微观力学表征技术的发展及其在木材科学领域中的应用

微观力学表征技术是表征材料微纳米力学性能的重要技术手段,目前已被广泛用于表征材料的超微构造和解析材料的力学行为。随着材料科学研究尺度缩小,微观力学表征技术逐步从纳米向超纳米、从分子向超分子甚至粒子水平发展。按照试样信息的不同方式,微观力学表征技术主要包括纳米力学测试技术(探针技术)和超纳米力学测试技术(显微镜技术);其中,纳米力学测试技术包括准静态纳米压痕技术、动态纳米压痕技术和动态模量成像技术,超纳米力学测试技术包括原子力显微镜技术和基于原子力显微镜技术的新型微观力学表征技术。木材是一种多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子复合材料,其超微结构是细胞壁由不同厚度的层次组成。细胞壁是决定木材和木质纤维材料性能的主要因素,是木材的实质承载结构;细胞壁的力学性能是由壁层结构、化学组成的分布与结合方式决定的。开展木材和改性木材细胞壁纳观尺度的力学性能、分布及影响对实现木基复合材料的高效设计具有重要意义。自Wimmer等首次将纳米压痕技术应用于天然木材细胞壁微观力学后,国内外学者主要采取准静态纳米压痕测量技术和动态纳米压痕测量技术对不同树种木材以及化学改性和生物改性木材细胞壁的硬度、弹性模量、蠕变特性与黏弹性等力学性能进行了研究。木质材料界面作为纳米级厚度的界面相或者界面层,不仅影响木质材料的强度、刚度,而且影响木质材料的断裂韧性等。界面力学是决定木基复合材料整体力学性质的关键,是引起材料变形、强度下降的主要原因。研究界面的属性和特征对于木基复合材料整体属性的评价以及结构的优化设计有一定参考价值,研究内容涉及有胶合界面、纤维增强聚合物界面以及木制品涂层的微观力学。随着研究尺度逐渐缩小,微观力学表征技术趋向高分辨率及数据定量化,如今已能在纳米级分辨率下进行力学信息成像,为木材科学领域的研究提供了方便。微观力学表征技术在木材科学领域中的应用尚具有较大潜力,但仍有较多方向尚未涉及,还应在以下3方面展开研究:一是需要开展微观力学技术在木材科学领域应用的标准化研究,规范测试过程,确保测试结果的可靠性和一致性;二是建立木质材料宏观到微观的完整力学体系,从本质上剖析木质材料的力学行为,在纳米尺度上表征木质材料的性质和失效机制;三是随着木材科学领域研究的深入,需建立微观力学与微观化学、微观物理、微观环境学的联系,丰富木材及木基复合材料在微纳尺度的研究。     

木质纤维喷播材料在生态恢复技术上的应用

综述木质纤维喷播材料在生态恢复工程技术上的应用,并介绍木质纤维喷播材料的生产制造技术及其特点,概述木质纤维喷播材料的国内外技术发展应用状况并提出木质纤维喷播材料在植被恢复和边坡绿化等领域的应用前景。     

木质材料损伤断裂中声发射特性的研究进展及趋势

介绍声发射技术的定义、原理和特点,以及声发射技术作为一种新型的动态无损检测方法在木材工业中的应用,重点分析当前国内外学者对木材及木基复合材料损伤断裂中声发射特性的研究情况,指出由木材及木基复合材料损伤断裂中的声发射特性,可以在线监测木质材料裂纹尖端起裂时间、破坏源的位置以及材料损伤的严重性,较好的识别木质材料损伤断裂的不同阶段,对构件的安全性检测具有重要意义。在此基础上,指出今后声发射技术在木质材料科学领域的发展趋势。     

磁性木材和磁性木质纤维的制备及应用

磁性木材和磁性木质纤维制品是具有广泛用途和诱人开发前景的新型功能材料。笔者介绍了磁性木材和磁性木质纤维的制备方法及其特点,阐述了磁性木材和磁性木质纤维制品的应用领域。     

基于木材细胞壁结构调控的能源存储与转换材料研究进展

近年来,随着对木材细胞壁微结构认识的深入和细胞壁调控技术手段的丰富,木材作为一种绿色、可再生且储量丰富的天然高分子材料,开始在节能建筑、环境保护、生物工程和储能器件等领域发挥出独特的功能优势,引起了广泛关注。利用木材开发高能量密度电极、高效电解水催化剂,对推进落实“双碳”目标、实现能源的绿色和可持续发展具有重要意义。笔者基于木材细胞壁调控方法-结构-功能三者之间的联系,总结了利用物理、化学和生物反应对木材细胞壁进行结构解聚、活化造孔和功能修饰的方法,探讨了碳化后木材电极的结构特征与电化学性能之间的关联机制。基于木材孔隙结构和厚度自适应性的特点,讨论了实体木材对实现超级电容器高能量密度和高功率密度的重要性;针对木材电极分级多孔的结构特性,分析了以木材为载体制备高性能的锂-氧电池和锂-硫电池的创新思路;利用实体木材的化学活性,重点探讨了其作为催化剂载体,在催化水裂解制氢方面表现出的协同增效与技术优势。最后,基于以上的论述,对木材作为储能材料所面临的机遇、挑战以及未来需要重点关注的研究方向进行了展望。     

