在木材资源日益稀缺的今天，我们面临着一个严峻的问题：如何可持续地利用林木加工剩余物来解决木材资源短缺问题？好消息是，新葡的京集团35222vip宋永明教授团队一项突破性的研究为我们提供了解决方案——超高填充木塑复合材料（UFWPC），该成果题为“Scalable production of robust and creep resistant ultra-high filled wood-plastic composites”，已成功发表在《Composites Part B: Engineering》上。

宋永明教授团队所报道的这种复合材料，实现了对林木加工剩余物的最大化利用，木质纤维的填充比例高达95%，远超当前商业化木塑复合材料70%的填充上限。通过引入创新的细胞壁致密化技术和多重交联网络构建策略，该团队成功攻克了商业化木塑复合材料普遍存在的抗蠕变性能不足的问题。相较于现有的商业化木塑复合材料，UFWPC不仅强度更高，成本也更为低廉，加工工艺也更简单；与市面上的纤维板、刨花板相比，UFWPC不仅在强度上具有显著优势，而且完全不含甲醛，实现了环保与可回收的双重目标。

尤为是，团队首次提出了连续平压生产工艺这一大批量连续化生产木塑复合材料的创新思路，突破了传统木塑复合材料依赖热塑性聚合物形成连续相的成型理念。这一生产工艺不仅显著提高了生产效率，还有效减少了热塑性塑料的使用量，进一步降低了生产成本。

未来，UFWPC有望成为家具制造、包装行业、汽车制造以及建筑装饰等多个领域的优选材料，为传统木质复合材料的替代提供了一条切实可行的路径。

超高填充木塑复合材料的制备

在这项研究中，研究团队采用了创新的细胞壁致密化和多重交联网络构建技术，成功制备出了含有高达95%木粉含量的UFWPC，制备流程图如图1所示。最初，分别以高密度聚乙烯（HDPE）和马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE）为聚合物基体，木质纤维（WF）为填充增强材料，经双螺杆挤出机熔融共混得到木塑混合物。随后，将木塑混合物经热压机在180℃下热压10 min，最终得到超高填充木塑复合材料。

图1 UFWPC的制备过程

机理分析

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究发现，MAPE中的酸酐基团与木纤维表面的羟基发生酯化反应，增强了木纤维与聚合物之间的界面结合作用。XRD图谱表明，制备过程未改变纤维素的晶体类型，保留了纤维素骨架。对MAPE和HDPE的流变性能分析可知，MAPE低的储能模量、损耗模量和复数粘度有助于WF的浸润，形成均匀体系，利于UFWPC制备和性能提高。热压过程使UFWPC中木纤维的孔隙压缩，密度显著增加，形成致密复合材料。

图2 UFWPC 的机理分析

性能亮点

力学性能卓越：UFWPC的弯曲强度高达73.79MPa，是商业化刨花板的5.9倍，商业化纤维板的2.1倍，商业化木塑复合材料的2.6倍。有限元分析表明，多尺度交联和界面强化是其力学性能优异的关键。95MA中WF间更好的界面结合使其能承受更大载荷，实现更高的承载能力和抗变形性能。

抗蠕变性能优异：在30分钟的蠕变测试中，UFWPC的蠕变应变仅为0.13%， 比商业化木塑复合材料低76.79%，比HDPE低93.07%，比天然杨木低62.86%。超高含量的WF填充和改善的界面相结合增强了MA-UFWPC的刚性，使其能够承受4.5kg的水桶负载（自身质量的244倍），应变很小。相比之下，商业化木塑复合材料在相同载荷下表现出明显的应变（图3j）。

图3 UFWPC的机械性能

物理及装饰性能优异：制备的UFWPC样品密度均超过1 g/cm³，最高可达1.34 g/cm³，与檀香紫檀等名贵木材相当，且可通过控制热成型压力定制密度。85MA的硬度是天然杨树的7.10倍，内部结合强度高，MA-UFWPC在相同WF含量下的内部结合强度约为HD-UFWPC的两倍，最高可达5.10 MPa。表面装饰后，UFWPC外观更具吸引力，且表面结合强度随WF含量增加而增强，95MA的表面结合强度比商业化木塑复合材料高55.56%，与胶合板、纤维板和刨花板性能相当。

图4 UFWPC的物理性质

稳定性突出：在稳定性方面，UFWPC表现出卓越的水稳定性和阻燃性。其初始水接触角高，吸水性低，MA-UFWPC的疏水性更好，85MA的24小时吸水率最低为3.25%，厚度膨胀率为4.66%。热重分析表明，UFWPC在热降解过程中形成的焦炭层可保护内部结构，延缓降解。燃烧实验显示，UFWPC燃烧时火焰弱、烟雾少，95MA在燃烧1分钟后仅根部碳化，燃烧速度显著降低，阻燃性明显优于HDPE、杨木和商业化木塑复合材料。

图5 UFWPC的稳定性

连续平压生产线搭建及成本优势：UFWPC在成本和可持续性方面具有显著优势。其生产成本仅为138.52美元/立方米，远低于纤维板、刨花板、HDPE板和商业化木塑复合材料，且生产过程无需合成化学粘合剂，成型时间短，可大规模连续生产。该材料可利用多种废弃生物质资源，不释放甲醛，符合环保要求，定制的连续平压生产系统提高了生产效率，降低了成本，为大规模生产提供了可行方案。

图6 UFWPC的成本和可持续性分析

总结

本研究成功将废弃杨木粉转化为高性能 UFWPC，其在力学性能、蠕变抗性、吸水性和阻燃性等方面表现卓越，为废弃生物质和回收塑料的高值化利用提供了可行方案。定制的连续平压工艺使其有望替代现有纤维板和刨花板，在家具、地板、汽车、建筑和装饰等领域具有广阔应用前景。未来，期待这一成果能得到更广泛的应用，为推动可持续发展贡献更多力量。

该研究以“Scalable production of robust and creep resistant ultra-high filled wood-plastic composites”为题发表在复合材料领域期刊《Composites Part B: Engineering》。新葡的京集团35222vip2021级硕士研究生杨安为第一作者，新葡的京集团35222vip宋永明教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目（32471784）、黑龙江省杰出青年自然科学基金（JQ2022C001）及沂蒙市创新领军人才项目的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111937