木材仿生的结构及其应用案例分析,生物工程论文.docx

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1、木材仿生的结构及其应用案例分析,生物工程论文内容摘要:对自然界不同物种与生俱来的独特生物体功能进行模拟并应用,构筑类似甚至于超越其本身的形态、材料或构造,即是仿生行为。在微纳技术高度发展的今天,对仿生已完成智能操纵的经过,应用于木材的仿生科学研究也逐步进入视野。概述了木材与仿生科学相关的构造与性质;综述了现前阶段国内外木材仿生科学的研究进展;并对木材仿生材料的研究进行瞻望。 本文关键词语:木材仿生; 构造; 多功能修饰; 木质纤维素气凝胶; 超疏水木材; Study on Research Status of Wood Bionic Science Based on Environmental

2、 Friendliness CHEN Bi-qi ZHU Jian-gang College of Furnishings and Industrial Design,Nanjing Forestry University Abstract:Imitate and apply the unique biological functions inherent in different species in nature,and create materials or structures that are similar to or even beyond themselves,that is,

3、the bionic behavior of humans since ancient times. Today,micro-nano technology is highly developed,people have completed the process of intelligent manipulation of bionics. Wood as the most modern material in line with the concept of sustainable development,the bionic scientific research applied to

4、wood keep coming into view, the structures and properties of wood related to bionic science were enumerated;the current status of wood bionic science at home and abroad were reviewed,and the development space for the research of wood bionic materials was put forward. 仿生学是人们通过观察研究自然界生物的形态、构造、生理特性、动作等

5、优异特征,应用现代科学技术模拟或建造具有生物系统特征或类似特征的科学。在木材仿生领域,详细表现为从自然界生物体获得灵感,利用诸如化学、物理或生物加工技术,为木材加工注入新理念、新设计、新构成,进而进一步扩展其应用领域,延长使用寿命1。 本文简述了木材与仿生科学研究相关的构造与性质,对国内外根据生物学原理和当代技术,赋予木材新发展空间的研究进行综述,并对木材仿生材料研究进行瞻望。 1 仿生学基本概念 (墨子 鲁问记载: 公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下 。鲁班用竹木作鸟,其实是我们国家古代仿生学的具体表现出,是我们国家木材仿生思想的萌芽2。西方学者以为仿生学是研究模拟生物系统方式,或以具有

6、生物系统特征的方式或类似于生物系统的方式建造技术系统的科学。路甬祥将仿生学定义为:为了获得工程技术所需要的新设计思想、工作原理和系统,而针对生物系统的构造、性状、原理、行为等所做的科学研究3。 2 木材仿生构造 2.1 木材多尺度分级构造 2.1.1 宏观构造 木材为构造层次分明、构造有序的聚合物基天然复合材料,从树干到木材细胞、纤维素分子,具有层次分明、复杂有序的多尺度分级构造4,如此图1a所示。 2.1.2 微观构造 木材细胞包含初生壁、次生壁和胞腔三个部分。华而不实,次生壁由次生壁外层S1、次生壁中层S2和次生壁内层S3组成,呈现多尺度分级构造特点4,如此图1b所示。 2.1.3 纤维构

7、造 在显微镜下可见细胞壁上一些丝状构造的粗纤丝,将其再细分即为微纤丝。微纤丝之间存在约10 nm的空隙,华而不实聚集有木质素、半纤维素等物质,如此图1c所示。 这些副层因微纤维排列不同对木材产生不同的支持力5。正由于木材拥有的这种分级构造系统,使其具有高强度、高硬度和高韧性。 图1 木材的分级构造4 2.2 木材分级多孔构造 木材管孔不仅形状,其尺寸和分布特点也不尽一样,这就为制备各种分级多孔材料提供了广泛的选材空间。阔叶材的管孔形状、孔径与针叶材不同6,其管孔形状不规则,孔径尺寸的粗细变化范围较广,呈现出明显的分级特征;针叶材的孔径尺寸比拟均匀,分布较为规则。木材多级多孔的特点使其具备收留其