微纳米木丝粉组构PM2.5过滤器的机制

针对目前空气中悬浮颗粒过滤困难的问题,提出采用微米木丝和微纳米木粉组构PM2.5过滤器的目标,利用木材天然环保的过滤材料及其炭化后天然结构中的孔穴吸附功能,过滤汽车尾气、燃煤微粒等大气悬浮颗粒.文章对国内外目前过滤器进行分析,提出木基生态级负离子PM2.5过滤器的过滤机制和技术路线,通过可行性论证,将为我国采用木基材料作为空气过滤器的应用前景提出一个研究方向.     

木基相变蓄热材料研究进展

相变蓄热材料有助于节能和能源的可持续利用,缓解能源危机。木材虽具有调节温度的功能,但远未达到作为相变蓄热材料的要求,因此通常需要与其他相变材料进行复合制备木基相变蓄热材料。文中介绍了几种常与木材复合的相变材料（石蜡、聚乙二醇、脂肪酸）,并对这些材料的特性和应用范围进行了比较;在此基础上概述了木基相变蓄热材料的研究现状,包括实木相变蓄热材料、木质复合相变蓄热材料和木塑相变蓄热材料,并阐述了各类材料的制备方法、性能特点和应用领域;对木基蓄热相变材料未来研究方向进行了展望。     

美国木材与纤维复合材料研究现状

对美国木材工业及纤维复合材料方面的研究及发展现状进行了论述, 重点介绍木材工业、木结构材料、木基复合材料、纤维复合材料、木材化学利用和木材生物质能源等领域的研究现状和发展动态, 并针对我国木材利用现状提出开展木材资源系统基础及应用研究、加快环境友好型天然纤维复合材料研发和加强木材化学及能源利用研究的建议。     

木基太阳能界面蒸发器研究进展

太阳能界面蒸发作为一种新兴的海水淡化技术,因其能耗低、系统简单、成本低等优点而受到广泛关注。木材作为一种资源丰富、可再生、可生物降解的环境友好型生物质材料,具有独特的多尺度分级结构和丰富的孔隙构造,兼具良好的亲水性与低导热性,是一种极具潜力的太阳能界面蒸发器基体材料。木材通过简单的表面炭化或功能性修饰,即可在保留木材天然结构的基础上提升其表面光热转化能力,实现高效的太阳能界面蒸发。笔者从木材的孔隙构造与化学组成出发,阐述了以木材为基材构建木基太阳能界面蒸发器的天然优势,介绍了木基蒸发器的“双层结构”设计策略,总结了提升木材表面光热转化性能的主要方法,探讨了木材孔隙构造及其结构设计对器件蒸发性能的影响,归纳了当前木基蒸发器的主要抗盐沉积策略,同时分析了木基蒸发器现阶段发展所面临的挑战以及未来研究方向,旨在为促进木材在太阳能海水淡化领域的研究与应用提供参考。     

纳米纤维素储能研究进展

纳米纤维素是一种来源于植(动)物或微生物的天然绿色纳米材料,拥有高表面化学活性、独特的网络结构、优异的力学强度和高比表面积等优良特性。通过层层自组装、原位化学聚合和电化学沉积等方式,纳米纤维素可与金属氧化物、导电聚合物和二维纳米材料等多种纳米粒子高效复合,形成不同微观尺寸和结构特性的纳米纤维素基多孔膜材料和导电复合材料,在金属离子电池、超级电容器等储能器件用隔膜和电极材料领域具有广阔的应用前景。根据材料来源、制备方法和纤维形态的差异,纳米纤维素可分为纤维素纳米晶体、纤维素纳米纤丝、细菌合成纳米纤维和静电纺丝纳米纤维4大类,目前用于储能材料的主要是前3类。这些纳米纤维素常与水混合成胶体状态,失水后借助氢键自组装(织)形成力学性能和热稳定性优异的薄膜,在电解质溶液中具有良好的保湿能力,易于离子和电子传输,是储能器件隔膜材料的理想选择。纳米纤维素丰富的活性基团、独特的网络结构和易于成膜的特性,可作为骨架材料与其他导电活性成分(主要包括碳纳米材料、金属氧化物和导电聚合物)复合制备储能用电极材料。纳米纤维素也可以直接炭化用于电极材料,其储能性能与石墨化程度密切相关,常通过掺杂改性、多元复合等方式提高储能效率和性能。现阶段纳米纤维素基电极材料有主要碳纤维材料、二维纳米材料、导电高分子材料和多元复合材料,尽管具有无可比拟的性能优势和乐观的应用前景,但纳米纤维素与电极活性材料之间的复合方式、界面相容性以及微观形貌调控等研究尚处于起步阶段,如何最大限度发挥纳米纤维素的尺寸效应和网络结构,构建具有更加精细的纳米体系及高转化效率的储能器件是下一步需要攻克的主要难题。本文在简要介绍纳米纤维素分类和性能的基础上,详细阐述其在储能器件隔膜材料和新型电极材料领域的研究现状,并进一步对纳米纤维素在该领域的发展趋势进行展望。     

