福建农林大学吴慧教授团队：木材-水凝胶复合材料的研究进展

木材-水凝胶复合材料的研究进展

李钦1,2,完颜红影1,卢生昌1,魏静静1,2*,陈礼辉1,吴慧1*

(1. 福建农林大学材料工程学院,福州 350108; 2. 安阳工学院化学与环境工程学院,安阳 455000)

关键词

木材;水凝胶;改性;生物相容性

摘 要

木材作为地球上最丰富的生物质资源,拥有可再生、可持续、可降解以及生物相容性等诸多优点,在家具、建筑、包装等领域发挥着重要作用。水凝胶是一类亲水性三维网状交联结构的软材料,在药物输送、人造肌肉和传感器等领域中展现出广阔的应用前景。从绿色可持续发展的角度出发,将木材独特的层次结构与理化性质引入水凝胶体系,构建集多种优异性能于一体的新型木材-水凝胶复合材料,为木材的高值化利用提供了新途径。介绍了物理交联法和化学交联法这两种制备木材-水凝胶复合材料的方法,对两种交联方式的优缺点分别进行了阐述; 基于木材-水凝胶复合材料在各向异性、离子电导率、可持续性和生物相容性等方面的优势,重点探讨了其在传感、储能、环境及生物医疗领域中的应用; 从化学预处理、组分回收利用和结构优化等3个方面展望了木材在功能性水凝胶材料领域的应用前景。

木材作为一种来源丰富、可持续且可再生材料,是由多种不同细胞形态、组织结构以及孔隙结构组成的一类具有有序构造和层次分明的天然聚合物基复合材料,其具有可再生、环境友好和比强度高等诸多优点。

大量的中孔、大孔以及少量的微孔分布于木材内部,形成一种独特的层次化孔道结构。此外,木材中富含纤维素、木质素和树脂等成分,使其具有绝热、强重比大、易于加工和可再生等良好的固有性质。

因此,具有优良物理和化学性质的木材为制备高附加值和高性能的传感、催化、医用等材料提供了重要的素材。

水凝胶

水凝胶是一类通过物理或化学交联作用而形成的亲水性的三维网络结构聚合材料,具有极为广阔的应用发展前景。

传统的合成高分子水凝胶材料因其良好的化学稳定性而已被应用于生物医疗、组织工程、化妆品和水净化等领域。价格低廉、来源丰富、对环境更敏感和生物相容性更好的天然高分子水凝胶聚合物材料的研究备受关注。

通过物理改性、化学改性等技术手段对木材进行合理的多尺度结构设计与修饰,可克服木材自身的缺陷,并赋予其多样的新型功能与应用。相较于纤维素、木质素、壳聚糖等构建的水凝胶,木材-水凝胶复合材料很好地保留了天然木材的分层/各向异性结构,在传感、储能、环境、生物医疗等领域中具有潜在的应用。

福建农林大学魏静静、吴慧等对木材-水凝胶复合材料的制备、性能以及应用进行讨论,以期为木材基材料的研究与发展提供参考。

1 木材-水凝胶复合材料的制备

1.1 物理交联法

物理交联法是通过氢键、配位、静电、结晶、阳离子-π、π-π等物理作用形成水凝胶,该法操作便捷,所制备的水凝胶可以避免使用交联剂,是一种较为常见的木材-水凝胶复合材料的制备方法(表1)。