8、他纳米材料的条件,因此成为仿生制备新型材料的天然模板。 2.3 木材天然气凝胶构造体 木材细胞壁主要由纤维素骨架物质、半纤维素基体物质和木质素结壳物质三种成分构成。研究以为半纤维素是一种凝胶性基质物质,在其构成后立即被纤维素纤丝所加强7。 木材是天然的多孔有限膨胀胶体。对于细胞壁的膨化主要指对S2层的膨化。从木材组成与构造看,华而不实包含很多孔隙,构成孔隙系统,知足气凝胶网络纳米构造的基本条件。 图2 纤维素、半纤维素和木质素结合构成细胞壁模型7 图3 木材细胞壁的壁层构造7 3 木材仿生案例分析 3.1 仿生磁性木材 3.1.1 基础研究 Meak等8基于木材各向异性构造,在水性介质中用碱性

9、溶液对三价铁和亚铁盐进行经典共沉淀,轻松地在木材内部原位合成了氧化铁磁铁矿Fe3O4和磁赤铁矿 -Fe2O3两种磁性矿物,在不损害木材构造,并保存其固有特性的基础上,使木材具有良好磁响应性。由图4可见木材细胞壁内外表沉积的氧化铁纳米颗粒薄层;在外界磁场作用下木材可发生不同程度的重新排列组合,如此图5所示为云杉和山毛榉磁性木材,在外部磁铁驱动下,可进行一些如升、翻转、定位的复杂运动。李坚等9通过水热法成功地将木材与磁性纳米粒子复合,得到了趋磁性木材,并研究了反响温度、时间和反响物的浓度等对趋磁性木材的影响,优化了制备工艺参数。 这类改性木材保存了木材的机械刚度、孔隙率和低密度等自然特性,增加了磁

10、性,进而成为先进的生物基工程材料,使任意形状尺寸的磁性木材元件加工、处理和规模化生产更为容易。 图4 氧化铁纳米颗粒覆盖电镜图8 图5 外部磁铁驱动8 3.1.2 多功能修饰 对趋磁性木材进行低外表能硅烷改性,能够制得兼有超疏水和抗紫外性能的趋磁性木材,拓展其应用范围。 已有研究采用在木材外表生长磁性纳米粒子的方式方法,增加木材外表粗糙度,使其兼具超疏水性与磁性。木材外表接触角为150 且滚动角很小,能被条形磁铁驱动。基于以上研究制备的趋磁性木材经紫外老化试验表示清楚,不管木材明度、红绿色、黄蓝色、色差变化,趋磁性木材外表的颜色改变率均小于素材,即趋磁性木材具可抗紫外老化性能9。 3.2 仿生

11、木质纤维素气凝胶 3.2.1 棉花纤维材料特性 棉花为锦葵科Malvaceae棉属Gossypium植物的种子纤维,是一种天然纯净纤维素材料,纤维素含量极高。仿生棉花轻质飘逸特性可用于秸秆等生物质废弃资源高附加值开发利用研究。 3.2.2 木质纤维素气凝胶 当前,气凝胶在木材中的应用有一定的进展,李坚10等采用农林废料制备具棉花轻柔特性的可浮于花瓣的纤维素气凝胶,为利用可再生纤维素资源开发新产品提供了思路。除此之外还运用超临界枯燥技术结合溶胶-凝胶法制备新型木材Si O2气凝胶复合材料,实验发现除了细胞腔内,在细胞壁上也能找到排列均匀的Si O2。 3.3 仿生超疏水木材 3.3.1 荷叶滴水

