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科学家发明木头硬化新工艺,可以使其硬化23倍,硬度堪比钢材

所属分类:时事聚焦    发布时间: 2021-10-22    作者:虫虫安全
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近日《Matter》杂志发布的论文,马里兰大学 (UMD) 研究人员找到了一种简单、经济的方法来制造比普通木材坚硬23倍的天然木材 。其结果通过制作一把木刀和几根木钉来测试论证,发现这些硬化木材样品的性能都达到或超过了钢制样品的性能。用它制作的木刀可以随意切割了一块半熟的牛排。


目前使用的材料中,不锈钢餐具和一次塑料餐具都占很大比例。钢和其他不可再生的硬质材料——例如镍基和钛基合金,以及各种工程应用中常用的氮化物和金刚石——制造成本高,因为它们需要极端的、能源密集型的条件(超高的热量和压力)。塑料材料由于其轻便有大量使用(每年400 亿个塑料用具),但是塑料不能降解对环保极为不友好,属于要被替代的材料。那么需要一种更便宜、轻便而且更环保的替代品。这样木材就成了潜在可能替代塑料、混凝土和钢材料。

纤维素是木材的主要成分,其强度密度比高于大多数工程材料,如陶瓷、金属和聚合物,但我们现有的木材用途几乎没有发挥其全部潜力。木材的强度不如纯纤维素。纤维素仅占木材的 40-50%;其余的是半纤维素和木质素(一种粘合剂)。


本论文提出了一种实用且经济实惠的制造方法,通过去除其较弱的成分(即木质素)来制造硬化木材。研究人员首先将原始椴木块切成样品大小,然后将样品浸泡在水性溶液(混合氢氧化钠和亚硫酸钠)中以填充孔隙,使样品沉到容器底部。三批不同的木材样品和溶液分别在100摄氏度下煮沸2、4和6小时,然后用去离子水冲洗样品以去除任何残留的化学物质。

在去除了大部分纤维素后,木材变得柔软而有弹性。接下来,该团队使用热压机在室温和 20 兆帕的压力下将木材样品压缩6小时,并用纸巾覆盖以吸收漏出的水。 然后,他们通过将样品加热到105摄氏度来干燥样品。在后阶段,将得到的硬化木材浸入食品级油中48小时,使木材表面具有防水性。 这有助于保持刀具的锋利度,还可以用手或洗碗机清洗。


团队进行了一系列测试来测量不同批次所得木材的硬度,发现在化学浴中浸泡四个小时的木材比浸泡两六个小时的木材表现更好。他们还在显微镜下研究了硬化的木材,注意到用于运输活树中水分和其他营养物质的空隙、通道或孔隙等缺陷显着减少。缺陷的减少是其硬化木材强度的秘诀。