标题： 从废弃木材颗粒到高性能结构材料：一种多尺度工程化的可持续策略
一、 研究团队与发表信息
本研究由Xiaofei Dong、Rui Song、Peiru Wang、Jianfu Tang、Yaoxing Wang、Ying Shang、Yanjun Xie、Jian Li、Jianwei Song (通讯作者) 以及Wentao Gan (通讯作者) 共同完成。研究成果以题为《Multiscale Engineered Waste Wood Particles toward a Sustainable, Scalable, and High-Performance Structural Material》的论文形式，发表于2023年11月17日的《Advanced Functional Materials》期刊第34卷第9期，文章编号为2308361。
二、 学术背景与研究动机
本研究属于材料科学、可持续工程和生物质资源高值化利用交叉领域。随着全球对绿色低碳发展的需求日益增长，在交通运输、建筑和航空航天工业中，轻质高强度结构材料因其能直接提升燃料经济性、减少二氧化碳排放而备受关注。目前，这类应用主要依赖于轻质合金（如铝、钛、镁）和石油基产品（如塑料、碳纤维、碳纳米管）。然而，金属冶炼和碳材料生产的复杂工艺与高成本带来了不利的环境影响。此外，金属和合金通常密度较高，而多数塑料基材料在超过200°C的高温下力学性能会急剧下降。因此，开发兼具高性能、可持续性、轻质和热稳定性的下一代块体结构材料至关重要。
木材作为一种丰富、轻质且环保的天然结构材料，被认为是替代高碳排放的钢材、混凝土和塑料的可行选择。然而，普通多孔木材的弯曲强度（<110 MPa）和拉伸强度（<150 MPa）远未达到高端工程应用的要求。近年来，基于自上而下策略的先进加工技术，如通过脱木质素软化细胞壁再进行致密化，已成功用于制造“高强度木材”、“冷却木材”等，但其规模化生产受限于原木直径。与天然原木不同，木材加工残余物（如锯末、木颗粒、废木板）含有纤维素、半纤维素和木质素，继承了木材细胞壁的超细结构。纤维素纳米纤维晶区的理论拉伸强度和杨氏模量分别可达4.9-7.5 GPa和100-200 GPa，这赋予了木材加工残余物在低成本、大规模结构材料生产方面的巨大潜力。不幸的是，大多数块体纤维素基材料的机械性能远低于理论值，原因在于应力难以从纳米尺度有效传递到宏观尺度。现有策略（如利用粘合剂、无机颗粒或聚合物增强的木质纤维板）虽然可实现规模化生产，但界面结合较弱，导致机械性能（如弯曲强度<110 MPa）不足。
基于此，本研究旨在克服上述挑战，目标是开发一种可规模化、稳健的自下而上组装策略，利用废弃木材颗粒，在不经过能耗密集的纳米纤维素分离过程的前提下，制造出具有优异机械性能、低密度、热稳定性、可塑性和可回收性的可持续块体木质材料，即“木质板材”（W-Plate）。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含材料制备、结构表征、性能测试、机理模拟等多个紧密衔接的步骤，形成了一个完整的研究闭环。
1. 材料制备流程 研究的核心是W-Plate的制备工艺，主要包括三个关键步骤： * 步骤一：木材颗粒的温和脱木质素处理。 研究以杨木颗粒为原料。首先，在80°C下，使用亚氯酸钠（NaClO₂）和乙酸（pH=4.6）的混合溶液对天然木颗粒进行温和脱木质素处理12小时。此过程旨在选择性地去除细胞壁中的大部分木质素（约87.1%），保留纤维素微纤维的基本结构。处理后，原本棕色的木颗粒变为白色、富含纤维素的纤维片，其纳米孔隙增加，暴露出大量的纤维素原纤维，从而提高了化学可及性。样品经清洗、冷冻干燥后得到脱木质素木材颗粒。 * 步骤二：LiCl/DMAC溶解与原位再生。 将脱木质素后的木颗粒浸入LiCl/DMAC（氯化锂/二甲基乙酰胺）溶剂体系（8 wt.% LiCl）。在此体系中，LiCl通过OH-Cl-分子间相互作用破坏纤维素链间的OH-O氢键，导致木材颗粒中的纤维素微纤维发生溶胀和部分溶解，形成均匀、粘稠的纤维素溶液。随后，将该溶液注入模具，在水浴中进行再生。在水中，分子内/间氢键重新形成，溶解的纤维素链重新固化，与部分溶解的纤维素微纤维共同组装，形成“再生木质凝胶”。这一步骤是本研究的创新核心，它创造了一种由相互连接的脱木质素木颗粒和再生的纤维素纳米纤维组成的多尺度微/纳米纤维网络结构，极大地增加了界面结合面积。 * 步骤三：热压成型。 将得到的再生木质凝胶在80°C、5 MPa的压力下进行热压干燥，最终形成致密的块状W-Plate材料。热压过程促使大量的微/纳米纤维素纤维紧密缠绕，形成具有典型“砖块-砂浆”结构的有序层压结构，从而显著增强了脱木质素木颗粒与再生纤维素纳米纤维之间的氢键强度，提供了强大的多尺度界面交联。
