人造仿生木材(圖:中國科學技術大學)

近年來,材料科學家不斷從大自然中找尋靈感,仿造生物體的結構來合成高效能的新材料。中國科學家就從木材得到靈感,研發出一種比木材強韌,且具有防火和防水特性的人造材料。這種人造仿生木材未來有望取代天然木材,並應用於工程領域。

仿生木材

天然木材雖然很輕,卻具有非常高的強度,這主要是來自木材內部的特殊結構。其獨特的分層細胞結構及由木質素(lignin)、半纖維素(hemicellulose)形成的網絡,再加上方向一致的纖維素絲,使得木材具有無與倫比的強度。另外,由於材料取得容易,成本較低,材料學家紛紛模仿木材內部結構,來創造出高強度材料。

不過,木材雖然擁有高強度,卻不耐水也不耐火。另外,傳統上作為仿生木材基材的陶瓷材料不具有高強度又易碎,且熱處理溫度極高,通常要燒到攝氏 1500 度以上才能燒結成一體。

為了解決這個問題,合肥中國科學技術大學(University of Science and Technology of China)的研究團隊使用一種特殊材料來合成仿生木材。他們在一種水溶性高分子樹脂(resin)溶液中加入一些甲殼素(chitosan)。當樹脂溶液冷凍乾燥後,就會生成一個具有微孔及孔洞通道的結構。甲殼素的胺基與樹脂間具有強烈反應,可以避免結構變形,能幫助孔洞通道的支撐。接著,研究團隊將樹脂加熱到攝氏 200 度進行熱處理,讓結構之間產生強力化學鍵結,以合成人造木材。

防水又防火

中國科學技術大學化學系教授俞書宏博士表示,這種仿生木材有兩種強化機制。首先是通過快速的冷凍乾燥,使材料內部產生更小的孔洞通道,以強化該材料。其次,較高溫的退火溫度也增強了樹脂間的鍵結,進而增加材料的強度。

另外,由於使用了水溶性的樹脂,因此可以根據材料所需的性質,在樹脂溶液中添加水溶性的金屬離子或奈米材料,不僅製備方法簡單,也能彈性調整材料特性。例如,可加入人造或自然纖維使其更耐壓。此外,這種新材料不像天然木材一樣,不需要花費多年生長,就能大量製備,且對環境友善。

研究人員還測試了這種新材料的抗水及抗腐蝕力。研究人員將合成材料浸泡於水與硫酸溶液中 30 天,但材料的強度幾乎沒有弱化,反而是作為對照組的輕木樹(balsa)樣本,在類似的實驗條件下強度減弱了三分之二,同時抗壓性少了 40%。這是因為這種新材料的本體樹脂就具有抗腐蝕能力,且因表面不具親水性,所以能夠防水及抗酸蝕。

這種新材料具有低密度及高孔洞率(porosity),因此比天然木材更具有良好的防火性。研究人員認為這些孔洞及通道,讓熱輻射只會在孔洞方向傳導而不會往材料方向傳播,因此能作為良好火源絕緣體。此外,即使將該材料放置於火源內,只要將材料移離火源,馬上就會停止燃燒。基於上述這些優點,研究團隊認為這種仿生木材具有替代天然木材於工程用途的潛力。

 

參考資料:

  1. Perkins, S., (2018, November). Scientists Create Artificial Wood That Is Water- and Fire-Resistant. Scientific American
  2. Yu, Z.-L. et al., (2018). Bioinspired polymeric woods. Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.aat7223
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