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一、成果簡(jiǎn)介

  近日，美國(guó)農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室朱俊勇教授聯(lián)合鹽城工學(xué)院王旺霞副教授、谷峰副教授及南京林業(yè)大學(xué)姜波副教授提出“分層強(qiáng)化、協(xié)同增效”策略，通過(guò)“阻燃浸漬—熱壓強(qiáng)化—無(wú)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(xué)性能和超疏水自清潔能力，可滿足高端應(yīng)用場(chǎng)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Materials Today》上（IF：22.0）。

二、行業(yè)痛點(diǎn)

  木材作為天然可再生材料，憑借輕質(zhì)高強(qiáng)、加工性優(yōu)異、環(huán)境友好等核心優(yōu)勢(shì)，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(xué)組成（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素）特性限制，木材長(zhǎng)期面臨易燃、力學(xué)性能不足、易受潮霉變等關(guān)鍵問(wèn)題，這極大制約了其在高要求、嚴(yán)苛場(chǎng)景中的進(jìn)一步應(yīng)用。

三、創(chuàng)新方案

  針對(duì)上述痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)從自然界汲取靈感——借鑒荷葉超疏水表面的“防粘”特性與樹(shù)木木質(zhì)纖維的致密結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)“阻燃浸漬—熱壓強(qiáng)化—無(wú)膠自固”協(xié)同改性工藝，通過(guò)精準(zhǔn)配合實(shí)現(xiàn)木材性能的全方位升級(jí)。

（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(fù)配形成氮-磷協(xié)同阻燃劑：一方面，PEI可捕獲木材燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的活性自由基，從源頭中斷燃燒反應(yīng)鏈，強(qiáng)化阻燃效果；另一方面，PEI通過(guò)陽(yáng)離子交換作用與APP形成穩(wěn)定共價(jià)鍵，大幅降低阻燃劑在后續(xù)加工或使用中的流失風(fēng)險(xiǎn)，為木材長(zhǎng)效阻燃奠定基礎(chǔ)。

（二）熱壓強(qiáng)化：雙重提升阻燃穩(wěn)定性與力學(xué)性能

  對(duì)浸漬阻燃劑的脫木質(zhì)素木材進(jìn)行熱壓致密化處理：熱壓過(guò)程中誘導(dǎo)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(jià)鍵”雙重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)——既進(jìn)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(shí)，從而大幅增強(qiáng)木材的力學(xué)強(qiáng)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(diǎn)。

（三）無(wú)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(wú)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(jí)粗糙結(jié)構(gòu)；該工藝無(wú)需添加傳統(tǒng)易燃膠粘劑，既規(guī)避了膠粘劑帶來(lái)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(shí)實(shí)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(yàn)證

  通過(guò)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(jī)械熱壓”、未做疏水涂覆的RD-wood對(duì)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(shì)。

（一）阻燃效能與穩(wěn)定性：大幅降低燃燒風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)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(shí)后，阻燃劑重量損失不超過(guò)2%，而R-wood損失超15%、RD-wood損失超10%，商用A級(jí)阻燃板損失達(dá)20%，長(zhǎng)效阻燃性優(yōu)勢(shì)顯著。

（二）力學(xué)性能：打破“阻燃必犧牲強(qiáng)度”局限，實(shí)現(xiàn)量級(jí)突破

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

（三）超疏水自清潔：兼顧功能與安全，降低維護(hù)成本

  RDS-wood表面水接觸角（WCA）達(dá)161.2°，滑動(dòng)角僅3.9°，水漬、污漬可快速滑落；同時(shí)具備優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性（可耐受砂紙磨損循環(huán)）與化學(xué)穩(wěn)定性（可抵御酸堿鹽腐蝕），適配嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少潮氣侵蝕，延長(zhǎng)木材使用壽命。

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

  相較于商用A級(jí)阻燃板，RDS-wood在阻燃性、疏水性、力學(xué)強(qiáng)度及阻燃劑保留率四大核心指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)、降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，又借超疏水自清潔特性減少雨潮侵蝕、延長(zhǎng)壽命并降低維護(hù)成本，契合綠色建筑“低耗、長(zhǎng)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(qiáng)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(chǎng)景，亦能以“阻燃+耐用+易維護(hù)”優(yōu)勢(shì)填補(bǔ)傳統(tǒng)材料短板。

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

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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