12、不沾特性 超疏水外表是指与水的接触角大于150 而滚动角小于10 的外表,水滴其上水滴小且极易滚落,除了荷叶面,水蝇腿、蜻蜓翅膀、蜘蛛丝等均如此。Barthlott等11的研究表示清楚:植物叶面的超疏水性与其微米级乳突构造及疏水蜡质材料有关。 3.3.2 超疏水木材 木材是一种多孔性、吸湿性、各向异性的天然高分子材料,在潮湿环境中应用受限。赋予木材超疏水性能,使水分难以停留在木材外表,甚至使其具有自清洁性、抗冰霜、减阻、防水防腐等优异的特性,这对隔水、防腐、防虫害的生物质环境友好型材料的研发具有重要意义。近年来,木材超疏水仿生构建成为木材功能化修饰的热门之一。 初期研究采用一种气体放电型离子源

13、产生低能量氢离子对檀木外表改性以提高疏水性,未处理试样外表约在8 s内完全吸水,处理后试样显示出超过10 min的斥水性12。当前该法已扩展应用于对不同树种的处理,经处理的木材抗湿润性和阻燃性提高,并且对漆膜附着力、质地、颜色等无不良影响。而李坚等13使用低温水热共溶剂法制备了木材超疏水外表并实现了其智能性光控亲疏转换。 当前,超疏水外表制备方式方法有溶胶凝胶法、水热法、气相沉积法、自组装法、浸渍法,还有等离子体法、电化学沉积法、软刻蚀法等13。 3.4 仿生光响应木材 3.4.1 海鞘光敏变色现象 海鞘可在不同环境下通过神经控制其体内的色素细胞,快速改变身体的图案和颜色。受此启发,研究人员积

14、极探寻求索创造与海鞘类似且具有精巧构造和功能的环境响应型材料,其可对外界刺激产生多重响应,调节本身性质,进而被广泛应用于生物诊断、组织工程、光学传感、涂料等领域。 3.4.2 光响应木材 李坚等14采用简便水热法和银镜法制备的复合薄膜显示出良好的紫外光控润湿性转换特性,研究得出微纳米构造与光控木材外表润湿性转换效应之间的开关关系。Hui等15用低温水热法,分别在木材基面建构了具有光驱动响应的两种薄膜,并发现原来在WO3三氧化钨处理下具有超亲水性的木材外表,在使用OTS十八烷基三氯硅烷处理后显示出超疏水性。惠彬等16采用溶胶凝胶法在木材外表构建一层有机光敏变色透明薄膜,其光响应可逆变色功能表现为

15、在太阳光下迅速变色,可见光下迅速褪色。 以WO3、Mo O3三氧化钼、V2O5五氧化二钒、Ti O2二氧化钛为代表性的过渡金属氧化物是重要的无机光致变色材料。因而除了上述低温水热法、溶胶凝胶法外,当前也采用化学气相沉积法、阳极氧化法、磁控溅射法17等方式方法制备可附着于木材外表使其具有光响应特性的金属氧化物。 3.5 仿生高强度木质层积材料 3.5.1 扇贝层积构造 扇贝构造是典型的层级构造,一般可分为3层:外层角质层,薄而透明,不受酸碱的侵蚀;中层为棱柱层;内层壳底,由平板状的单元累积成层排列18。扇贝是天然层级分明的复合材料,虽主要由Ca CO3碳酸钙构成,但抗张强度是Ca CO3千倍,其

16、原因就在于层积构造。仿生构筑贝壳类构造的功能材料,可为不同领域新型材料开发提供重要的发展空间。 当前已有研究借鉴扇贝层积构造性质制备高强度层积材料,如Bonderer等19仿生制备的陶瓷板-壳聚糖层状复合材料,质量仅为钢的一半,强度却与钢相当。 3.5.2 木材层积塑料板 在木材加工领域,仿生构筑贝壳类构造的功能材料主要为木材与其他材料的高强度复合层积材20。华而不实现前阶段应用最多的为木塑复合材料。 夏志远等21研究了木材层积塑料制造工艺。木材层积塑料板由薄单板经酚醛树脂浸渍后组坯、热压而成。木材经树脂浸渍后,内部多孔被浸透,在高压和热的作用下发生塑化,木材与树脂之间的物化反响使其成为不可逆

