后的纳米木材,纳米木材隔热出色

来源:http://www.mypv3.com 作者:js333vip.com 人气:144 发布时间:2019-08-28
摘要:纳米木材隔热出色 树木或是新的泡沫聚苯乙烯。通过去掉木材中所有的填充材料而仅留下裸露的纤维,研究人员证实由此获得的“纳米木材”超越了几乎所有现有的隔热体。相关成果日

纳米木材隔热出色

树木或是新的泡沫聚苯乙烯。通过去掉木材中所有的填充材料而仅留下裸露的纤维,研究人员证实由此获得的“纳米木材”超越了几乎所有现有的隔热体。相关成果日前发表于《科学进展》杂志。

尽管聚苯乙烯泡沫塑料对环境来说非常糟糕,但仍然普遍用于从咖啡杯到包装材料等产品。多年来我们已经看到了多种替代品,其中一些使用蘑菇菌丝体作为可生物降解的解决方案,现在又增加了一种新的选择:“纳米木材”。

马里兰大学的工程师们已经打造了一种全新的隔热材料,与泡沫塑料或气凝胶相比,其效果至少可以达到 10℃、强度是泡沫塑料的 30 倍以上、对环境也更加友好。研究人员称之为“纳米木材”,它是从普通木材上切割而来,然后去除所有的木质素。

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来自美国马里兰大学的Liangbing Hu带领团队开发了这种纳米木材。他们将木材暴露于廉价、简单的化学物质——氢氧化钠、亚硫酸钠和过氧化氢。这些化学物质将木材中由木质素和半纤维素构成的细胞壁剥离,仅留下纤维素的骨架纳米纤维。

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近距离观察山毛榉木,会发现平行的纤维。

正是这些残存的纳米纤维的平行排列,赋予了纳米木材不同寻常的属性。热量无法轻易穿过纤维并且大部分被反射回来,尤其是因为木材中原本传递热量的所有固体填充材料已经消失,由导电性很差的空气替代。

该产品使用纤维素纳米原纤维制成,最终产生了一种强度高及重量轻的绝热材料。与聚苯乙烯泡沫塑料不同,“纳米木材”是可生物降解的。另一个优点是其优越的强度,超过其他热管理材料,如泡沫聚苯乙烯和聚合物气凝胶等。这种强度是由于使用纤维素纳米纤维,这种纤维素纳米纤维已经以产生高抗压强度的方式粘合在一起。

“纳米木材”在常规环境条件下隔绝了一年后的样子

图片来源:DR KEITH WHEELER/SCIENCE PHOTO LIBRARY

同时,由于残存的纤维是并列的,它们能帮助消散任何渗透进来的热量,因此热量无法被集中起来。Hu介绍说,这种热传导的二元性,即一方面阻止热量渗透,另一方面消散任何进入的热量,为其提供了优于其他隔热体的巨大优势。

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当木材的颜色从黄色彻底“漂白”成了白色,就说明木质素已经被完全去除了。实际上,这一过程和造纸很是类似。木头被切割后,可以留意它的纹理。

树木是新的泡沫聚苯乙烯。通过去掉木材中所有的填充材料、仅留下裸露的纤维,研究人员证实由此获得的“纳米木材”超越了几乎所有现有的隔热体。相关成果日前发表于《科学进展》杂志。

js333vip.com,“这再次证明,大自然超越了人类。”来自普渡大学的Jeff Youngblood表示。Youngblood的工作同样聚焦源自木材的工业用产品。

“纳米木材”由木材直接制造,因此得名。根据最新发表的详细研究,该材料的导热率非常低。研究人员解释说,包括低密度和高强度在内的好处的组合使纳米材料成为“对实际绝热应用极具吸引力的材料”。

加氢氧化钠和亚硫酸钠水煮,然后用双氧水处理,以去除木质素和大部分的半纤维素。接着冷冻干燥、以保持木材的结构,而不是如你所想的那样拿去造纸。

来自美国马里兰大学的Liangbing Hu带领团队开发了这种纳米木材。他们将木材暴露于廉价、简单的化学物质——氢氧化钠、亚硫酸钠和过氧化氢。这些化学物质将木材中由木质素和半纤维素构成的细胞壁剥离,仅留下纤维素的骨架纳米纤维。

实验室测试证明,纳米木材阻止热量渗透的能力与泡沫聚苯乙烯等同。后者在阻挡热量方面比环氧树脂、普通木材和玻璃优越上百倍。同时,纳米木材表现出令人难以置信的强大性能,可承受13兆帕载荷——相当于每平方英尺近2000磅的压强。

