一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的制备方法及其循环处理方法

技术领域

本发明涉及纤维板的制备方法及其循环处理方法。

背景技术

自然界的动植物经过亿万年的进化和发展，其精妙的结构设计和优异的力学性能逐渐实现完美统一。在众多的天然材料中，贝壳、骨骼、牙齿等生物体利用复杂有序的多尺度分级结构获得了比自身组分更高的强度、硬度和韧性，其中，贝壳内的珍珠层更是成为了高强超韧层状复合材料的结构模型。由文石层和有机体通过复杂的相互作用层层堆叠，形成了建筑上常用的“砖-泥”结构，这种独特的组装方式和多层次的结构特点使珍珠层的抗张强度高于天然文石3000倍，同时起到良好的增韧效果。在断裂过程中，文石层诱导裂纹发生频繁偏转，引发有机质桥连，利用在强界面作用下的文石层间的滑移阻力和纤维拔出，有效转移应力并消耗能量，为新型轻质高强复合材料的研发提供设计灵感，推动了仿生材料的飞速发展。

纤维素纤维是植物细胞壁中最丰富的天然可再生聚合物之一，具有来源广泛、机械性能高、热膨胀率低、易改性、生物相容性好、低密度等优势。近年来，利用木材加工剩余物中的天然纤维作为增强相制备环境友好的高性能复合材料呈现不断上升的趋势，并在航天航空、工业建筑、家居装饰、产品包装等领域得到广泛应用。然而，目前高强度的全纤维素结构材料多采用物理或化学法将纤维素原料研磨或氧化为纳米纤维素进行加工，不仅过程复杂，耗能较大，而且由于纳米纤维素的低浓度凝胶化行为，难以扩展制备大尺寸的块体结构材料，仅限制备大纤维或薄膜材料。而另一种可进行大尺寸制备的纤维增强复合材料的生产工艺包括无胶和有胶两种，其中，利用甲醛类胶黏剂生产的纤维板存在有害气体释放的风险，而利用无机盐、无机酸、无机碱、金属氧化物及氢氧化物交联粘接制备的无机纤维板因高密度、加工难度高等问题也难以规模化应用。此外，二者普遍缺乏对纤维的微观和宏观的结构及功能设计，存在纤维素纤维与胶黏剂(增强相和基体材料)界面结合力弱，纤维板力学强度低的弊端，同时因其成分较为复杂、难以分离回收，故而二者也都无法循环利用。

综上所述，现有技术不能制备绿色环保、高强高韧、可循环仿生结构纤维板。

发明内容

本发明要解决现有技术不能制备绿色环保、高强高韧及可循环仿生结构纤维板的问题，进而提供一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的制备方法及其循环处理方法。

一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的制备方法及其循环处理方法，它是按以下步骤进行：

一、预处理：

将木材加工剩余物依次进行脱除部分木质素及干燥处理，得到脱除部分木质素的木材加工剩余物；

二、溶胀处理：

在室温条件下，将脱除部分木质素的木材加工剩余物浸泡于活化液中，浸泡30min～3h，然后更换活化液，重复浸泡1次～5次，得到溶胀后的木材加工剩余物；

三、解离分散处理：

将溶胀后的木材加工剩余物加入到纤维素溶剂中，在温度为-20℃～150℃的条件下，连续搅拌5min～30min，最后静置反应5min～10min，得到高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液；

所述的高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液的密度为0.8g/cm

四、离心处理：

将高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液置于离心机中离心，去除底部沉淀，得到高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液；

所述的高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液的密度为0.5g/cm

五、水凝胶构筑：

将高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液浇筑在模具中，静置2h～10h，凝固成型后浸泡于再生溶液中5h～20h，最后清洗，得到均匀的多尺度纤维素水凝胶；

