南京林業大學夏常磊教授AM：木材水塑化技術！可實現復雜結構超強自密實成型

面對碳中和與去化石燃料的全球目標，可再生的植物生物質資源成為替代傳統結構材料的理想選擇。木材作為一種悠久的可持續材料，其應用卻長期受限于機械性能不足和難以塑造成復雜形狀。目前，金屬和工程塑料雖性能優異，卻伴隨高碳足跡、不可降解及塑料污染等問題。因此，開發兼具高強度、優異可塑性、低成本及環境友好性的全天然結構材料，成為一項重大挑戰。

近日，南京林業大學夏常磊教授和不列顛哥倫比亞大學Orlando J. Rojas教授合作提出了一種創新的木材水塑化方法，可在室溫下將多孔木材轉化為超強、自密實的復雜結構，無需機械熱壓。該過程通過部分脫木素、纖維素溶解再生及干燥自密實等步驟，實現了木材微觀結構的調控。所得材料的彎曲強度高達483兆帕，超越了機械壓縮木材以及鋼、鋁合金等傳統材料，為制造此前無法用常規木材實現的復雜承重結構開辟了新途徑。相關論文以“Wood Hydroplasticization Toward Ultra-Strong and Self-Densified Complex Structures”為題，發表在

Advanced Materials

這項技術的核心過程如圖1所示。木材首先經過溫和脫木素處理，釋放纖維素纖維的活動性，再通過真空浸漬纖維素溶液并再生，形成水塑態木材。在后續干燥過程中，水分蒸發產生的毛細管力驅動細胞壁向內均勻塌陷，并伴隨再生纖維素納米纖維網絡形成的強氫鍵作用，最終實現自密實化，體積收縮率可達70.2%，密度提升至1.25克每立方厘米。與天然木材的脆性斷裂以及水塑態木材的柔軟可折疊性相比，自密實木材能被塑造成預設的復雜形狀。雷達圖對比顯示，自密實木材在強度、可加工性、比強度、成本和可持續性等多項指標上展現出優于鋁合金和聚碳酸酯的綜合性能。

圖1. 木材水塑化及自密實化為強韌可定制形狀結構示意圖。 a) 無需機械壓縮的木材自密實過程示意圖。b-d) 照片展示：(b) 天然木材在彎曲載荷下發生脆性斷裂，(c) 柔軟易折疊的水塑態木材，以及 (d) 加工成預設形狀的自密實木材。e) 自密實木材、金屬鋁合金和塑料聚碳酸酯的性能對比雷達圖，各項指標結果已按各自最大值歸一化。

圖2進一步揭示了自密實木材的制備細節與微觀演變。掃描電鏡圖像清晰地展示了木材細胞從原始的多孔中空結構，經過脫木素后纖維間隙增大，到水塑態時被再生納米纖維網絡填充，最終干燥收縮為致密柱狀結構的全過程。化學分析表明，自密實木材保留了相當比例的木質素和半纖維素作為粘合組分，纖維素纖維則呈現高度定向排列，這為其卓越力學性能奠定了基礎。

圖2. 自密實木材的微觀結構演變。 a) 通過溫和脫木素、凝膠化和空氣干燥形成自密實木材的示意圖。木材細胞從中空的管腔均勻收縮為致密的圓柱狀結構。b-e) 木材細胞橫截面變化的掃描電鏡圖像：(b) 原始木材，(c) 部分脫木素木材，(d) 水塑態木材，以及 (e) 自密實木材。f) 原始木材和自密實木材的實物照片，顯示均勻且大幅的體積收縮。g) 天然木材與自密實木材的密度對比。h) 自密實木材中纖維素纖維的掃描電鏡圖像，顯示高度定向的纖維排列。i) 天然木材與自密實木材的化學成分，表明大部分木質素和半纖維素得以保留。

令人矚目的性能提升在圖3中得以呈現。自密實木材的彎曲強度和模量分別達到天然木材的6.8倍和7.7倍，其比彎曲強度遠超多種工程聚合物和結構金屬。這種強化源于多尺度的協同作用：微觀上，部分去除弱質組分后，再生的纖維素納米纖維均勻填充于細胞間層和角落，將微纖維緊密粘結；宏觀上，定向排列的微纖維與交聯的納米纖維構成了強韌的多尺度雙網絡，有效傳遞和分散應力。分子動力學模擬從機理上證實，與天然木材中木質素/半纖維素的連接相比，再生纖維素通過氫鍵形成的界面能在變形中發生“粘滑”運動，耗散更多能量，從而賦予材料更高的斷裂強度和延展性。此外，不同于機械壓縮導致的各向異性，自密實過程實現了橫截面內均勻收縮，使得徑向和切向的彎曲強度均得到大幅提升，展現出各向同性的強化優勢。