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正是这些残存的纳米纤维的平行排列,赋予了纳米木材不同寻常的属性。热量无法轻易穿过纤维并且大部分被反射回来,尤其是因为木材中原本传递热量的所有固体填充材料已经消失,而是由导电性很差的空气替代。

虽然接受测试的样品仅有15厘米长、2厘米厚,但研究人员表示,它可被制成现有的几乎任何尺寸或形状。Hu表示,由于该材料是如此通用,以至于它可被用于为整座建筑物、微小电脑组件或者飞机、太空飞船和汽车中的引擎隔热。

这种材料是通过从木材上取下额外的部分来制作。科学家解释说,该过程使用便宜且容易获得的化学品,包括氢氧化钠和过氧化氢。这个过程留下了纤维素纳米纤维,然后将纤维素纳米纤维排列,使它们既坚固又耐热。

可加工成“卷”、“纸”、“块”等形式

同时,由于残存的纤维是并列的,它们能帮助消散任何渗透进来的热量,因此热量无法被集中起来。Hu介绍说,这种热传导的二元性,即一方面阻止热量渗透,另一方面消散任何进入的热量,为其提供了优于其他隔热体的巨大优势。

它还很轻,并且制造起来相对廉价——生产每平方米材料所需的化学物质成本为7美元。同时,该材料能产生巨大的环保效益,因为它是由普通的可回收木材制成。“树木能储存而非释放二氧化碳。”已成立初创公司使该材料商业化的Hu表示。

“纳米木材”可用于各种应用,这要归功于其性能,包括作为建筑物的绝缘材料。然而,与许多现有的绝缘体不同,纳米材料在抵抗热量和散发热量的能力方面相对独特,因为它们防止热量积聚。加上制造纳米材料的成本非常低,该材料在许多行业中都是可行的选择。

将木质素从木块中抽出后,剩下的就是一种重量极轻、白色的纤维素,即木材原本的支架结构。与家用隔热常用的聚乙烯、或硅类材料相比,其隔热效果要高出好几个层级。

“这再次证明,大自然超越了人类。”来自普渡大学的Jeff Youngblood表示。Youngblood的工作同样聚焦产生源自木材的工业用产品。

与此同时,其管状形状,也赋予了各向异性(anisotropic properties)。热量可以自由地在纤维线上穿梭,但在另一个方向上,就没有那么容易了。

实验室测试证明,纳米木材阻止热量渗透的能力与泡沫聚苯乙烯等同。后者在阻挡热量方面比环氧树脂、普通木材和玻璃优越上百倍。同时,纳米木材表现出令人难以置信的强大性能,可承受13兆帕载荷——相当于每平方英尺近2000磅的压强。

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虽然接受测试的样品仅有15厘米长、2厘米厚,但研究人员表示,它可被制成现有的几乎任何尺寸或形状。Hu表示,由于该材料是如此通用,以至于它可被用于为整座建筑物、微小电脑组件或者飞机、太空飞船和汽车中的引擎隔热。

微观结构图 - 热量轻松通过隧道管疏散,而不是穿越过去,产生强烈的各向异性。

它还很轻,并且制造起来相对廉价——生产每平方米材料所需的化学物质成本为7美元。同时,该材料能产生巨大的环保效益,因为它是由普通的可回收木材制成。“树木能储存而非释放二氧化碳。”已成立初创公司使该材料商业化的Hu表示。

设计师们可以利用这项特性,将热量传递到他们认为合适的地方,并在其它地方阻挡住 —— 改变纳米纤维的方向即可。

此外天然纤维素的纤维还具有低应变性。在单向崩溃测试中,其强度实测为发泡材料的 30 倍以上。此外由于整体显现白色,其反射太阳光的效果也很出众。

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实验室中的“纳米木材”

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上图为普通木材变成“纳米木材”的过程

这项研究由博士后学生 Tian Li 和助理教授 Liangbing Hu 带领,他们认为这是一种很吸引人的材料,但在其走入千家万户之前,仍有许多工作要完善,比如防火处理。

毕竟由于木材的高度易燃特性,想要在建筑行业使用,就必须符合防火要求。但在另一方面,纳米木材拥有可生物降解的环保特性,以及方便地加工成纸片、木块、或卷曲等形式。

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“纳米木材”的生产流程

最后,阻挡这项技术大规模商用的关键,就是“干燥、漂白”木材的成本。如果成本居高不下,那么短时间内也是无法投入实际运用的。

有关这项研究的详情,已经发表在 3 月 9 日出版的《科学进展》期刊上。原标题为:《Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose》

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