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近日，东北林业大学李坚院士团队在Nature Sustainable上在线发表重要研究成果，报道了一种通过化学处理修复废弃木材的技术方法，修复后的木材性能超过远超商业层压木材。甘文涛教授、白龙教授、李坚院士和加拿大不列颠哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授为论文的共同通选作者。

【研究概要】

木材是一种可再生的生态友好型资源，在促进各种行业的可持续发展方面有着巨大的潜力，特别是在建筑和建筑材料领域。为了最大限度地利用木材，研究团队展示了一种将低价值木材(残余的、损坏的、腐烂的、处理的或断裂的)转化为轻质和坚固的结构材料的加工路线。这个过程涉及到脱木质素，结合部分溶解和再生，暴露原来存在于细胞壁的纤维素原纤维。后者在界面形成强大的氢键网络，导致“愈合”木材的机械强度超过典型金属和商业层压木材。此外，其可回收性以及对有机溶剂的良好耐蚀性，为低价值木材的稳定和可持续发展提供了一条有前景的途径。

【研究背景】

结构和功能仿生已经导致先进的，创新的材料，对工业具有战略意义，包括为航空航天工程制造的先进复合材料。高水平的强度已经实现，可与钢，铝，镁合金或工程塑料相媲美。与此同时，发展已指向简化加工、降低制造成本和碳足迹，所有这些都需要更有效地利用能源和资源。此外，重量轻、耐久性和可靠性是非常理想的性能。在这方面，木材等天然材料正成为可行的选择。木材不仅广泛丰富和可持续，而且由于其多组分、复合结构，包括层次排列的纤维，它具有高机械强度。木材作为一种工程材料重新引起人们的兴趣，这并不令人惊讶，特别是在选择性去除非纤维素成分之后。这开辟了木材的新用途，包括与能源储存、环境保护、电子和先进建筑相关的用途。在这种情况下，脱木质素和随后的致密化是实现所需性能的步骤。如果木材在使用寿命结束后，例如在损坏、分解或破碎后，有可能恢复其功能，则可对这种发展产生更大的影响。这是本研究的一个主题，旨在回收和再利用低价值的木材，例如，来自城市地区的木材废料在不断增加(图1a)。根据美国环境保护局的数据，2018年美国回收的城市废木材占310万吨，占废木材总量的17%(图1b)。考虑到更好的资源效率和环境影响(例如，木材腐烂产生的二氧化碳排放)，显然木材回收是一个优先事项。

在这里，本文介绍了一种低价值木材(木屑、木屑和残渣)的原位溶解和再生方法，以发展最初存在于细胞壁中的纤维素原纤维之间的粘附。这种“愈合”过程被建议作为一种使木材稳定以获得轻质、坚固材料的方法(图1c,d)。为此，在氯化锂(LiCl)存在的情况下，使用二甲基乙酰胺(DMAc)部分溶解来自脱木质素木材的纤维素，并将其浓缩到细胞和断裂元素之间的界面。在与水进行原位再生后，纤维素纤维相互结合并在多孔通道内，从而形成一个“愈合”的系统。氢键网络的形成允许最初断裂的木材的界面粘附。因此，“愈合”木材是由高度排列的纤维素纤维组成的密集结构形成的，从而具有优越的机械性能。这种工艺简单而有效地将残余或废弃木材转化为高性能结构材料，其性能比商业层压木材更好或更好。木材愈合过程为推进以森林为基础的循环生物经济提供了途径。

【图文解析】

Figure 1. Valorization of wood waste by healing.

Figure 2. Morphological and structural features of as-prepared wood samples.

Figure 3. Mechanical strength of healed wood.

Figure 4. Wood healing and mechanical properties of healed wood.

Fig. 5. Tensile properties of stacked healed wood compared to wood healed by commercial adhesives.

【方法介绍】

【文章信息】

Dong, X., Gan, W., Shang, Y. et al. Low-value wood for sustainable high-performance structural materials. Nat Sustain (2022). https://doi.org/10.1038/s41893-022-00887-8.