結(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)代社會中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在建筑、汽車、電子基板、包裝和許多其他結(jié)構(gòu)中提供承重和其他功能。機(jī)械強(qiáng)度和材料重量（或密度）是工程應(yīng)用的兩個(gè)重要因素，特別是在必須考慮能源效率的情況下，例如在輕型車輛、飛機(jī)和高層建筑中。近幾個(gè)世紀(jì)以來，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，如鋼、混凝土、磚和石油基復(fù)合材料，在建筑和汽車等工程領(lǐng)域發(fā)揮了主導(dǎo)作用。然而，聯(lián)合國最近的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)增加了對開發(fā)可再生生物資源材料的需求和興趣。此外，提高能源效率的需要要求結(jié)構(gòu)材料既輕又強(qiáng)，這是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的挑戰(zhàn)。
最近，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授在《ACS Nano》上發(fā)表了題為“Rapid Processing of Whole Bamboo with Exposed, Aligned Nanofibrils toward a High-Performance Structural Material”的文章，提出了一種簡單、快速和可規(guī)模化生產(chǎn)的方法，通過部分脫木素和微波加熱將天然竹子加工成高性能結(jié)構(gòu)材料。與天然竹相比，微波加熱脫木素竹的抗拉強(qiáng)度提高近2倍，韌性提高3.2倍，彎曲強(qiáng)度提高2倍，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。此外，改性竹結(jié)構(gòu)的比拉伸強(qiáng)度達(dá)到560?MPa cm3?g–1，鑒于其密度較低（1.0g cm-3），其性能優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)材料，如鋼、金屬合金和石油基復(fù)合材料。這些優(yōu)良的機(jī)械性能加上竹子資源豐富、可再生和可持續(xù)的特點(diǎn)，以及快速、可規(guī)模生產(chǎn)的制造工藝，使得這種強(qiáng)大的微波處理竹子結(jié)構(gòu)對輕質(zhì)、節(jié)能的工程應(yīng)用具有吸引力。
圖文導(dǎo)讀
1.竹子是怎么成為高性能結(jié)構(gòu)材料的？
制備方法由兩步組成，分別是部分脫木素和微波加熱。天然竹子首先在NaOH和Na2SO3溶液中進(jìn)行化學(xué)處理，以部分去除細(xì)胞壁上的木質(zhì)素和半纖維素，從而使它們變得更加多孔和柔軟。隨后的微波加熱過程可以迅速排出竹材結(jié)構(gòu)中的水分，并導(dǎo)致劇烈而均勻的收縮，從而形成一種緊密而完整的材料。
天然竹子具有分層的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞壁主要由長而硬的纖維素纖維構(gòu)成，纖維素纖維嵌入由半纖維素和木質(zhì)素組成的聚合物基質(zhì)中。在脫木素過程中，部分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素從細(xì)胞壁上去除并分散到本體溶液中。脫木素后，竹材的微觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化。由于半纖維素和木質(zhì)素的去除，部分脫木素后的竹子結(jié)構(gòu)變得更加多孔（圖2D-K）。較小的細(xì)胞顯示出明顯的細(xì)胞壁分離，而較大細(xì)胞的細(xì)胞壁變薄，兩者都表明去除某些成分會導(dǎo)致更多孔的結(jié)構(gòu)（圖2F、G、L、M）。此外，經(jīng)過化學(xué)處理后，超細(xì)纖維保持長而直，如圖2H、I、N、O所示。
微波加熱可提供快速、均勻的加熱，因此，他們使用微波加熱快速干燥潮濕、部分脫木素的竹子，以誘導(dǎo)劇烈但均勻的竹子結(jié)構(gòu)收縮（即致密化）。在干燥過程中，當(dāng)竹材受到微波輻射的電磁場作用時(shí)，竹材中的偶極水分子開始擺動(dòng)并產(chǎn)生顯著的熱量，從而在短時(shí)間內(nèi)使樣品溫度均勻升高。如圖3A-C所示，部分脫木素竹材的溫度在300秒內(nèi)迅速上升至70℃，并保持在~78℃約30-60分鐘（取決于樣品大?。?。結(jié)果，多孔竹結(jié)構(gòu)變得高度致密，如掃描電子顯微鏡（圖3D-G）所示。而且，小角X射線散射（SAXS）和放大的SEM觀察證明了，經(jīng)部分脫木素和微波加熱處理后，細(xì)胞壁中排列的纖維素納米纖維得到了很好的保存（圖3H、I）。這種高度致密的結(jié)構(gòu)是其高機(jī)械性能的重要原因。
