木材，是大自然给与人类的一种非常重要的可再生资源，在细胞水平下，木材细胞壁可视为具有微纤丝结构的纤维素为增强相，半纤维素和木质素为基质的层板结构纳米复合材料，这种复杂的结构特性蕴藏着深刻的材料设计原理。如何有效地利用木材的这些天然优势挖掘其自身的潜力，开发应用于结构领域的高强度木基复合材料，突破木材在传统领域的应用，这是木材科学和材料科学共同追求的目标。

近日，ACS Sustainable Chemistry & Engineering国际期刊（2021年32期）以Supplementary Cover Article形式在线发表了中国林科院木材所关于高强度、阻燃层压木基复合材料的最新研究成果“Laminating Delignified Wood Veneers toward High-Strength, Flame-Retardant Composites for Structural Applications”。该种材料拉伸强度达到397.2MPa；弯曲强度达到436.1MPa，约为普通钢板的2倍；材料密度为1.35g/cm³，远低于钢板的密度，其比弯曲强度约为普通钢板的11倍，具有非常明显的轻质高强特性。该项技术已经获得国家授权发明专利。文章第一作者是唐启恒副研究员，邹淼博士研究生参与本项工作，通讯作者是郭文静研究员。

Figure 1 高强度木基复合材料制备流程图

木材因其较高的孔隙率而导致自身力学性能相对较低，在结构领域的应用受到各种限制。为了提高木材的力学性能，当前最常用的方法就是将实体木材的木质素部分脱除，然后高压密实化制备高性能木材。然而实体木材因为了尺寸较厚，无法快速、均匀地将部分木质素从实体木材中脱除出来，容易造成木质素在木材内外表面分布不均匀。此外，实体木材由于受到木材自身体积的影响，无法直接利用实体木材制备大幅面的高性能材料。

我国是木材加工产业的大国，采用旋切技术将原木旋切出各种幅面单板的技术十分成熟。未脱除木质素的木材，细胞壁强度很高，很难高压密实，而脱除刚性的木质素之后，非常有利于将木材结构软化。依托我国强大的单板产业优势，研究小组人员采用薄单板为原材料，通过部分脱除木质素的方式将单板软化，再将环氧树脂渗透入木材内部孔隙中替代原先木质素的粘接作用，在添加阻燃剂情况下，通过高温高压固化成具有力学强度高、阻燃性能好的层压三维互穿网络结构木基复合材料。

Figure 2 木质素脱除量变化对高强度层压木基复合材料拉伸性能的影响

Figure 3 木质素脱除量变化对高强度层压木基复合材料弯曲性能的影响

由于木材自身多孔结构，环氧树脂渗透入木材内部结构，高温高压固化之后，两者可以形成三维互穿网络结构复合材料。高压作用，促进单板内部结构密实，纤维素之间形成大量氢键，促进密实化单板力学性能提升；三维互穿结构不仅可以将单板层间紧密地锁在一起，有效地避免剧烈变形下的层间相对滑移，还能够有效地将密实化单板内部细胞壁及细胞壁内纤维之间粘接起来，在多种增强因子作用下，大大提高了木基复合材料的力学性能。

Figure 6 聚磷酸铵对高强度层压木基复合材料阻燃性能的影响

相比较于采用块状木材制备高性能木材，该种方法可以快速、均匀地脱除单板木质素，而且单板的幅面可以根据需要进行调整，从而可以高效、低成本地制备出各种幅面的高强度层压木基复合材料。研究聚磷酸铵对层压木基复合材料阻燃性能的影响，研究表明，在材料高度密实条件下，仅需要添加2.5%的聚磷酸铵即可有效提升复合材料的阻燃性能。该项工作有利于推动木材在航空航天、轨道交通、建筑等结构领域的应用，不仅提高了木材的附加值，而且有利于促进复合材料的绿色化发展。

该项工作得到国家自然科学基金（31800484）、“十三五”国家重点研发计划（2017YFD0600802）等项目的支持。

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https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c09390