六、致密化处理：

将均匀的多尺度纤维素水凝胶置于热压机中热压，得到高强高韧、可循环仿生结构纤维板。

一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的循环处理方法，它是按以下步骤进行：

将高强高韧、可循环仿生结构纤维板置于破碎机中进行破碎处理，然后重复溶胀处理、解离分散处理、离心处理、水凝胶构筑及致密化处理，即完成循环处理方法。

本发明的有益效果是：

本发明利用解离-重组纤维素纤维的方式将木材加工剩余物中的纤维素骨架以纤维素纤维的形态充分解离，并借助外力将其均匀分散在纤维素溶液中，此过程不仅避免了用于同样目的的高耗能的机械研磨及均质的过程，还解决了传统纤维板制造过程中存在的施胶不均的情况。置于再生液后，解离分散的纤维素纤维在再生纳米纤维素网络的连接下重新组装，交织形成多尺度纤维素水凝胶，实现了巧妙合理的微/纳结构设计，利用纤维间的高接触面积、高密度氢键及范德华力，多尺度纤维素水凝胶在热压过程中形成了类贝壳的“砖-泥”结构。以表面溶解的纤维素纤维为硬相物质，以再生纳米纤维素网络为软相物质，这种坚固且精巧的多尺度微/纳纤维素网络结构代替了传统有机及无机胶黏剂的粘接作用，为纤维素纤维间提供了超高的界面强度，同时避免了添加剂及改性剂的使用，简化了制备工艺，获得了环境友好、可生物降解、轻质且高强高韧的纤维素板材。此外，由于纤维板是全纤维素材料，在其失去使用功能后还可对其进行回收破碎处理重新作为原料，用于生产全新的纤维板。这种自下而上可扩展的制备方法使其在飞机、建筑、汽车等领域具有良好的应用前景和使用价值。

本发明用于一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的制备方法及其循环处理方法。

附图说明

图1为实施例一步骤四制备的高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液实物照片；

图2为实施例一步骤五将高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液浇筑在不同模具后，均匀的多尺度纤维素水凝胶的实物照片；

图3为实施例一步骤五制备的均匀的多尺度纤维素水凝胶的内部网络结构电镜图；

图4为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的实物照片；

图5为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的横截面扫描电镜图，1为纤维素纤维，2为再生纳米纤维素；

图6为弯曲应力-应变曲线图，1-1为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板，1-2为对比实验一制备的纯纤维板，1-3为对比实验二制备的无纤维素纤维的再生纤维板；

图7为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的截面断裂电镜图；

图8为断裂韧性柱状图，1-1为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板，1-2为对比实验一制备的纯纤维板，1-3为对比实验二制备的无纤维素纤维的再生纤维板；

图9为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的拉伸应力-应变曲线图；

图10为实施例二中将实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板破碎后重新作为原料的纤维片实物图；

图11为实施例二步骤五制备的均匀的多尺度纤维素水凝胶的实物照片；

图12为实施例二中循环利用制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的横截面的扫描电镜图，1为纤维素纤维，2为再生纳米纤维素；

图13为实施例二中循环利用制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的弯曲应力-应变曲线；

图14为实施例三制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维杯或碗的实物照片；

图15为实施例三制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维碗的承重照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的制备方法及其循环处理方法，它是按以下步骤进行：

一、预处理：

将木材加工剩余物依次进行脱除部分木质素及干燥处理，得到脱除部分木质素的木材加工剩余物；

二、溶胀处理：

在室温条件下，将脱除部分木质素的木材加工剩余物浸泡于活化液中，浸泡30min～3h，然后更换活化液，重复浸泡1次～5次，得到溶胀后的木材加工剩余物；

三、解离分散处理：

将溶胀后的木材加工剩余物加入到纤维素溶剂中，在温度为-20℃～150℃的条件下，连续搅拌5min～30min，最后静置反应5min～10min，得到高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液；

所述的高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液的密度为0.8g/cm

四、离心处理：

将高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液置于离心机中离心，去除底部沉淀，得到高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液；

所述的高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液的密度为0.5g/cm

五、水凝胶构筑：

将高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液浇筑在模具中，静置2h～10h，凝固成型后浸泡于再生溶液中5h～20h，最后清洗，得到均匀的多尺度纤维素水凝胶；

