近日，ACS Sustainable Chemistry & Engineering國際期刊（2021年32期）以Supplementary Cover Article形式在線(xiàn)發(fā)表了中國林科院木材所最新研究成果“Laminating Delignified Wood Veneers toward High-Strength, Flame-Retardant Composites for Structural Applications”。該成果主要研究關(guān)于采用木材為原材料，經(jīng)過(guò)部分脫除木質(zhì)素，再添加環(huán)氧樹(shù)脂作為膠黏劑研制成高強度三維互穿網(wǎng)絡(luò )結構木基復合材料，該種材料拉伸強度達到397.2MPa；彎曲強度達到436.1MPa，約為普通鋼板的2倍；材料密度為1.35g/cm3，遠低于鋼板的密度，其比彎曲強度約為普通鋼板的11倍，具有非常明顯的輕質(zhì)高強特性。

Figure 1  高強度三維互穿網(wǎng)絡(luò )結構木基復合材料

目前制備高性能木基材料主要是以實(shí)體木塊為原材料，經(jīng)過(guò)木質(zhì)素部分脫除，再高壓密實(shí)成高性能木材。然而，該種方法木質(zhì)素脫除較慢、脫除程度不均勻，而且受限于實(shí)體木塊尺寸無(wú)法制備出大幅面的高性能木基材料。

我們國家是一個(gè)人造板產(chǎn)業(yè)的大國，采用旋切技術(shù)將原木旋切出各種幅面單板用于研制各種人造板的技術(shù)成熟。依托我國強大的單板產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，研究小組人員采用薄單板為原材料，通過(guò)部分脫除木質(zhì)素的方式將單板軟化，再將環(huán)氧樹(shù)脂滲透入木材內部孔隙中替代原先木質(zhì)素的粘接作用，在添加阻燃劑情況下，通過(guò)高溫高壓固化成具有力學(xué)強度高、阻燃性能好的層壓三維互穿網(wǎng)絡(luò )結構木基復合材料。

Figure 2 高強度木基復合材料拉伸性能

Figure 3 高強度木基復合材料彎曲性能

借助高壓作用將環(huán)氧樹(shù)脂滲透入木材內部結構，固化之后，木材和環(huán)氧樹(shù)脂之間可以形成三維互穿網(wǎng)絡(luò )結構，該結構不僅可以將單板層間緊密地鎖在一起，有效地避免劇烈變形下的層間相對滑移，還能夠有效地將密實(shí)化單板內部細胞壁及細胞壁內纖維之間粘接起來(lái)；此外，單板內纖維素之間由于高壓密實(shí)形成大量氫鍵，提高單板自身力學(xué)性能；在三維網(wǎng)絡(luò )結構和氫鍵作用下，促使該材料具有很高力學(xué)強度。

Figure 4 高強度木基復合材料的增強機制

Figure 5  木材界面和環(huán)氧樹(shù)脂的粘接性能

Figure 6  高強度木基復合材料阻燃性能

該項工作有利于推動(dòng)木材在航空航天、軌道交通、建筑等結構領(lǐng)域的應用，不僅提高了木材的附加值，而且有利于促進(jìn)復合材料的綠色化發(fā)展。該項技術(shù)已經(jīng)獲得國家授權發(fā)明專(zhuān)利，文章第一作者是唐啟恒副研究員，鄒淼博士研究生參與本項工作，通訊作者是郭文靜研究員，論文得到國家自然科學(xué)基金（31800484）、“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2017YFD0600802）等項目的支持。