基于天然纤维素纤维微结构调控制备高性能人工木材

Plants, wood for example, have unique natural hierarchical microstructures from microscales to nanoscales. However, their overall performances cannot satisfy the nowadays applications because they have to balance the strength and mass transport. In this application, green and ecological artificial wood with high performance is developed based on the idea of artificial microstructure materials. Using wood cellulose fibers as building units, artificial wood is reconstructed by tuning the fiber’s shape form line to curve to induce their entanglements. Our research mainly contents: investigate the relationship between the fiber configuration, fiber interaction, microstructures and properties; study their related fabrication methods and tuning technologies. Based on these researches, artificial wood will be developed with high overall performances, such as extra-strong, transparent and water resistant.

以木材为代表的植物进化出了独特的微米/纳米的纤维分级微结构，但由于要均衡强度、物质输运等多方面的需要，导致其综合使用性能难以满足现代应用的需求。本申请拟基于人工微结构材料的思路，以木材中天然纤维素纤维为功能基元，通过纤维空间构型的调控引入纤维间的结扣、勾连等作用，人工重构天然木材，发展绿色、生态的新型高性能微结构材料—人工木材。研究内容包括：研究纤维空间构型、纤维间相互作用、材料微结构、材料性能的关系；研究其调控技术与制备工艺。在此基础上，发展出一类高强度、透明、耐水的综合性能优异的人工木材新材料。

本项目针对发展新型的环境友好的人工微结构生态材料的目标，以木材中的天然纤维素纤维为结构单元，通过纤维间设计新型的结扣、勾连等非氢键的相互作用，实现了全新的纤维素纤维人工微结构，进而获得了绿色、高强度、透明的综合性能优异的人工木材新材料。研究了纤维空间构型的调控，获得了纤维的扭转、弯曲的技术方法；研究了纤维间结扣、勾连相互作用的实现与调控，获得了纤维间强于氢键的新的纤维间相互作用方式；研究了纤维间新相互作用对材料微结构的影响，首次实现了植物纤维间三维结扣、勾连的新型微结构；研究了微结构与材料性能的关系，发现了新材料中系列的力学、光学等新现象、新效应及其与微结构的关联规律。这一变革性的生态人工微结构木材为环境友好材料的研究提供了新的研究方向，丰富了人工微结构材料的内容，为环境可持续发展提供了新的材料，也为木材的突破传统的应用打开了新的大门。项目执行期间，发表了SCI论文3篇，投稿2篇，申请国家发明专利6项，其中授权4项；培养了博士后2名，博士生2名，硕士生10名，其中已出站博士后1名，毕业博士生1名，毕业硕士生7名；博士后和研究生获得“江苏省卓越博士后”、“国家奖学金”等。