六、致密化处理：

将均匀的多尺度纤维素水凝胶置于热压机中热压，得到高强高韧、可循环仿生结构纤维板。

步骤二中将脱除部分木质素的木材加工剩余物浸泡于活化液中，浸泡一段时间后，将其中结块的团聚体用玻璃棒捣碎，使其可以充分吸收活化液，更换活化液时，适当挤压木材加工剩余物，将之前吸收的活化液排出，重新浸泡吸收新更换后的活化液，用于充分削弱木材加工剩余物中纤维素纤维间的相互作用力。

步骤二中的目的主要是将脱除部分木质素的木材加工剩余物中纤维素纤维充分溶胀并削弱其相互间的氢键作用。

步骤二原理：木材加工剩余物虽然宏观尺寸大小不一、形态各异，但与天然木材的微观结构一致，主要由纤维素、半纤维素和木质素三种高分子聚合物组成，具有多孔性、层次性和各向异性。其细胞壁的基本骨架主要是由纤维素分子链聚集排列，有序组装而成，纤维素分子内和分子间的强氢键作用阻碍纤维素溶剂与纤维素分子接触，而经活化液处理后的木材加工剩余物中的纤维素纤维表面暴露出的纤维素微纤丝相互之间的部分氢键被打开，分子链获得较松弛构型，可提高其与纤维素溶剂进行接触的机会，从而促进木材加工剩余物纤维素骨架的解离及解离后的纤维素纤维表面溶解过程。

步骤三中将溶胀后的木材加工剩余物加入纤维素溶剂中不断搅拌，把沉淀在底部的木材加工剩余物重新分散在溶剂中，参与溶解反应。

步骤三中的目的促进部分脱木素木材加工剩余物的表面溶解过程。

步骤三原理：溶胀后的木材加工剩余物仍然保持有序排列的纤维素纤维骨架，在外力搅拌的作用下，部分脱木素木材加工剩余物与纤维素溶剂充分接触，得益于前期部分脱木质素处理，木材加工剩余物表面暴露出部分纤维素微纤丝，分散到纤维素溶剂中后，表面发生纤维素溶解反应，木材加工剩余物的纤维素骨架中的纤维素纤维间的氢键断裂，纤维素溶出，促进了木材加工剩余物纤维素骨架的解离，同时由于少量木质素的存在，避免了木材加工剩余物的纤维素骨架中的纤维素纤维被过度溶解，在外力搅拌和溶剂溶解的作用下，获得表面溶解且保持较为完整细胞壁结构的纤维素纤维，再生后即可得到表面分布大量纳米纤维素的表面纳米化的纤维素纤维，以增大界面间的接触面积和相互作用，提高界面强度。

步骤四中将乳白色的多尺度纤维素置入离心机后，将未被溶解、分散的大块纤维沉淀到底部，取用上层均匀、略微透明的纤维素溶液，确保溶液中所有的纤维素纤维都参与溶解反应并被解离分散。

步骤四中的目的主要是获得均匀分散的表面溶解的多尺度纤维素溶液。

步骤四原理：溶解解离后得到的乳白色纤维素混合溶液中存在部分未被分解的聚集体，这难以形成合理有效的结构设计，并极易在致密化过程中容易形成孔洞，造成结构缺陷，导致应力集中，进而降低纤维板强度。将纤维素混合溶液置于离心机中，可在外力的作用下，利用重力的不同，将质量较重、未被分散的纤维块体沉淀去除，同时保留交联缠绕、具有天然结晶纤维素的纤维素纤维(为纤维板提供增强体)，获得分散均匀的多尺度纤维素溶液。

步骤五中将在模具中凝固成型的多尺度纤维素水凝胶浸泡于再生液中，在其内部形成由表面纳米化的纤维素纤维和再生纳米纤维素网络共同交织缠绕形成的多尺度微/纳纤维素网络结构。