木基复合材料研究现状

木基复合材料具有良好的机械性能和可加工性，是现阶段我国木材科学与技术领域开发和研究的主要对象。首先根据不同的组合形式和应用总结出3种木基复合材料，即木塑复合材料、木基陶瓷材料和木材无机纳米复合材料。同时，梳理了其在生物可降解材料、新型环保材料、新型阻燃材料、生物基热塑性等领域的研究进展，并针对现有木基复合材料制备和应用方面存在的问题，展望其研究趋势和应用前景，旨在为进一步提高木基复合材料的研究提供科学依据。     

二氧化硅微胶囊的制备工艺及在木材改性领域的应用

微胶囊化技术可以改变材料性能,在食品、染料颜料、农药及木材改性等领域已显示出其优越性能。系统地介绍了原位聚合法、溶胶凝胶法、乳液界面水解缩聚法及乳液聚合法制备的二氧化硅微胶囊的结构、制备工艺与成囊原理;分析了二氧化硅微胶囊在木质相变储能材料、木材阻燃、木材防腐等木材改性领域的应用现状。二氧化硅微胶囊能够较好地将改性剂固定在木质材料内部,增强改性效果,在木材改性领域具有广阔的开发前景。     

木基衍生炭活化过硫酸盐降解污水污染物的研究进展

基于硫酸根自由基的高级氧化技术在处理水中有机污染物领域受到广泛关注,利用炭材料活化过硫酸盐可解决传统过渡金属/过硫酸盐体系降解污染物过程中的金属离子溢出问题。木基衍生炭是一种天然绿色、成本低廉、制备工艺简单、可持续的非金属炭材料催化剂,并且具有应用于环境修复领域的潜能。木基前驱体经热解后可生成具备发达孔结构和丰富官能团的炭材料,有利于过硫酸盐活化。木基衍生炭具有的丰富孔径结构也为水体中有机污染物的吸附提供了可能。概述了近年来木基衍生炭/过硫酸盐体系在污水处理领域的研究进展,重点介绍了自由基高级氧化技术原理、木基衍生炭材料的制备技术与性能特点以及基于炭材料的自由基高级氧化作用机制和技术特点,同时详细总结了非金属杂原子改性对木基衍生炭材料性质及其活化过硫酸盐能力的影响,归纳分析了木基衍生炭催化剂在水环境处理中的作用机制与应用前景。研究结果也为森林可燃物处理、木材加工剩余物及废弃改性木材的高值化利用提供了新的思路。     

声发射技术在木质材料损伤监测中的应用研究进展

木质材料损伤演化特征的监测一直是木材科学的研究热点。声发射技术是一种具有实时性、连续性的监测技术,在木质材料损伤监测研究中得到广泛应用。文中围绕声发射技术在木质材料损伤监测领域研究中的应用情况,总结了声发射技术原理与分析方法,归纳了木质材料特性对声发射信号的影响因素,并分别从木质材料损伤源定位、实木和木基复合材料损伤监测以及发展前景3个方面进行分析与讨论,以期为声发射技术在木质材料领域的进一步应用发展提供参考。     

动态力学分析技术在木材科学研究领域的应用

动态力学分析技术(DMA)通过材料的结构和分子运动状态表征材料的力学性能。木质材料的力学性能本质上是分子运动状态的反映,利用DMA可以架构其结构与性能之间的关系,获得木质材料的结构、分子运动及其转变等重要信息。分别总结了DMA在实体木材和木质复合材料中的应用:围绕实体木材,综合评述了DMA在分析木材材性、软化行为、机械吸湿效应以及早期腐朽程度方面所取得的研究进展;针对木质复合材料,重点介绍了DMA在分析其阻尼性能、胶合性能、界面相容性能和耐老化性能等方面的应用。建议今后的研究重点从以下3个方面展开:1)考虑到实体木材自身组织结构的复杂性以及易受环境影响等特点,采用DMA分析仪不同的载荷类型和形变模式进行组合测试,在一定温湿度场中系统研究实体木材的材性与软化行为和机械吸湿效应的关系。2)利用DMA分析仪的单纤维拉伸模式,探索单根纤维(管胞、木纤维细胞)的黏弹行为,进一步明晰木质材料微观黏弹性能的响应机制。3)联用振动光谱(红外光谱或拉曼光谱),实现同步实时观察木质材料形变过程中组成分子的化学键或官能团的变化及响应,进而从分子水平揭示木质材料的形变规律。     