作为对比，研究团队在相同条件下（但省略LiCl/DMAC处理步骤），直接将脱木质素木颗粒的浆料热压成型，制备了“脱木质素木板”（DW-Board）。
2. 表征、测试与分析方法 研究采用了一系列先进表征技术和标准化测试方法，以全面评估W-Plate的结构、成分和性能： * 形貌与结构表征： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察不同阶段样品（脱木质素木颗粒、再生凝胶、W-Plate、DW-Board）的微观形貌和横截面结构。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学官能团变化，确认木质素去除。利用氮气吸附测试（BET）计算比表面积，证明脱木质素及再生过程增加了孔隙率和表面积。通过固态碳-13核磁共振（¹³C NMR）和X射线衍射（XRD）分析纤维素的结晶结构变化，证实了天然纤维素I和再生纤维素II的共存。 * 机械性能测试： 通过三点弯曲试验测定弯曲强度和模量。采用单边缺口弯曲（SENB）试验测量断裂韧性。使用纳米压痕仪和显微划痕测试评估微机械性能（模量、硬度、抗划伤性）。同时，也测试了密度、肖氏硬度等基础物理性能。 * 热学性能测试： 采用热机械分析仪（DMA）在30-200°C温度范围内测量动态储能模量和损耗因子（tan δ）。利用热膨胀仪测定热膨胀系数（CTE）。使用红外热像仪直观比较W-Plate与聚碳酸酯（PC）等塑料的热扩散能力。 * 模拟与机理分析： 为了深入揭示W-Plate的增强增韧机制，研究团队利用有限元（FE）方法进行了SENB模拟。模拟比较了三种结构模型：(i) W-Plate（具有多尺度层状结构和强界面）；(ii) CM-Bulk（无层状结构的纤维素微纤维块体）；(iii) DW-Board（有多尺度层状结构但界面弱）。通过分析应力分布、力-位移关系以及内能（应变能、蠕变耗散能、损伤耗散能）组成，从理论上验证了多尺度结构与强界面在应力传递和能量耗散方面的关键作用。 * 其他性能评估： 研究了W-Plate的阻燃性（通过燃烧实验，并用硅酸钠和硼酸改性进行提升）和耐水性（通过接触角和水吸收率测试，并用甲基三氯硅烷改性进行提升）。测定了甲醛含量以评估其环保性。展示了W-Plate的可着色性、可塑性（通过模具成型）以及循环利用潜力（粉碎后作为原料再生产）。
四、 主要研究结果与逻辑关系
研究结果层层递进，从结构表征到性能测试，再到机理验证，有力地支撑了最终结论。
1. 多尺度结构的成功构建。 SEM图像清晰揭示了W-Plate独特的微观结构。脱木质素后，木颗粒表面暴露出粗糙的纤维素原纤维（图2e）。经过LiCl/DMAC处理和再生后，原本光滑的木颗粒表面覆盖了一层三维再生的纤维素纳米纤维网络（图2f, g），其BET比表面积高达173 m²/g，是脱木质素木颗粒的58倍，这为后续形成强界面提供了巨大的接触面积。XRD和NMR结果证实了天然纤维素微纤维与再生纤维素纳米纤维的共存。最终热压得到的W-Plate显示出致密、有序的“砖块-砂浆”层状结构，其中脱木质素木颗粒（平均直径23 µm，厚度5 µm，长度300 µm）像砖块一样平行排列，而致密层压的再生纤维素纳米纤维则像砂浆一样将它们牢固地粘结在一起（图2j-l）。相比之下，未经LiCl/DMAC处理的DW-Board内部存在明显的孔洞和缝隙（图2n-p），结构疏松。这些结构表征结果直接预示了W-Plate在机械性能上将有显著优势。
