新技术可以使木材像钢铁一样坚固

自钻木取火以来，木材就在人类生活中发挥重要地位。丰富的资源和相对低廉的成本使得木材被广泛应用于造船、建筑和家具等等。长期以来，科学家一直尝试将木材应用到现代化先进制造过程领域，以取代钢铁、合金等高成本高污染的人工合成材料。

问题在于：木材密度较低，力学性能难以满足许多工程建设要求，对木材的简单密实化处理，也往往效果不佳。

科学家已经开发出一种新型的“超级木材”，其强度是普通木材的10倍以上，这种新型木材可能成为钢铁和其他材料的天然廉价替代品。

这种超级木材的制作关键是一种特殊的化学处理，然后经过加热压缩的过程。由此产生的化学键使木材变得足够坚固，未来可能用于建筑物和车辆。

“这种处理木材的新方法使木材的强度是天然木材的11倍，硬度是天然木材的10倍。”来自马里兰大学的高级研究员Liangbing Hu说:“它可能成为钢铁，甚至钛合金的竞争对手，它不仅坚固耐用，而且也便宜得多。”

来自马里兰大学的Teng Li补充道:“这是一种既强硬又坚韧的组合，这种组合在自然界中并不常见，它和钢一样结实，但比钢要轻上六倍。”

美国马里兰大学Liangbing Hu和Teng Li团队报道了一种新型的密实化处理工艺，可以使天然木材强度提高11倍，密度提高3倍，比强度达到422.2 ± 36.3 MPa cm3 g−1，超过众多金属和合金材料。

图1. 木材处理工艺

首先，让天然木材和氢氧化钠、亚硫酸钠混合在一起，这与制作纸浆的过程类似。这种密实化工艺主要包括以下两个步骤：

1）化学处理

类似木材造纸工艺，研究人员首先以NaOH和Na2SO3水溶液作为化学处理试剂，在沸腾环境中去除天然木材中的部分木质素和半纤维素。

2）高温压实

然后，在100℃温度条件下高温压实处理，去除木材中的绝大部分孔隙，使密度从0.43 g cm-3提高到1.3 g cm-3，木材厚度减少80%左右。

图2. 天然木材和密实化木材结构表征

经过以上工艺处理后的木材，密度提高了3倍，硬度和强度提高了11倍。比强度达到422.2 ± 36.3 MPa cm3 g−1，超过目前大部分金属和合金材料。

之前的报道中，仅通过热压处理，木材密度也可提高3倍，但是硬度仅提高3-4倍。因此，研究人员认为，本工艺中的化学处理，是木材硬度提高11倍的关键原因。而经过本工艺处理之后的木材由许多高度曲线排列的纤维素纳米纤维组成，相邻的纳米纤维素之间形成大量氢键。化学处理，使基于纤维素的细胞壁更稳定，在水中更不容易膨胀。当然，这种木头再也不能漂浮在水面了。

图3. 力学性能测试

图4. 冲击测试

接下来，木材经过一个压缩阶段，以折叠每个细胞的壁。当木材继续被压缩时，会增加热量以形成新的化学键。

这些工艺能够去除某些聚合物，同时保留其他对木材强度很重要的聚合物，使新木材得到非常有效的强化。这种强化最终来自于大量的氢原子与纤维素的纳米纤维结合，其在木材结构中已经普遍存在。

它的化学反应相当复杂，但是这个过程本身其实很简单，也非常的便宜，而且已经证明可以强化不同种类的木材。

在某些情况下，它是替代钢铁、钛合金和其他材料的极佳选择。这种超级木材具有高强度、高韧性和轻便的特点，不仅能抗压、抗打击、耐刮，甚至还可以防潮。

总之，这项研究为开发高力学性能、轻量化的木质材料提供了一种新工艺，为替换高成本的合金或钢铁材料提供了新的选择！