物理交联法制备的水凝胶具有形状适应性强和可再生等优点。然而,在强酸或者强碱等特定的环境下,水凝胶的结构容易遭到破坏。Yan等利用霍夫迈斯特效应,在不使用任何化学交联剂的条件下,将天然木材经亚氯酸盐法处理得到的脱木素木材浸渍于碱性木质素中进行木质素组分重排,随后在温度调控下进行聚乙烯醇(PVA)溶液浸渍以及硫酸钠溶液盐析等一系列操作,制备了一种木材-水凝胶复合材料(图1)。该复合材料通过纤维素纳米纤维、PVA链与木质素分子之间的强氢键、范德瓦耳斯力以及分子链缠绕等相互作用,展现出显著的力学性能:其纵向应变达到438%,拉伸强度为36.5 MPa,分别是横向的14倍和2倍,体现了明显的各向异性机械特性。此外,该材料还表现出优异的柔韧性、良好的灵敏度和导电性,能够准确识别和区分各种宏观或细微的人体活动。由于该方法未使用任何交联剂,且由此制备的木材-水凝胶复合材料具有可循环利用、可生物降解和机械性能可调性,因此是一种多功能性软材料,其在软体机器人材料、组织工程和传感器等领域展现出巨大的应用潜力。

受生物软组织高度对齐和各向异性等优异力学性能的启发,Wang等通过亚氯酸盐法脱除天然木材中的木质素,获得纤维素支架(CS),并将其浸渍于导电MXene纳米片与PVA溶液混合制备的PVA@MXene(PM)水凝胶前驱液中。随后,通过简单的冻融工艺,制备出具有高韧性和优异导电性的强木材衍生水凝胶电子皮肤复合材料(PM/CS/Gly-电子皮肤)。由于CS与PM聚合物网络之间的强相互作用,该水凝胶电子皮肤展现出卓越的机械强度和柔韧性,其强度分别是纯PVA水凝胶和各向同性纤维素水凝胶的23倍和75倍,而且其沿纵向拉伸强度更是达到了12.01 MPa。此外,生物相容性冷冻保护剂甘油(Gly)的加入,进一步提升了电子皮肤材料的环境稳定性、防冻特性和保湿能力。甘油通过与水分子形成强氢键并破坏水分子之间的氢键,表现出优异的抗脱水和抗冻作用。实验结果表明,在相对湿度(RH)为60%的条件下放置14 d,PM/CS/Gly-电子皮肤仅出现轻微的质量损失。即使在干燥环境(RH=30%)中,其在14 d后仍能保持其原始质量的60%,充分证明了该电子皮肤强大的保湿能力。此外,在-20 ℃的低温条件下,PM/CS-电子皮肤变硬并失去柔韧性,其电导率仅为室温下的28%,表明其在低温下已无法正常进行传感监测。相比之下,PM/CS/Gly-电子皮肤在-20 ℃时仍能保持良好的柔韧性,并保持了82%的电导率,进一步证明了该电子皮肤优异的防冻特性。此研究为开发具有仿生特性的多功能电子皮肤系统和可穿戴设备提供了一种有效的思路。

Yan等通过以木材纤维素纤维为骨架、天然木质素分子为可逆动态连接桥、聚丙烯酰胺(PAM)链为填料,结合铁离子的动态配位作用,制备了一种具有各向异性、柔性和韧性的木材-水凝胶复合材料(图1)。该研究首先通过对天然木材进行脱木质素处理而得到完整的木纤维支架,并将溶解的木质素重新引入所得木纤维支架中; 随后,利用二甲基乙酰胺/氯化锂(DMAC/LiCl)溶液部分溶解纤维素而使得木纤维支架结构得以进一步柔化; 最后,将处理后的木纤维支架置于丙烯酰胺、三氯化铁与过硫酸铵的混合液中进行聚合,最终制得具有高性能的木材基柔性水凝胶。在该复合材料中,PAM链、木材纤维素纤维、Fe3+和天然木质素分子之间形成可逆氢键和金属配位键,赋予水凝胶优异的柔性和动态性能。同时,高度有序排列的脱木质素木材作为框架结构,其纤维素纤维与PAM链通过氢键作用显著提升了水凝胶的力学性能。试验结果表明,该木材-水凝胶复合材料的拉伸性(应变范围为0%～50%)比天然木材(应变范围为0%～5%)提高了约10倍。此外,该复合材料还表现出了较高的灵敏度:在0.1～60.0 kPa的应力范围内,其灵敏度值为3.1 MPa-1(表示水凝胶随压力增加时的相对电阻变化); 在60～235 kPa的应力范围内,该值为2.2 MPa-1; 在235 kPa以上的应力范围,该值为0.6 MPa-1。所以,其在压缩传感领域展现出巨大的应用潜力。

