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一、成果簡介

  近日，美國農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)品實驗室朱俊勇教授聯(lián)合鹽城工學院王旺霞副教授、谷峰副教授及南京林業(yè)大學姜波副教授提出“分層強化、協(xié)同增效”策略，通過“阻燃浸漬—熱壓強化—無膠自固”協(xié)同工藝，制備出多性能協(xié)同優(yōu)化的改性木材（RDS-wood）。該材料具備高效阻燃性、優(yōu)異力學性能和超疏水自清潔能力，可滿足高端應(yīng)用場景需求。相關(guān)成果以“Exceptional flame-retardant, super strong/tough, and superhydrophobic/self-cleaning wood”為題，發(fā)表在國際學術(shù)期刊《Materials Today》上（IF：22.0）。

二、行業(yè)痛點

  木材作為天然可再生材料，憑借輕質(zhì)高強、加工性優(yōu)異、環(huán)境友好等核心優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝飾及家具制造等領(lǐng)域。但受其化學組成（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素）特性限制，木材長期面臨易燃、力學性能不足、易受潮霉變等關(guān)鍵問題，這極大制約了其在高要求、嚴苛場景中的進一步應(yīng)用。

三、創(chuàng)新方案

  針對上述痛點，團隊從自然界汲取靈感——借鑒荷葉超疏水表面的“防粘”特性與樹木木質(zhì)纖維的致密結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，創(chuàng)新設(shè)計“阻燃浸漬—熱壓強化—無膠自固”協(xié)同改性工藝，通過精準配合實現(xiàn)木材性能的全方位升級。

（一）阻燃浸漬：構(gòu)建氮-磷協(xié)同阻燃體系

  以聚乙烯亞胺（PEI）與聚磷酸銨（APP）復配形成氮-磷協(xié)同阻燃劑：一方面，PEI可捕獲木材燃燒過程中產(chǎn)生的活性自由基，從源頭中斷燃燒反應(yīng)鏈，強化阻燃效果；另一方面，PEI通過陽離子交換作用與APP形成穩(wěn)定共價鍵，大幅降低阻燃劑在后續(xù)加工或使用中的流失風險，為木材長效阻燃奠定基礎(chǔ)。

（二）熱壓強化：雙重提升阻燃穩(wěn)定性與力學性能

  對浸漬阻燃劑的脫木質(zhì)素木材進行熱壓致密化處理：熱壓過程中誘導的縮聚反應(yīng)，促使阻燃劑與木材基體中的纖維素、半纖維素形成“氫鍵+共價鍵”雙重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)——既進一步固定阻燃劑，避免其遷移流失；又顯著提升木材的致密性，讓原本疏松的纖維結(jié)構(gòu)更緊實，從而大幅增強木材的力學強度（如抗壓、抗彎性能），解決傳統(tǒng)改性木材“阻燃但易碎”的痛點。

（三）無膠自固：兼顧超疏水功能與安全性

  采用四乙氧基硅烷（TEOS）與聚二甲基硅氧烷（PDMS）構(gòu)建無膠自固化涂層：在氨催化條件下，TEOS原位發(fā)生水解縮聚反應(yīng)形成硅氧烷網(wǎng)絡(luò)，與PDMS相互貫穿交織，在木材表面構(gòu)筑微納級粗糙結(jié)構(gòu)；該工藝無需添加傳統(tǒng)易燃膠粘劑，既規(guī)避了膠粘劑帶來的安全隱患，又賦予木材持久的超疏水性能（可抵御水分滲透、減少污漬附著），同時實現(xiàn)自清潔效果。

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

四、性能驗證

  通過與僅阻燃浸漬、未做熱壓與疏水涂覆的R-wood，以及“阻燃浸漬+機械熱壓”、未做疏水涂覆的RD-wood對比，完整工藝處理的RDS-wood在核心性能上都展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。

（一）阻燃效能與穩(wěn)定性：大幅降低燃燒風險，長效留存阻燃劑

  相較原始木材，RDS-wood的峰值熱釋放速率（pHRR）降低77.7%，總熱釋放量（THR）降低63.6%，能大幅延緩燃燒蔓延、減少熱量釋放；水浸泡48小時后，阻燃劑重量損失不超過2%，而R-wood損失超15%、RD-wood損失超10%，商用A級阻燃板損失達20%，長效阻燃性優(yōu)勢顯著。

（二）力學性能：打破“阻燃必犧牲強度”局限，實現(xiàn)量級突破

  RDS-wood的抗張強度高達439 MPa，斷裂韌性達8.7 MJ/m3，是原始木材的20倍以上，成功實現(xiàn)“高強度”與“高韌性”的同步突破，可適配對材料承載能力有高要求的結(jié)構(gòu)場景。

（三）超疏水自清潔：兼顧功能與安全，降低維護成本

  RDS-wood表面水接觸角（WCA）達161.2°，滑動角僅3.9°，水漬、污漬可快速滑落；同時具備優(yōu)異的機械穩(wěn)定性（可耐受砂紙磨損循環(huán)）與化學穩(wěn)定性（可抵御酸堿鹽腐蝕），適配嚴苛使用環(huán)境；工藝全程未使用傳統(tǒng)易燃膠粘劑，規(guī)避“涂層引火”風險，同時減少潮氣侵蝕，延長木材使用壽命。

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

  相較于商用A級阻燃板，RDS-wood在阻燃性、疏水性、力學強度及阻燃劑保留率四大核心指標上全面領(lǐng)先，綜合性能為多領(lǐng)域應(yīng)用提供關(guān)鍵支撐，前景明確。在綠色建筑領(lǐng)域，其可用于外墻裝飾、室內(nèi)吊頂與隔斷等部位，既憑優(yōu)異阻燃性滿足防火標準、降低火災風險，又借超疏水自清潔特性減少雨潮侵蝕、延長壽命并降低維護成本，契合綠色建筑“低耗、長效”需求；在交通裝備領(lǐng)域，性能適配高鐵、地鐵等軌道交通內(nèi)飾，高強度抗碰撞磨損、阻燃性符合安全規(guī)范，自清潔能力還可降低清潔頻率、保障出行環(huán)境整潔；在公共空間防火家具、隧道安全設(shè)施等場景，亦能以“阻燃+耐用+易維護”優(yōu)勢填補傳統(tǒng)材料短板。

  該研究不僅為木材高值化利用開辟新路徑，更以“多性能協(xié)同優(yōu)化”思路為材料科學領(lǐng)域多功能復合材料研發(fā)提供技術(shù)參考，有望推動建筑、交通、家具等產(chǎn)業(yè)向綠色化、安全化、高效化升級。

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

  原文鏈接：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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