树脂基仿生人工木材
新型人工木材不仅具有类似木材的取向孔道结构，而且力学强度与天然木材相当，更重要的是，人工木材还具有很好的耐腐蚀、隔热和防火性能。
■本报记者 袁一雪
钢材、树脂、碳纤维……这些人造合成材料已经越来越多地出现在日常生活中。这既是科学技术进步的结果，也是人类不断追求美好生活使然。
不过，始终有一种材料一直无法被完全取代，那就是木材。因其质轻又兼顾韧性以及易加工等特性，这些都是人工材料无法取代的。
近日，中国科技大学化学与材料科学学院教授俞书宏带领的研究团队传来好消息，该团队以传统酚醛树脂和密胺树脂为基体材料研制出了树脂基仿生人工木材。神奇的是，它不仅化学组分上接近天然木材，而且，在其内部也有类似天然木材的取向孔道结构。
正是这样的结构，让人造木材的壁厚和孔尺寸具有较好的可调控性，压缩屈服强度也与天然木材相当。而且，除了质量轻、强度高，它与天然木材相比还具有耐腐蚀、隔热和防火等优点。据悉，这种人工木材有望代替天然木材，实现在苛刻或极端条件下的应用。
选取材料
使用人工材料模拟天然木材并不是件容易的事情，为何选择使用传统酚醛树脂和密胺树脂为基体材料呢？俞书宏在接受《中国科学报》记者采访时解释说，因为木材化学成分主要是由基体材料木质素和填充材料纤维素纤维组成。这两种组分复合成“钢筋混凝土”结构，才让木材虽然轻却具有非常高的强度。“基体材料木质素是一种典型的无定型结构的多酚聚合物，它就像一个坚固的三维网络将纤维素纤维牢牢地束缚在木头孔壁之内。”在人工合成的化学产品中有一种聚合物与木质素非常类似，就是酚醛树脂。它具有很好的可加工性，定型后可以通过加热来交联固化，且固化后具有非常好的力学性能。而密胺树脂也具有类似特点，所以，研究人员选择了这两种树脂作为人工木材的基体材料。
但在之前的研究中，使用陶瓷粉末材料和胶黏剂的混合浆料较多。这种混合浆料可以通过取向冷冻并干燥后，再在1500℃以上的高温下进行烧结，但这样获得的陶瓷块体材料强度不理想。另外一类是将聚合物溶液进行取向冷冻，干燥后制得聚合物基仿木结构材料，强度也非常低，目前主要用于细胞工程等领域。
经过一系列试验证明，传统酚醛树脂和密胺树脂组合的新材料，比天然木材更耐腐蚀，且它被火焰引燃后还能迅速自动熄灭。而传统的陶瓷基仿木结构材料虽然具有很好的防火性能，但是隔热性能很差，因为陶瓷本身就具有很好的传热能力。在保证质量轻、强度高性能的前提下，其他仿木结构材料很难做到防火跟隔热一体化，然而，这一难题却被俞书宏研究团队破解了。
这让研究人员看到新材料更多应用的前景，比如与石墨烯复合的人工木材具有良好的隔热效果，且易于大规模生产。
模拟天然木材孔道是个难题
人造木材的基体材料确定后，摆在研究人员面前的问题是如何复原天然木材的孔道结构。为何要复原孔道结构？因为天然木材之所以保持着质量轻、强度高的优点，就是因为存在孔道结构。也就是说，如果无法复原孔道结构，那么人工木材就只能是“形似”，而无法达到“神似”。
研究人员尝试着在冷冻状态下，将树脂的水溶液置于冷台之上，与冷台接触的液体开始结冰，冰晶会沿着温度梯度方向生长。树脂材料因为受到冰晶的影响形成孔壁，将冰晶升华和固化后，原来因为冰晶所占的空间形成的孔道就自然而然地留在基体内。方法说起来简单，但实现起来并不容易。“只是研究孔道，我们就花了近两年的时间。”俞书宏说。
在研究过程中，研究人员遇到大大小小很多问题，最困难的环节应该是树脂材料在冷冻干燥之后、固化之前，如何维持取向孔道结构。因为基体材料采用的是液态的树脂，但在冷冻干燥之后、固化之前这个空档期，冰晶已经升华，而液态树脂尚无法维持固定的形状，所以在重力作用下液态树脂会发生蠕变，导致整个结构完全塌掉。
为了解决这一问题，研究人员寻找添加另一种材料作为临时支架来稳定树脂。经过研究，他们发现壳聚糖是非常合适的临时支架材料。因为在干燥情况下壳聚糖是固体，能够维持特定的形状，而且壳聚糖与树脂具有非常强的静电相互作用，在冰晶升华之后，壳聚糖能够将液态树脂牢牢束缚住，克服其蠕变行为，为他们加热固化树脂争取了时间。
在这项研究中，俞书宏等研究人员利用新开发的“自组装和热固化”技术制备人工木材，制备过程分两步——取向冷冻技术定型和树脂加热固化成型。虽然这两项技术并非新技术，但将取向冷冻和树脂固化结合使用的技术却是首创，“这两种技术的结合并非简单的1+1，而是需要克服很多技术难题”。俞书宏坦言。
批量生产还需时间
“新的方法具有简单、易操作等优点，所得的新型人工木材不仅具有类似木材的取向孔道结构，而且力学强度与天然木材相当，更重要的是，人工木材还具有很好的耐腐蚀、隔热和防火性能。”俞书宏表示，这种材料不仅材质性能优异，而且制作成本不高。
但是，目前人工木材还无法走出实验室。
首先，材料品种有限，现下仅限于酚醛树脂和密胺树脂，研究人员还需要进一步开发其他工程材料或自然材料的仿木材结构材料，拓宽材料种类。因为酚醛树脂和密胺树脂都是典型的脆性材料，使用过程中很容易发生脆性断裂。
其次，新材料的成本还需进一步控制，因为现在的经济和时间成本来自于冷冻干燥机的使用过程。“冷冻干燥时间取决于样品尺寸，样品越大、越厚，所需时间越长，因为样品中心处冰晶升华需要更长的时间。”俞书宏解释说。而且，在实验室，样品的长度受冷冻平台尺寸和冻干机尺寸的限制，另外，这种方法制备的样品厚度也有极限，最高大约5厘米。制备更厚的样品，则需要选用其他冷冻方法了。
“如果冷冻干燥过程可以用更简单、省时的技术替代，批量生产将成为可能。”俞书宏说。
《中国科学报》 (2018-09-07 第3版 科普)
