可以自我密实化成膜的高度微纤化木材

木材拥有天然的多级尺度结构。其细胞壁以纤维素微纤为骨架，半纤维素和木质素为粘结和填充成分构成。天然细胞壁中纤维素微纤成网络状结构，微纤间部分由半纤维素和木质素间隔，防止生成聚集体。近年来出现的木材纳米技术（Wood Nanotechnology）以维持木材多级孔隙结构及纤维素微纤取向而受到重点关注。然而，在脱除木质素和半纤维素后，纤维素微纤表面存在的大量羟基在干燥或压缩过程中会通过氢键作用形成聚集，降低木材的比表面积，影响最终的材料性能。

基于这一问题，瑞典皇家理工学院周琪教授课题组采用了中性TEMPO氧化作为后处理，将纤维素微纤表面部分羟基氧化为羧基形成静电斥力，从而稳定纤维素微纤，防止聚集的形成。经中性TEMPO氧化的木材细胞壁具有高度微纤化结构，微纤尺寸维持在10-20 nm，高比表面积高达249 m²/g。由于细胞壁的微纤化，中性TEMPO氧化处理在不破坏木材结构整体性的情况下降低了细胞壁的刚度。这使得高度微纤化木材的管状细胞在自然干燥过程中可以仅受水蒸发驱动的弹性毛细管力作用实现压缩，继而在氢键作用下固定形成致密纤维素膜。“自我密实化”形成的纤维素膜具有高密度（1.32 g/cm³）、高透光率（80 %）及显著的光学各向异性。由于微纤化后的细胞壁在自我密实化过程中可以更好的重新组装排列，最终得到的纤维素薄膜还具有优良的力学性能（拉伸强度449 MPa、拉伸模量51 GPa）。这一高度微纤化的木材模板结构更接近纳米纤维素网络，同时具有高度取向性和微米尺度管束结构，在今后的功能性木材构建上将有可能发挥重要应用。

这一工作于近期发表在Advanced Materials 上，文章的共同第一作者是瑞典皇家理工学院的李凯博士与王沈南博士生，周琪教授为本文的通讯作者。

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Self-Densification of Highly Mesoporous Wood Structure into a Strong and Transparent Film

Kai Li, Shennan Wang, Hui Chen, Xuan Yang, Lars Berglund, Qi Zhou

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003653

周琪教授简介

瑞典皇家理工学院化学系教授。研究方向为基于林业和海洋生物质材料的表面改性与自组装开发具有多功能性和可控制结构的生物基复合材料。涉及木材、海洋生物质、纤维素、甲壳素、木葡聚糖等天然多糖和高分子的化学与生物酶改性，以及相应复合材料的设计和制备、界面、结构与性能关系研究。近年来以通讯作者身份连续在Advanced Materials, ACS Nano，Green Chemistry 等期刊发表多篇文章，累计引用超过7000次。