圖3. 自密實木材的力學性能及強化機制。 a) 天然木材與自密實木材的彎曲應力-應變曲線。b) 自密實木材與天然木材、機械壓縮木材的彎曲強度對比。c) 自密實木材與塑料、金屬及其他木質材料的比彎曲強度對比。d-g) 天然木材與自密實木材微觀結構中細胞間層角落的示意圖及對應掃描電鏡圖像。h,i) 分子動力學模擬研究強化機制：(h) 由木質素和半纖維素交聯的天然木材，以及 (i) 由再生纖維素交聯的自密實木材在不同變形階段的狀態。所選變形狀態對應材料的初始階段、屈服階段和最終斷裂點。j) 自密實木材的掃描電鏡圖像，顯示木纖維與作為粘合劑的再生纖維素納米纖維之間緊密的界面結合。k) 通過分子動力學模擬評估的天然木材與自密實木材的拉伸應力-應變曲線。l-n) (l) 天然木材、(m) 機械壓縮木材和 (n) 自密實木材樣品的微觀結構示意圖。o) 天然木材、機械壓縮木材和自密實木材在徑向和切向的彎曲強度。

該技術的另一大亮點是其卓越的可塑性，如圖4所示。水塑態木材在水分子的塑化作用下，纖維間可發生相對滑移，使得材料能夠像熱塑性聚合物一樣被彎曲、打結甚至折疊近180度而不斷裂。這種可塑性源于動態氫鍵的作用：吸濕時氫鍵斷裂，材料變軟可塑形；干燥時氫鍵重組，形狀被固定且強度恢復。得益于這一特性，自密實木材可僅通過反復的浸水與干燥，被多次重塑成螺旋形、S形、曲線等多種復雜形狀，展現了可持續的重塑性和可回收性。

圖4. 利用水塑化和微觀結構調控將自密實木材制造成各種復雜形狀。 a-c) 具有 (a) 彎曲、(b) 打結和 (c) 其他復雜形狀的自密實木材照片。d) 木材塑形涉及的機制示意圖。e-g) (e) 天然木材和 (f,g) 水塑態木材折疊處的掃描電鏡圖像。h) 水塑態木材樣品的耐折疊性測試。i) 用于木材重塑的動態氫鍵作用示意圖。j) 木材通過反復“水塑形”獲得所需形狀的演示，展示了優異的水塑性、可回收性和可重復使用性。

研究的應用潛力通過自密實木材彈簧（圖5）得到初步展示。制備的彈簧外觀均勻，在經歷1000次大變形壓縮循環后，剛度保持率仍達94.3%，并能完全恢復原狀，成功應用于伸縮筆芯驅動。環境生命周期評估顯示，自密實木材的碳足跡僅為鋁合金的17.4%，環境可持續性優異。盡管在高濕環境下其力學性能會下降，但通過簡單的聚氨酯涂層即可有效提升耐濕性。同時，材料在200°C以下具有良好的熱穩定性，且熱膨脹系數遠低于石油基塑料。

圖5. 自密實木材彈簧的力學性能及環境影響。 a) 不同尺寸木材彈簧的照片。b) 木材彈簧循環壓縮測試照片。c) 木材彈簧在特定循環次數（第1次、第500次、第1000次）下的典型壓縮載荷-位移曲線，顯示出優異的彈性和回彈性。d) 木材彈簧剛度隨循環次數的變化。e) 自密實木材作為筆用彈簧的潛在應用照片。f) 聚氨酯表面涂層處理的自密實木材在暴露于90%相對濕度前后的彎曲應力-應變曲線。g) 自密實木材與聚碳酸酯塑料在-30至200°C范圍內儲能模量的對比。h) 自密實木材與聚碳酸酯的熱膨脹系數對比。i) 自密實木材與鋁合金的環境影響對比，各環境影響類別已按最大值歸一化。

總之，這項研究通過水塑化與微觀結構調控，成功將木材轉化為可定制復雜形狀的超強自密實材料，其綜合性能與傳統結構材料相比具有競爭力，且環境效益顯著。該技術極大拓展了高性能木材材料的應用邊界，有望在輕質結構部件、汽車內飾、體育器材和建筑構件等領域替代金屬和工程塑料。盡管目前面臨制備工藝較復雜、性能受濕度影響等挑戰，但這同時也為設計濕度響應的智能材料提供了新機遇。未來的研究需致力于優化制造工藝、開發可持續的生物基保護體系，并進一步驗證其長期耐久性，以推動這一綠色材料走向實際應用。