步骤五中的目的是形成具有多尺度微/纳纤维素网络结构的纤维素水凝胶。

步骤五原理：多尺度纤维素水凝胶是基于前期对木材加工剩余物纤维素骨架进行解离分散，加之经脱木素过程后暴露出纤维素微纤丝并随之发生表面溶解的纤维素纤维的基础上制备得到的。浸泡再生液后，纤维素分子内和分子间氢键重新连接并构成密集的纳米级再生纤维素网络结构，而均匀分散在其内部的保留天然纤维素晶体结构的表面纳米化的纤维素纤维利用纤维素间较好的生物相容性、较大的比表面积、范德华力及氢键网络的作用与其相互连接，重新组装形成具有多尺度微/纳纤维素网络结构的纤维素水凝胶。其中，纤维素纤维作为骨架结构起到机械支撑作用，而再生纳米纤维素网络起到胶黏效果，为仿贝壳结构的纤维板中的两相间的强界面奠定了基础。

步骤六中多尺度纤维素水凝胶在热压的过程中，随着水分的蒸发，不断收缩聚集，在外力的作用下，形成了高强高韧、可循环仿生结构纤维板。

步骤六中的目的是利用热压将多尺度纤维素水凝胶致密化处理以得到具有高弯曲强度和高断裂韧性的仿贝壳“砖-泥”结构的纤维板。

步骤六原理：在热压过程中，随着水分蒸发，纤维间不断收缩聚集，其中再生纳米纤维素由于比表面积较大，收缩剧烈，在纤维素纤维间形成了致密的高氢键密度的粘结层，而保留天然结晶纤维素的纤维素纤维在外力和再生纳米纤维素的作用下，内部的孔腔被压缩，形成了类似砖块结构的增强体，与再生纳米纤维素网络形成的粘结层相互交叉、层层堆叠。而这种多尺度层状结构在断裂的过程中可产生有效的强化和增韧机制，不仅可以实现外部载荷的有效传递，同时利用裂纹偏转、分支、桥接和纤维拔出等行为还耗散大量能量，改变裂纹扩展方向，抑制裂纹扩展，延缓断裂过程，获得较高的机械强度和韧性。

本具体实施方式的有益效果是：

本具体实施方式利用解离-重组纤维素纤维的方式将木材加工剩余物中的纤维素骨架以纤维素纤维的形态充分解离，并借助外力将其均匀分散在纤维素溶液中，此过程不仅避免了用于同样目的的高耗能的机械研磨及均质的过程，还解决了传统纤维板制造过程中存在的施胶不均的情况。置于再生液后，解离分散的纤维素纤维在再生纳米纤维素网络的连接下重新组装，交织形成多尺度纤维素水凝胶，实现了巧妙合理的微/纳结构设计，利用纤维间的高接触面积、高密度氢键及范德华力，多尺度纤维素水凝胶在热压过程中形成了类贝壳的“砖-泥”结构。以表面溶解的纤维素纤维为硬相物质，以再生纳米纤维素网络为软相物质，这种坚固且精巧的多尺度微/纳纤维素网络结构代替了传统有机及无机胶黏剂的粘接作用，为纤维素纤维间提供了超高的界面强度，同时避免了添加剂及改性剂的使用，简化了制备工艺，获得了环境友好、可生物降解、轻质且高强高韧的纤维素板材。此外，由于纤维板是全纤维素材料，在其失去使用功能后还可对其进行回收破碎处理重新作为原料，用于生产全新的纤维板。这种自下而上可扩展的制备方法使其在飞机、建筑、汽车等领域具有良好的应用前景和使用价值。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的木材加工剩余物尺寸为0.3mm～2.5cm。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式所述的木材加工剩余物为针叶材、阔叶材，且去掉60目及以上的木粉。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的脱除部分木质素具体是按以下步骤进行：将木材加工剩余物浸渍于脱木素溶液中，在温度为60℃～90℃的条件下，水浴加热10h～15h，然后在温度为20℃～50℃的条件下，用去离子水浸泡1h～3h，重复去离子水浸泡2次～4次，得到脱除部分木质素的木材加工剩余物。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的脱木素溶液为亚氯酸钠溶液与醋酸缓冲液的混合溶液、质量百分数为1％～30％的双氧水、质量百分数为1％～30％的次氯酸钠溶液或质量百分数为1％～30％的蒽醌溶液；所述的亚氯酸钠溶液与醋酸缓冲液的混合溶液为质量百分数为5％的亚氯酸钠溶液与pH为4.6的醋酸缓冲液按体积比为30:1混合而成。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的干燥处理具体是在温度为40℃～110℃的条件下，加热5h～15h。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的活化液为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或氯化锂质量分数为1％～6％的氯化锂/二甲基乙酰胺溶液。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述的纤维素溶剂为质量分数为85％的N-甲基吗啉-N-氧化物溶液、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、氯化锂质量分数为8％～10％的二甲基乙酰胺/氯化锂溶液、氢氧化钠/尿素混合水溶液、氯化锌/氯化钙混合水溶液和氯化锌/三氯化铝混合水溶液中的一种或其中几种混合；所述的氢氧化钠/尿素混合水溶液中氢氧化钠的质量分数为7％，尿素的质量分数为12％；所述的氯化锌/氯化钙混合水溶液中氯化锌的质量分数为72％，氯化钙的质量分数为2.2％；所述的氯化锌/三氯化铝混合水溶液中氯化锌的质量分数为59％，三氯化铝的质量分数为6.4％。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中所述的再生溶液为无水乙醇、丙酮、蒸馏水或去离子水。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六中所述的热压具体是在热压温度为30℃～150℃及压力为1MPa～10MPa的条件下，热压5h～50h。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的循环处理方法，它是按以下步骤进行：

