Small Methods:鱼和熊掌兼得:孔结构调控实现木材强度和绝热性能的平衡

目前,建筑行业消耗的能量很大。节能建筑的低能源成本可以大大降低其碳足迹,同时在整个室内空间提供更均匀的温度以及更舒适和健康的室内环境。传统结构材料,包括钢,混凝土和合金,由于其具有良好的机械性能而被广泛用于建筑物。然而,由于这些材料具有相对较高的热导率,它们不能同时满足高级节能建筑的机械和隔热性能的需求。而且,这些材料是不可再生的,并且在它们的提取/合成过程中具有高成本和温室气体排放。与传统的建筑材料相比,绿色建筑材料可以提高室内环境质量,从而使我们为建筑物的居住者提供更令人满意的工作场所,从而提高劳动生产率。

木材是一种可持续的多功能建筑材料。木材尽管具有经济和环境效益,但人造板仍然面临许多挑战。天然木材较低的机械强度影响了其在中高层建筑中的应用。目前,大多数建筑材料无法同时满足这机械和隔热性能的要求,开发坚固而隔热的结构材料是非常必要的。

基于此,马里兰大学的胡良兵教授(通讯作者)通过简单的自上而下的方法直接从天然木材开发出一种坚固而又隔热的木材(后称其为“强白木”)。该两步制造方法涉及脱木素过程和部分致密化处理(孔结构控制)。强白木的抗张强度高达230.4 MPa cm3 g,超过了大多数市售的结构材料,例如铜,低碳钢,铸铁和钛合金。与天然木材相比,强白木的强度提高了3.4倍。此外,由于其从天然木材继承了大量微孔和通过脱除木质素和部分半纤维素后新出现的纳米孔,强白木具有出色的隔热性能。强白木在横向上的热导率约为0.09 W/m·K,低于大多数广泛使用的结构材料。这种优异机械和绝热性能使得其能够潜在地满足市场对环境友好,坚固而且绝热材料的建筑材料的需求。研究成果以题为”An Energy-Efficient, Wood-Derived Structural Material Enabled by Pore Structure Engineering Towards Building Efficiency”发布在期刊Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201900747)上。

【图文解析

图一、强白木的制备示意图及其力学和热学性

(a) 强白木的制备示意图;

(b) 与其他常用建筑材料相比,强白木展现出优良的机械强度和隔热性能;

(c) 强白木的数码照片。

图二、原始木材和白色木材的结构特征

(a) 天然椴木的数码照片;

(b-c) 天然椴木的SEM图像;

(d) 四块白色的木块堆叠在一起;

(e-g) 白色木材的SEM图像;

(h) 天然木材和白色木材的XRD;

(i) 天然木材和白色木材的FT-IR光谱;

(j)天然木材和白色木材中的纤维素,半纤维素和木质素含量;

(k)重量轻且可生物降解的白色木材的数码照片。

图三、强白木的结构特征

(a) 厚约9.1毫米的强白木的数码照片;

(b-g) 强白木在TR面上的SEM图像;

(e- f) 强白木在 TL面上的SEM图像;

(g) 强白木的3D SEM图像;

(h) 强白木的2D SAXS图案;

(i) 强白木的轻质特性。

图四、强白木的力学性能。

(a) 天然木材和强白木在应力-应变曲线;

(b) 天然木材和强白木之间的强度和韧性比较;

(c) 与天然木材和常见结构材料相比,强白木展现出优良的比强度;

(d)天然木材应力测试后的断裂表面SEM图像;

(e, f) 强白木的应力测试后的断裂表面SEM图像;

(g) 天然木材和强白木材的抗压强度与压缩应变的关系;

(h)天然木材和强白木材的抗压强度的比较;

(i) 天然木材和强白木材的杨氏模量和比杨氏模量的比较(基于抗压强度测试)。

图五、强白木的热学性能。

(a-b) 天然木材和强白木材的红外图像;

(c) 天然木材和强白木材沿径向和轴向的导热率;

(d) 天然木材和强白木材的各向异性因子;

(e-f) 天然木材和强白木材的热导率随环境温度的变化;

(g) 强白木与其它常见建筑材料的导热系数的比较。

【小结

综上所述,作者开发出了一种高效,自上而下且可扩展的方法,可同时提高天然木材的机械强度和隔热性能。强白木展现出约161 MPa的拉伸强度(比天然木材高约3.4倍)和约1.31 MJ/m3 的韧性(比天然木材高约3.2倍)。由于其相对较低的密度为,强白木的比强度高达~ 230.4 MPa cm3/g,超过了许多常用的结构材料。此外,强白木在横向上展现出约0.09 W/m·K的低热导率,低于天然木的热导率。强白木具有坚固,轻,隔热,可再生和可扩展的特性,具有较大潜力适用于各种可持续工程应用,尤其是节能建筑。