17、反响的坚实材料,强度高且绝缘性好,在大气相对湿度变化条件下稳定性好、耐腐,可用于建筑、机械、船舶、航空等领域。 有关木材层积塑料板制备方式方法及其所用木材的研究很多,案例也比拟丰富。肖飞等22制备了杨木层积塑料板,该板材相较于普通杨木胶合板,细胞间隙和细胞腔被填充粘合回弹空间小,即板材尺寸稳定性好;除此之外,因其并未完全塑化,兼具木材和塑料力学性能上的双重优点,可用作客车车厢底板,应用前景特别广阔。 4 木材仿生材料研究瞻望 仿生木材的研究重点紧随木材改性发展大潮流,华而不实研究试验案例最多的当属木质纤维素气凝胶和超疏水木材。可见,轻质高强木质材料与具有自清洁、防腐、防虫功能的木质材料,是仿生

18、木材的两大研究热门,这两种新型功能木材将来具有良好的应用前景。 1我们国家有大面积的人工林及天然林轻质木材,由于材质轻软,限制了其使用。而木质纤维素气凝胶可使木材拥有更高层次强度的同时,拥有更低的密度,能填补人工气凝胶材料缺陷,成为绝热、隔音等领域的一种环境友好型功能性材料。有关气凝胶的研究国内外已获得众多成果,其应用也较为广泛,也是本文所述五类仿生木质材料中研究与应用较为广泛的一种功能性木材。 2超疏水木材及其产品有着极其广阔的应用前景。木材经疏水性处理后,其吸水、吸湿性降低,尺寸稳定性提高,使用价值得以提升。但超疏水木材因加工成本高,需复杂而又苛刻的实验条件,因而国内对超疏水木材的试验研究

19、和应用还有限。今后在理论研究方面,外表微构造的几何形貌、尺寸与外表浸润性等仍有待深切进入;在实际应用方面,可从开发具有外表微构造可修复的超疏水外表及实现超双疏功能既疏水又疏油着手23。 3天然木材资源有限,以大自然给予的各种生物环境现象为启发,对自然界生物体的构造、功能、行为、视觉等进行仿生研究,充分利用木材本身天然构造与属性,并结合纳米、生物学、界面化学等技术24,25,为木材这种环境友好性材料的多功能利用提供了无限可能,今后对包括木材在内的生物质材料研究与开发应符合高效低碳、高附加值、综合利用、定向转化、功能化、环境友好等发展方向。 5 结束语 材料学、分子生物学、化学以及纳米技术的发展,

20、直接推动了仿生学向微纳前沿方向发展。人们对 仿生 的概念不再只停留在 形似 ,已从简单的认识自然、模拟自然,发展到超越自然。木材具有天然多尺度分级构造、多孔构造和调湿、调温、调磁等功能,是一种各向异性、低密度、高韧性、高强度及可再生性的环境友好型材料,今后应采用高水准的技术、设备进行木材仿生功能化研究,同时深切进入系统地对木材生物构造与功能的关系进行研究,使仿生木材朝着创新、绿色、高附加值方向发展。 以下为参考文献 1李坚.大自然的启发 木材仿生与智能响应J.科技导报,2021,34(19):1. 2刘克松,江雷.仿生构造及其功能材料研究进展J.科学通报,2018,54(18):2667-26

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22、cal PropertiesJ.Eur.Ceram.Soc.,1998,18(14):1975-1984. 6刘兆婷.木材构造分级多孔氧化物制备、表征及其功能特性研究D.上海:上海交通大学,2008. 7 FREY-WYSSLING A,MUHLETHALER K.Die elementarfibrillen der celluloseJ.Makromolecular Chemistry and Physics,1964(62):25-30. 8 MERK V,CHANANA M,GIERLINGER N,et al.Hybrid wood materials with magnetic an

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