将高强高韧、可循环仿生结构纤维板置于破碎机中进行破碎处理，然后重复溶胀处理、解离分散处理、水凝胶构筑及致密化处理，即完成循环处理方法。

将纤维板放入打碎机中制成小尺寸的纤维片，其中，纤维片不宜过大，若存在较大的块体颗粒则需重新置入打碎机中破碎，得到的纤维片。

破碎的目的是增大纤维碎片的接触面积，提高其溶胀、解离分散的效果，获得均匀粘稠的多尺度纤维素混合溶液，形成多尺度纤维素水凝胶，热压后同样形成高强度的仿生结构纤维板。

原理：纤维板是全纤维素材料，由纤维素纤维和再生纳米纤维素组成，其中纤维素纤维因保留了部分木质素且在纤维素溶剂中反应时间较短，因此保留了天然纤维细胞壁结构并具有大量一型结晶纤维素，借助一型结晶纤维素的高理论力学强度，纤维素纤维在纤维板中作为增强相起到机械增强的作用。同样，再生纳米纤维素和经部分脱木素处理后的木材加工剩余物表面暴露出的大量纤维素微纤丝，可借助纤维素溶剂，将其再次溶解获得粘稠的纤维素溶液，置于再生液后形成密集的再生纳米纤维素网络，因其巨大的比表面积和较高的化学反应活性，再生纳米纤维素网络在纤维板中作为软相起到粘结作用。因此破碎后的纤维板可重新作为原料用于仿生结构纤维板的制备。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种高强高韧、可循环仿生结构纤维板的制备方法，它是按以下步骤进行：

一、预处理：

将木材加工剩余物依次进行脱除部分木质素及干燥处理，得到脱除部分木质素的木材加工剩余物；

二、溶胀处理：

在室温条件下，将脱除部分木质素的木材加工剩余物浸泡于活化液中，浸泡30min，然后更换活化液，重复浸泡3次，得到溶胀后的木材加工剩余物；

三、解离分散处理：

将溶胀后的木材加工剩余物加入到纤维素溶剂中，在温度为28℃的条件下，连续搅拌20min，最后静置反应6min，得到高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液；

所述的高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液的密度为1.02g/cm

四、离心处理：

将高粘度、乳白色的多尺度纤维素混合溶液置于离心机中，在转速为2000r/min的条件下，离心5min，去除底部沉淀，得到高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液；