1.2 化学交联法

化学交联法是一种通过紫外线接枝聚合、自由基聚合或化学交联等手段,使高分子通过化学共价键连接形成三维交联网络结构的方法。该方法(表2)能够将交联结构有效引入凝胶材料中,显著提升凝胶材料的力学强度、机械性能及稳定性,因此在木材-水凝胶复合材料的制备中得到了广泛应用。化学交联法的凝胶形成过程具有不可逆性,所得产物结构较为稳定。

Chen等在不使用引发剂的条件下,通过在PAM渗透的纤维素木材骨架上利用紫外线(UV)接枝技术,制备了一种强韧的木材-水凝胶复合材料(图2)。研究首先采用NaClO2溶液和NaOH溶液对天然木材进行木质素和半纤维素的去除处理,获得木材纤维素骨架; 随后,将所得骨架浸入丙烯酰胺(AM)单体溶液中,并通过紫外线辐射引发接枝反应,最终制得A-木材-g-PAM水凝胶。由于紫外线接枝方法能够显著增强木材与PAM聚合物间的界面相互作用,同时复合材料内对齐的纤维素纳米纤维(CNF)结构也起到了强化作用。该复合材料不仅表现出优异的机械性能,还兼具与软组织相似的“软湿”特性,其独特的性能使其在可穿戴传感器、人工生物组织以及柔性水下电子设备等领域展现出广阔的应用潜力。

董玥结合天然木材的结构特点,通过亚硫酸盐法与冷冻干燥等处理步骤,制备了各向异性木材纤维素骨架; 随后,将所得骨架浸渍于AM单体溶液中,在真空浸渍法与自由基聚合法的协同作用下,制备出力学性能、传感性能和抗溶胀性能均较为优异的各向异性木材基PAM复合水凝胶。该研究通过引入木材纤维骨架构建各向异性结构体系,并调节水凝胶网络形成互穿网络结构,进一步优化了水凝胶的性能。此外,通过调控聚合物网络的交联密度,能够有效提升水凝胶的抗溶胀性能和力学性能。实验结果表明,所制备的木材基PAM复合水凝胶的横向断裂强度(2.7 MPa)和纵向断裂强度(19.8 MPa)分别是纯PAM水凝胶断裂强度的5.4和39.6倍。此外,该水凝胶在平行和垂直于纤维素方向的离子导电率分别达到了0.72和0.99 mS/cm。该各向异性木材-水凝胶复合材料在生物医学、传感器和纳米材料等领域展现出了广阔的应用前景。

Duan等将木材置入以AM为单体、戊二醛(GA)为交联剂、去离子水为溶剂的水凝胶前驱液中,通过溶液聚合法进行化学交联反应后,制备了一种高吸水性木材-水凝胶复合材料。研究表明,该复合材料在强酸(pH=3)和强碱(pH=11)环境下的吸水性能显著优于普通环境,表现出优异的pH响应特性。此外,该材料在pH为3～11的宽范围内以及不同质量浓度的盐水溶液中均展现出良好的耐盐性能,进一步拓宽了其应用范围。

2 木材-水凝胶复合材料的应用

木材-水凝胶复合材料具有良好的各向异性、高离子电导率、可持续性和生物相容性。通过不同方法对天然木材进行改性,对于在制备不同性能的木材-水凝胶复合材料的潜在应用中具有关键的作用。木材-水凝胶复合材料在传感、储能、环境和生物医疗等领域的应用见表3。

