烧发烟量对比。

这种由纳米纤维构成的网络也为制备木基纳米复合材料提供了一种新途径。例如，将碳纳米管（CNT）掺入木屑颗粒间的纳米网络当中，可以获得导电智能人造木材。其中的碳纳米管能够形成更连续的三维网络，因此具有比传统聚合物/碳纳米管复合材料更好的导电网络和更高的电导率，可以实现传感、自发热、电磁屏蔽等多种应用。

在权威检测机构的标准测试中，智能人造木材表现出了出色的电磁屏蔽性能（X波段超过90 dB），可以满足精密电子仪器屏蔽标准的要求。智能人造木材还可以在低电压下利用焦耳热实现自发热，在1.75 V低电压下（约等于两节五号电池的电压），样品可在5分钟内升至60摄氏度，较低的加热电压可以有效地确保自加热设备的安全性，同时减少能耗。

RGI-wood的导电性。（a）导电RGI-wood木材图片；（b, c）导电RGI-wood扫描电子显微镜照片；（d）导电RGI-wood的电导率随碳纳米管（CNT）体积分数的变化曲线；（e）导电RGI-wood的电磁屏蔽性能；（f）基于导电RGI-wood的自加热装置示意图；（g）加热前自加热装置的红外热像图；（h）在1.75 V电压下5分钟后，自加热设备的红外热图像；（i）导电RGI-wood在1.75 V电压和5 A电流下的温度-时间曲线。

这种全新的生物质表面纳米化策略不只适用于人造木材，也可以扩展到其他生物质（如树叶、稻草和秸秆等），制造出一系列绿色全生物质可持续结构材料。这类新材料有望推动人造板行业向绿色、环保和低碳方向发展，而且有望在塑料替代和人造板材领域发挥巨大潜力。