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纳米材料的技术开发与研究

2013-09-09来源:中国林业网

树木是生产原材料的天然光化学工厂,其产品包括有很大潜在利用价值的纳米级纤维素纤维。由此产生的林产品工业在美国国民经济中是不可忽视的一部分。要加强美国林产品工业的发展,以及提高保护森林的能力,就必须应用新技术,而纳米技术的应用和发展为林产品工业提供了良好的发展前景。

1.纳米材料

由于纳米材料通常具有新的属性,因此可利用纳米材料开发全新的或增强型的木质产品和材料,并开发新方法和新工艺制造纳米产品和材料。例如,利用其它行业生产的新型纳米材料提高当前林产品的性能;利用木材生产的纳米材料制造具有革命性的强度、光学性能、电学性能及化学性能的材料;其它行业生产的纳米材料可与木材衍生的纳米材料相结合,生产具有不可思议的质量和性能的新型材料。纳米材料的发展前景还包括以下几个方面:

(1)开发具有更好的阻燃、防潮、耐光和防腐性能的添加剂、涂层及改良木材;

(2)开发具有特殊结构和功能属性的生物复合材料,其特点在于可根据需要特制;

(3)生产具有成本效益的新型产品,以代替不可再生的金属、塑料和陶瓷产品;

(4)开发新的预处理方法,以代替含有重金属的木材处理技术;

(5)开发能测量强度、温度、湿度或能检测腐朽及即时损坏情况的智能木质产品;

(6)提高将生物质转化为燃料和能源的生产工艺水平。

 纳米技术对生产新一代经济永续的木质材料至关重要,能够满足社会对健康森林的要求。美国林务局林产品实验室一直致力于纳米技术的开发和应用研究,他们认为,纳米技术可使林产品工业从资源密集型产业变成知识密集型产业。因此,纳米技术的研发是美国森林与林产品研究的重心。

2.聚合复合材料与纳米强化材料

木材是一种天然的复合材料,其成分包括纤维素、半纤维素及木质素。同时,木材也是由纳米纤维、微纤维、管胞、导管分子及薄壁组织细胞组成的复合材料。木材和木质产品越来越多地与非木质产品相结合共同生产复合材料。新的纳米材料为林产品工业改善现有复合材料产品与生产高价值、高性能的新型复合材料产品提供了一个极好机会。纳米材料与纳米技术的开发和使用帮助林产品生产者减少对材料和能源的消耗;增强木材和木质复合材料的功能;提高生产工艺效率,帮助林产品工业实现可持续性和保持活力。

 3.细胞壁纳米技术

 细胞壁是决定木材和木质纤维材性性能的主要因素,因此细胞壁纳米技术的研究所关注的领域是了解和利用细胞壁增强的结构和工艺。木材细胞壁是形成林产品工业和可再生资源的基础。细胞壁包含了独特的纳米制造蛋白复合物,可利用活性化的葡萄糖组合成纤维素纳米纤维。纤维素纳米纤维模数是碳纳米管模数的1/4~1/5,并且是天然生成的,不消耗能源,不需要经过高温加工。

近年来,对细胞壁成分间交互作用的研究,以及认识到细胞壁的组装是经过基因编码的,皆说明细胞壁的形成离不开极其精密的纳米加工程式。研究表明,不同物种、不同组织及不同细胞的细胞壁有着不同的分子和纳米结构。目前,人们对木本植物细胞壁的自身结构、分子多样性及生物进化和结构组装的机制的认识还很粗浅。

加强对植物细胞壁本质和相关纳米加工程式的认识为林产品工业的发展带来了挑战,提供了绝好的机会。相应的,需要加深对木质纤维素的纳米次序和组装的认识。利用细胞壁纳米技术可以在转基因植物内控制木质纤维素的结构;可以用全新的方式使用木质及其组成成分;可以为生物仿生纳米级制造工艺提供系统原型,以全新的方式生产材料。可以预见,未来的材料生产过程是直接与蛋白质,在细胞外纳米维度上生产纤维和复合材料。这种方法会极大地改变木质产品的生产,降低能源消耗,缓减去木质素过程。