所述的高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液的密度为0.99g/cm

五、水凝胶构筑：

将高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液浇筑在板状模具中，静置8h，凝固成型后浸泡于再生溶液中10h，最后清洗，得到均匀的多尺度纤维素水凝胶；

六、致密化处理：

将均匀的多尺度纤维素水凝胶置于热压机中热压，得到高强高韧、可循环仿生结构纤维板，长宽厚分别为20cm×7cm×0.3cm；

步骤一中所述的木材加工剩余物为杨木刨花，尺寸为0.3mm～2.5cm。

步骤一中所述的脱除部分木质素具体是按以下步骤进行：将木材加工剩余物浸渍于脱木素溶液中，在温度为80℃的条件下，水浴加热12h，然后在温度为30℃的条件下，用去离子水浸泡1h，重复去离子水浸泡3次，得到脱除部分木质素的木材加工剩余物。

所述的脱木素溶液为亚氯酸钠溶液与醋酸缓冲液的混合溶液；所述的亚氯酸钠溶液与醋酸缓冲液的混合溶液为质量百分数为5％的亚氯酸钠溶液与pH为4.6的醋酸缓冲液按体积比为30:1混合而成。

步骤一中所述的干燥处理具体是在温度为60℃的条件下，加热8h。

步骤二中所述的活化液为氯化锂/二甲基乙酰胺溶液；所述的氯化锂/二甲基乙酰胺溶液中氯化锂的质量百分数为2％。

步骤三中所述的纤维素溶剂为二甲基乙酰胺/氯化锂溶液；所述的二甲基乙酰胺/氯化锂溶液中氯化锂的质量百分数为8％。

步骤五中所述的再生溶液为无水乙醇。

步骤六中所述的热压具体是在热压温度为80℃及压力为5MPa的条件下，热压15h。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是：将实施例一步骤六制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板打碎成尺寸<0.8mm的纤维素片，然后将纤维素片按实施例一步骤二至步骤六重复进行，得到循环利用制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板。其他与实施例一相同。

实施例三：本实施例与实施例一不同的是：步骤五将高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液浇筑在杯或碗状模具中，静置8h，凝固成型后浸泡于再生溶液中10h，最后清洗，得到均匀的多尺度纤维素水凝胶，最后室温下干燥成型，得到高强高韧、可循环仿生结构纤维杯或碗。其他与实施例一相同。

对比实验一：本对比实验与实施例一不同的是：将实施例一步骤一制备的脱除部分木质素的木材加工剩余物直接进行步骤六热压，得到纯纤维板。其它与实施例一相同。

对比实验一缺乏再生纳米纤维素和结构设计，木材加工剩余物相互间界面强度低，纤维素纤维分布不均，易造成结构缺陷，因而弯曲性能低。

对比实验二：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一中所述的木材加工剩余物尺寸为60目及以上的杨木粉，得到无纤维素纤维的再生纤维板。其它与实施例一相同。

对比实验二因缺乏含有天然结晶纤维素的纤维素纤维增强相，再生纤维板弯曲强度较低。

图1为实施例一步骤四制备的高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液实物照片。由图可知，纤维素溶液具有一定黏度，且较为均匀，没有明显分层，木材加工剩余物可被加工成为均匀的纤维素混合溶液。

实施例一步骤五将高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液浇筑在不同模具中；图2为实施例一步骤五将高粘度、分散均匀的多尺度纤维素溶液浇筑在不同模具后，均匀的多尺度纤维素水凝胶的实物照片。由图可知，水凝胶可根据模具的不同制备不同形状的产品，具有良好的可塑性。

图3为实施例一步骤五制备的均匀的多尺度纤维素水凝胶的内部网络结构电镜图。由图可知，水凝胶内部具有密集堆积的多尺度微/纳米纤维网络结构，再生的纤维素纳米纤维密集地堆积在纤维素纤维表面，导致较高的比表面积。

图4为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的实物照片。由图可知，纤维板材呈现出光滑致密的外观特征，纤维间呈现出紧密排列的状态。