木质纤维/塑料复合材料的发展现状及应用

木质纤维/塑料复合材料是以木质纤维材料为基本体,与塑料通过不同的复合途径制成的一种新型复合材料,综合了木质纤维与塑料的性能特点,因而用途广泛.作者介绍了木质纤维/塑料复合材料的复合工艺、界面特性和改性处理以及产品的应用前景.     

声发射检测技术及其在木质材料无损检测中应用的展望

介绍了声发射检测技术的定义、原理和特点, 回顾了声发射技术的发展历史以及它在木质材料无损检测领域中的应用; 在此基础上提出声发射检测技术在木材科学与技术领域的应用前景。     

低共熔溶剂在木质纤维类生物质研究中的应用

低共熔溶剂(DESs)是一种新型绿色溶剂,具有蒸汽压低、合成过程简单、价格低廉、无毒、可生物降解等优点,被认为是最有发展潜力的生物质预处理试剂之一,在木质纤维类生物质领域中的研究应用逐年增加。综述了DESs在木质素、纤维素和半纤维素的溶解、改性以及利用等相关方面的研究进展,分析了DESs氢键供体和氢键受体种类、摩尔比、浓度、处理温度等条件对三大素溶解性能的影响,以及三大素在DESs中酯化、活化和降解等的研究现状。介绍了DESs预处理稻壳、玉米芯、农作物秸秆、木材等木质纤维类原料的研究现状,利用DESs预处理木质纤维类生物质主要是提取并获得高纯木质素组分,同时提高富纤维物质的葡萄糖得率和木糖得率,对DESs预处理木质纤维类生物质的机理进行了分析。重点介绍了利用DESs预处理纸浆等木质纤维类生物质制备纳米纤维素的研究进展。最后,提出了DESs在木质纤维类生物质领域研究的发展方向,以期为DESs应用于木质纤维类生物质资源化利用提供依据和参考。     

木基电磁屏蔽/吸波材料研究进展

生命健康、精密仪器和国防信息等领域对电磁屏蔽/吸波材料均有迫切的需求,但传统金属基电磁屏蔽/吸波材料存在屏蔽效能质量比低、易造成二次环境污染和屏蔽机理单一等不足,而新型碳基纳米电磁屏蔽/吸波材料制备烦琐、价格昂贵。木材及其衍生品具有多级孔结构、强重比高、绿色低碳、易加工、可再生等天然优势,开发轻质、环境友好的木基电磁屏蔽/吸波材料逐渐成为研究热点。系统分析和讨论了国内外木基电磁屏蔽/吸波材料的研究进展,介绍了电磁屏蔽材料的基本概念和原理,对比了涂层型、填充型、碳化型3种制备方法的特点及适用范围,总结了制备工艺、孔隙结构、导电/磁性填充组分等因素对电磁屏蔽和吸波性能的影响,并分析了木基电磁屏蔽/吸波材料中的电磁屏蔽机理和吸波机制,以及木质材料的各向异性结构对屏蔽性能的调控机制,最后对木基电磁屏蔽/吸波材料的未来发展趋势和研究重点进行了展望,可为木基电磁屏蔽/吸波材料的研发提供一定参考。     

木材海绵研究进展

天然木材制备的木材海绵可替代硅胶海绵、聚氨酯和三聚氰胺等合成高分子基海绵,作为高效吸油剂用于污水净化,并衍生出一系列运用。在去除木质素和半纤维素后,天然木质材料保留了原生的精巧三维分级孔隙结构,从木材直接转化为生物基纤维素骨架,具备高孔隙率、比表面积大、优异机械性能等特性的同时,还保留了木材生物相容性等特点。对木质纤维素骨架进一步改性后得到的木材海绵,在油水分离、能源存储、传感器、穿戴设备等领域具备一定的发展潜力。文中综述目前制备木材海绵的有效方法,包括精巧分级孔隙率的木质纤维素骨架制备和基于该木质纤维素骨架的各类功能性材料开发探索;针对木材海绵的高效制备和功能化,从基础物质、基本性能与工艺流程角度梳理近5年的相关工作,以启发该类先进材料的创制思路;同时,探讨木材海绵功能的先进性,并对其应用前景进行展望。