2. 卓越的机械性能。 三点弯曲测试表明，W-Plate的弯曲强度高达225.17 ± 12.18 MPa，弯曲模量为13.3 GPa，远超普通天然木材、典型聚合物以及未增强的DW-Board和纯再生纤维素纳米纤维板。其断裂韧性达到4.01 ± 0.53 MPa·m⁰.⁵。W-Plate的密度仅为1.34 g cm⁻³，因此其比强度和比断裂韧性表现优异，优于许多生物矿物（如牙釉质、骨骼、珍珠层）和合成结构材料（如工程陶瓷、金属合金、聚合物）。SEM对断裂面的观察揭示了多种增韧机制：裂纹偏转、裂纹分支、裂纹尖端桥接以及纤维拔出（图3d）。这些机制归因于多尺度层状结构和微/纳米纤维网络的解离，它们能有效抑制裂纹扩展，耗散大量能量。纳米压痕和显微划痕测试进一步证实，W-Plate表面的微硬度和模量约为DW-Board的两倍，且划痕深度更浅。
3. 有限元模拟揭示增强增韧机理。 SENB有限元模拟结果与实验观察高度一致，从理论上验证了多尺度结构与强界面的协同作用。模拟显示： * 对于W-Plate模型，交错的层状结构通过界面应力转移有效缓解了裂纹尖端的应力集中，导致界面滑动和脱粘，从而观察到裂纹偏转和分支，这与实验SEM图像相符（图4a）。 * 对于无层状结构的CM-Bulk模型，裂纹尖端应力集中导致加载初期即发生突然失效（图4b）。 * 对于界面弱的DW-Board模型，纤维素微纤维之间结合力弱，在较低外部载荷下即发生严重的界面分离和整体结构破坏（图4c）。 模拟的力-位移曲线与实验结果吻合，W-Plate显示出更高的最大载荷和更大的失效位移（图4d）。更重要的是，能量分析表明，W-Plate由于其强界面，可以存储更多的应变能，同时通过界面滑移和脱粘过程耗散了大量的能量（约占总内能的69.17%），这是其实现高强度和高韧性的关键（图4f）。
4. 优异的热学性能。 得益于多尺度网络结构和高密度氢键，W-Plate继承了纤维素的优异热性能。在30-100°C范围内，其平均热膨胀系数低于19 × 10⁻⁶ K⁻¹，远低于PMMA、ABS、PC、POM等典型石油基塑料。动态热机械分析（DMA）显示，在30-200°C范围内，W-Plate的储能模量能保持在高位（>7.5 GPa）且稳定，而塑料的模量随温度升高显著下降。此外，W-Plate的热扩散率和导热性分别是塑料的2.3倍和1.4倍，表明其具备更高效的散热能力，红外热像图直观地证实了这一点。这些结果表明W-Plate在高温或变温工况下具有更好的尺寸稳定性和机械稳定性。
5. 可扩展性、可塑性与功能化。 研究证明了该制备工艺的可行性。利用定制的模具，可以制造出不同尺寸和形状的W-Plate（图6）。例如，一块20 cm × 10 cm × 0.5 cm的W-Plate可以承受一个50公斤成年人单脚站立，展示了其优异的承载能力。通过染料与纤维素之间的氢键和范德华力结合，可以生产各种颜色的W-Plate。此外，研究表明W-Plate在服役寿命结束后，可被破碎并作为脱木质素木颗粒原料重新循环利用。研究也探索了通过简单的浸渍处理提升其阻燃性和疏水性的方法。
五、 研究结论与价值意义
本研究成功开发了一种简便、可扩展的“自下而上”策略，利用低价值的木材加工残余物，通过脱木质素、纤维素溶解/再生和致密化，制备出厘米尺度、具有优异机械性能和热稳定性的W-Plate块体材料。
科学价值在于： 通过脱木质素木颗粒（部分溶解的纤维素微纤维）和再生纤维素纳米纤维的自组装，构建了一种具有强化界面的多尺度层状结构。这种结构实现了两个关键功能：(1) 在微米尺度，脱木质素木颗粒与再生纤维素纳米纤维通过高密度氢键形成牢固的界面相互作用及层层堆叠结构，赋予材料有效的载荷传递能力；(2) 在纳米尺度，交联网络增强的再生纤维素强化了木颗粒单元之间的界面相互作用，使其能够吸收大量能量以阻碍裂纹扩展，从而赋予W-Plate高断裂强度和延展性。这为设计高性能生物质基结构材料提供了新的理论指导和材料模型。
应用价值在于： W-Plate展现出高达225.17 MPa的弯曲强度、13.3 GPa的弯曲模量和4.01 MPa·m⁰.⁵的断裂韧性，综合性能优于许多传统材料。同时，它具有低密度、低热膨胀、高热稳定性、可塑性、可着色、可回收以及几乎零甲醛含量等优点。该工作基于可再生且丰富的生物质原料，所开发的高性能W-Plate在建筑、航空航天和工业制造等领域的广泛应用中展现出巨大潜力，为可持续结构材料的设计指明了方向。
六、 研究亮点