图5为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的横截面扫描电镜图，1为纤维素纤维，2为再生纳米纤维素。由图可知，部分溶解的纤维素微纤维作为增强相由再生纳米纤维素提供粘接作用，组装成仿贝壳的“砖-泥”结构，呈现出致密的层积结构。

对高强高韧、可循环仿生结构纤维板进行弯曲试验，根据国家塑料弯曲性能试验方法GB/T 9341-2008标准进行；图6为弯曲应力-应变曲线图，1-1为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板，1-2为对比实验一制备的纯纤维板，1-3为对比实验二制备的无纤维素纤维的再生纤维板。由图可知，实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板具有良好力学强度，抗弯强度高达222MPa，其应变也达到了5.2％，具有较好的增韧效果。

图7为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的截面断裂电镜图。由图可知，纤维板的断裂裂纹呈现出裂纹偏转、分支、桥接等增韧断裂机制。

对高强高韧、可循环仿生结构纤维板进行断裂韧性试验，根据国家金属材料平面应变断裂韧度K

对高强高韧、可循环仿生结构纤维板进行拉伸试验，根据国家金属材料拉伸试验GB/T22.1-2010标准进行；图9为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的拉伸应力-应变曲线图。由图可知，为实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板具有良好力学强度，拉伸强度高达208MPa。

图10为实施例二中将实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板破碎后重新作为原料的纤维片实物图。由图可知，纤维板可被打碎成较小尺寸的纤维片，作为富含纤维素的原料重新用于生产纤维板。

图11为实施例二步骤五制备的均匀的多尺度纤维素水凝胶的实物照片。由图可知，由实施例一打碎后得到的纤维碎片可通过相同的处理方式进行纤维间的交联和重组，得到与实施例一同等效果的纤维素水凝胶。

图12为实施例二中循环利用制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的横截面的扫描电镜图，1为纤维素纤维，2为再生纳米纤维素。由图可知，实施例二步骤五制备的均匀的多尺度纤维素水凝胶经步骤六热压后，可得到拥有相同仿生“砖-泥”结构的纤维板。

对实施例二制备的循环利用制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板进行弯曲试验，根据国家塑料弯曲性能试验方法GB/T 9341-2008标准进行；图13为实施例二中循环利用制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的弯曲应力-应变曲线。由图可知，实施例二中循环利用制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板具有良好力学强度，抗弯强度高达218MPa。

图14为实施例三制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维杯或碗的实物照片。由图可知，水凝胶具有良好的可塑性。

图15为实施例三制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维碗的承重照片。由图可知，两个气干的纤维碗可承受50kg成人单脚站立的照片，具有较好的机械强度。

对比实验三：按申请号为202110396379.2、授权公告号为CN 113001696 B、发明名称为《一种无胶黏剂、自粘接形成高强度、无甲醛释放胶合板的方法》的发明专利中实施例一进行重复实验。

得益于自下而上的制备方法，实施例一主要针对块体承重材料的制备，同时得益于原料的分散性和对结构的仿生设计，实施例一的预处理过程、反应时长和过程都得到了进一步缩短和提高，所得样品尺寸更大、形状更多、机械强度更好、结构更为均匀，因此，其应用范围更广、产业化生产潜力更高。而对比实验三受限于木材的天然尺寸及缺陷(节子、虫蛀、斜纹等)，所得产品结构和力学性能容易发生不均匀和降低的情况。

基于高度致密的多尺度纤维间的物理缠绕、范德华力和强氢键所形成的高界面相互作用，实施例一制备的高强高韧、可循环仿生结构纤维板的邵氏D型硬度为90.8，而对比实验三胶合板的邵氏D型硬度为85；同时，实施例一纤维板表现出与其相当的拉伸强度，纤维板的拉伸强度为208MPa，对比实验三胶合板的拉伸强度为200MPa。

借助于简单高效的制备过程和较高的纤维素纤维含量，实施例一所得纤维板可通过简单的破碎过程，充分制备得到具有相同仿生结构和力学性能的纤维板，而对比实验三所得的胶合板无法实现同样的循环过程，重复得到相同性能的胶合板。