他們對不同制造工藝得到的竹子進(jìn)行了比較。首先，對未經(jīng)化學(xué)預(yù)處理的濕天然竹進(jìn)行了微波直接加熱，結(jié)果表明，竹材結(jié)構(gòu)的收縮率是有限的（僅為1-2%），結(jié)構(gòu)完整性得以很好地保持（圖3J）。然后，使用部分脫木素的竹子作為原料，但空氣干燥制成最終產(chǎn)品。盡管達(dá)到了足夠的體積收縮，但由于收縮不均勻，竹子結(jié)構(gòu)容易開裂（圖3K）。此外，空氣干燥過程所需時(shí)間是微波加熱過程的25倍（<60分鐘vs 1500分鐘），以達(dá)到最終產(chǎn)品中相同的含水量（圖3M）。通過對比，可以得出部分脫木素和微波加熱這兩步工藝對于實(shí)現(xiàn)均勻致密的竹層結(jié)構(gòu)的重要性。
2.竹基結(jié)構(gòu)材料的拉伸性能
機(jī)械性能，如拉伸強(qiáng)度、韌性和彎曲強(qiáng)度對工程應(yīng)用至關(guān)重要。他們對微波加熱脫木素竹進(jìn)行了機(jī)械拉伸試驗(yàn)，并與天然竹、微波加熱天然竹和風(fēng)干脫木素竹三種對照樣品進(jìn)行了比較。如圖4A所示，微波加熱脫木素竹顯示出560MPa的最高拉伸強(qiáng)度、36.1 GPa的楊氏模量和6.8MJ?m–3的斷裂功（即拉伸韌性），比天然竹高1.9倍、2.0倍和3.2倍（圖4A、B）。微波加熱脫木素竹的拉伸韌性高于某些生物基（如天然椴木、致密椴木）、聚合物基（如高密度聚乙烯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯）和碳基（如氧化石墨烯/聚乙烯醇）工程材料。由于微波加熱脫木素竹結(jié)構(gòu)的密度低至1.0 g cm–3，所以其比拉伸強(qiáng)度高達(dá)560MPa?cm3?g–1，比天然竹提高了41.4%，大大高于大多數(shù)常見的結(jié)構(gòu)材料，如木材、不銹鋼、鋁合金7075和一些常見的聚合物（圖4C）。
微波加熱脫木素竹的優(yōu)異拉伸性能可歸因于其致密的層狀結(jié)構(gòu)（圖4E）。在宏觀尺度上，由于微波加熱過程中的劇烈均勻收縮，與天然竹相比，該材料致密且多孔性較差。在中尺度上，大部分開放細(xì)胞由于收縮而坍塌，形成細(xì)胞壁密集的層狀結(jié)構(gòu)。此外，在微觀和納米尺度上，細(xì)胞壁的長而排列的纖維素纖維在處理后保存良好。此外，半纖維素和木質(zhì)素的部分去除暴露出更多的纖維素纖維表面積，這可能會增強(qiáng)纖維間的相互作用，從而提高氫鍵密度（通過纖維素分子鏈上的許多羥基）和集體范德華力。部分脫木素和微波誘導(dǎo)致密化后缺陷的減少也有助于獲得更好的力學(xué)性能。
3.竹基結(jié)構(gòu)材料的彎曲性能
彎曲特性是工程材料的另一組重要特性。因此，他們進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（圖5A）。如圖5B、C所示，微波加熱脫木素竹的彎曲強(qiáng)度（248MPa）和楊氏模量（16.5GPa）最高，分別是天然竹的2倍和4倍。與微波加熱脫木素竹材的多尺度結(jié)構(gòu)在拉伸行為中所起的關(guān)鍵作用相似，這種致密的層狀結(jié)構(gòu)也是其顯著增強(qiáng)彎曲性能的原因。
亮點(diǎn)小結(jié)
綜上所述，作者證明了利用微波加熱技術(shù)，可以將部分脫木素的天然竹加工成具有層狀致密結(jié)構(gòu)的高性能結(jié)構(gòu)材料。得到的結(jié)構(gòu)材料具有560MPa的高拉伸強(qiáng)度、6.8MJ m-3的韌性和248MPa的彎曲強(qiáng)度，比天然竹高1.9倍、2倍和3.2倍。由于其相對較低的密度為1 g cm–3，因此微波誘導(dǎo)的致密化竹具有560 MPa cm3?g–1的高比拉伸強(qiáng)度，超過了最常見的結(jié)構(gòu)材料，如鋼、金屬合金、石油基復(fù)合材料和一些天然纖維。微波致密竹具有重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、原材料豐富、可再生、碳足跡幾乎為零等優(yōu)點(diǎn)，有望成為下一代節(jié)能建筑、汽車等高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料，以及其他工程應(yīng)用。
全文鏈接：
