一、成果简介

  近日，美国农业部林产品实验室朱俊勇教授联合盐城工学院王旺霞副教授、谷峰副教授及南京林业大学姜波副教授提出“分层强化、协同增效”策略，通过“内层阻燃浸渍—中层热压强化—外层无胶自固”协同工艺，制备出多性能协同优化的改性木材（RDS-wood）。该材料具备高效阻燃性、优异力学性能和超疏水自清洁能力，可满足高端应用场景需求。相关成果以“Exceptional flame-retardant, super strong/tough, and superhydrophobic/self-cleaning wood”为题，发表在国际学术期刊《Materials Today》上（IF：22.0）。

二、行业痛点

  木材作为天然可再生材料，凭借轻质高强、加工性优异、环境友好等核心优势，已广泛应用于建筑结构、室内装饰及家具制造等领域。但受其化学组成（纤维素、半纤维素、木质素）特性限制，木材长期面临易燃、力学性能不足、易受潮霉变等关键问题，这极大制约了其在高要求、严苛场景中的进一步应用。

三、创新方案

  针对上述痛点，团队从自然界汲取灵感——借鉴荷叶超疏水表面的“防粘”特性与树木木质纤维的致密结构优势，创新设计“内层阻燃浸渍—中层热压强化—外层无胶自固”协同改性工艺，通过精准配合实现木材性能的全方位升级。

（一）内层阻燃浸渍：构建氮-磷协同阻燃体系

  以聚乙烯亚胺（PEI）与聚磷酸铵（APP）复配形成氮-磷协同阻燃剂：一方面，PEI可捕获木材燃烧过程中产生的活性自由基，从源头中断燃烧反应链，强化阻燃效果；另一方面，PEI通过阳离子交换作用与APP形成稳定共价键，大幅降低阻燃剂在后续加工或使用中的流失风险，为木材长效阻燃奠定基础。

（二）中层热压强化：双重提升阻燃稳定性与力学性能

  对浸渍阻燃剂的脱木质素木材进行热压致密化处理：热压过程中诱导的缩聚反应，促使阻燃剂与木材基体中的纤维素、半纤维素形成“氢键+共价键”双重交联网络——既进一步固定阻燃剂，避免其迁移流失；又显著提升木材的致密性，让原本疏松的纤维结构更紧实，从而大幅增强木材的力学强度（如抗压、抗弯性能），解决传统改性木材“阻燃但易碎”的痛点。

（三）外层无胶自固：兼顾超疏水功能与安全性

  采用四乙氧基硅烷（TEOS）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）构建无胶自固化涂层：在氨催化条件下，TEOS原位发生水解缩聚反应形成硅氧烷网络，与PDMS相互贯穿交织，在木材表面构筑微纳级粗糙结构；该工艺无需添加传统易燃胶粘剂，既规避了胶粘剂带来的安全隐患，又赋予木材持久的超疏水性能（可抵御水分渗透、减少污渍附着），同时实现自清洁效果。

Fig. 1 A schematic flow diagram for producing an exceptional flame-retardant, super strong/tough, and superhydrophobic/self-cleaning wood.

四、性能验证

  通过与仅阻燃浸渍、未做热压与疏水涂覆的R-wood，以及“阻燃浸渍+机械热压”、未做疏水涂覆的RD-wood对比，完整工艺处理的RDS-wood在核心性能上都展现出了显著优势。

（一）阻燃效能与稳定性：大幅降低燃烧风险，长效留存阻燃剂

  相较原始木材，RDS-wood的峰值热释放速率（pHRR）降低77.7%，总热释放量（THR）降低63.6%，能大幅延缓燃烧蔓延、减少热量释放；水浸泡48小时后，阻燃剂重量损失不超过2%，而R-wood损失超15%、RD-wood损失超10%，商用A级阻燃板损失达20%，长效阻燃性优势显著。

（二）力学性能：打破“阻燃必牺牲强度”局限，实现量级突破

  RDS-wood的抗张强度高达439 MPa，断裂韧性达8.7 MJ/m3，是原始木材的20倍以上，成功实现“高强度”与“高韧性”的同步突破，可适配对材料承载能力有高要求的结构场景。

（三）超疏水自清洁：兼顾功能与安全，降低维护成本

  RDS-wood表面水接触角（WCA）达161.2°，滑动角仅3.9°，水渍、污渍可快速滑落；同时具备优异的机械稳定性（可耐受砂纸磨损循环）与化学稳定性（可抵御酸碱盐腐蚀），适配严苛使用环境；工艺全程未使用传统易燃胶粘剂，规避“涂层引火”风险，同时减少潮气侵蚀，延长木材使用寿命。

Fig. 2 Mechanical, surface property and combustion performance of wood samples.

  相较于商用A级阻燃板，RDS-wood在阻燃性、疏水性、力学强度及阻燃剂保留率四大核心指标上全面领先，综合性能为多领域应用提供关键支撑，前景明确。在绿色建筑领域，其可用于外墙装饰、室内吊顶与隔断等部位，既凭优异阻燃性满足防火标准、降低火灾风险，又借超疏水自清洁特性减少雨潮侵蚀、延长寿命并降低维护成本，契合绿色建筑“低耗、长效”需求；在交通装备领域，性能适配高铁、地铁等轨道交通内饰，高强度抗碰撞磨损、阻燃性符合安全规范，自清洁能力还可降低清洁频率、保障出行环境整洁；在公共空间防火家具、隧道安全设施等场景，亦能以“阻燃+耐用+易维护”优势填补传统材料短板。

  该研究不仅为木材高值化利用开辟新路径，更以“多性能协同优化”思路为材料科学领域多功能复合材料研发提供技术参考，有望推动建筑、交通、家具等产业向绿色化、安全化、高效化升级。

Fig. 3 Images of burning, water-soaking tests, and comparative analysis of A-MDF and RDS-wood.

  原文链接：Feng G, He X, Wei Y, Niu X, Cai Z, Jiang B, Zhu JY, Wang W. Exceptional flame-retardant, super strong/tough, and superhydrophobic/self-cleaning wood [J]. Materials Today, 2025,

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.08.034.

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