2.1传感领域

传感器是一种能够将外界信息按照特定规律转换为电信号或其他所需形式信息输出的检测装置。木材作为一种天然生物质材料,因其优异的生物相容性,对皮肤表现出良好的亲和性。此外,木材本身具有较高的力学强度,与水凝胶复合后,可显著提升复合材料的机械性能。基于这些特性,经过功能化修饰的木材-水凝胶复合材料在传感器领域展现出广阔的应用前景,成为制备高性能传感器器件的理想材料之一。Teng等通过将PVA-硼酸盐-单宁酸(TA)-硫酸钠整合至经脱木质素处理得到的纤维素木材基质中,制备了木材聚合物生物质衍生材料(WPBTS)水凝胶(图3)。相较于普通的PVA-硼砂-TA(PBTS)水凝胶,WPBTS水凝胶的机械强度提升至19.8 MPa,提高了45倍。此外,基于WPBTS水凝胶组装的柔性传感器表现出极快的响应时间(仅20 ms),能够实现对运动的实时监测。木质材料与水凝胶的协同集成,对下一代可穿戴设备和具有仿生特性的多功能传感器的开发具有巨大潜力。

Nie等通过将Al3+和聚丙烯酸(PAA)引入多孔木材海绵中,制备了一种坚韧的木材-水凝胶复合材料,并将其作为电解质应用于电容式传感器中。木材以其优异的力学强度赋予了水凝胶电解质良好的力学性能,使器件能够在小应力(0.1 MPa)与大冲击(1.3 MPa)条件下实现对人体活动的精准监测。相较于普通水凝胶材料,木材-水凝胶复合材料因独特的微观网络结构使其在力学性能、各向异性以及灵敏性上均得到了显著提升。实验表明,该复合材料在切向、径向与交叉方向的抗压强度分别为1.73,0.6和1.3 MPa,远高于纯PAA水凝胶的抗压强度(0.57 MPa)。这种木材-水凝胶复合材料在力学与传感性能上可与人体肌肉组织相媲美,为人工智能装置的发展提供了重要的材料基础和应用潜力。

通过选择性去除木材中的半纤维素和木质素,使得纤维素的结晶度得以降低,赋予木材一定的柔韧性。以水凝胶材料作为传感器的电解质,不仅有效解决了传统液体电解质易泄漏和易挥发的问题,还显著提升了器件的弹性与机械强度。Wang等以PAM和PAA为水凝胶前驱液,采用双交联策略制备了木材-水凝胶复合材料,并通过引入Fe3+金属离子对材料进行改性,进一步提升了器件的灵敏度等性能。实验结果表明,该木材-水凝胶复合材料的机械性能和离子电导率较传统水凝胶显著提高,其切向抗拉断裂强度达到8.2 MPa,电导率为0.040 S/m。基于其优异的性能,该材料可应用于高灵敏度应变传感器,用于人体运动监测、软组织研发以及固体电解质等领域,为离子导电木材-水凝胶复合材料在电化学领域的设计与应用提供了思路。

2.2储能领域

能源的过度消耗以及不可再生资源的日益枯竭对社会的发展带来了严峻的挑战,并引发了许多环境问题,开发清洁环保的绿色能源储存装置成为近年来的研究热点。近年来,研究人员将木材-水凝胶复合材料应用于储能设备中,并取得了一些进展。柔性固态超级电容器(SC)由于其具有质量轻、环境友好、循环寿命长以及功率密度高等优势而受到广泛关注。木材-水凝胶复合材料所具有的各向异性、高机械性能以及可持续性等诸多优良性能,为SC的研发提供了广阔的发展空间。改性木材与水凝胶的协同效应,使得木材-水凝胶复合材料展现出良好的机械强度、高柔韧性以及快速电荷传输等特性,为开发高性能柔性全固态超级电容器提供了机遇。

Zhao等展示了一种高度有序排列具有可精细调控高负载的水凝胶电化学材料的方法,实现了一种具有集成电极/电解质设计的柔性全固态木质水凝胶超级电容器,显著提高了其综合性能。通过采用冰模板法创建具有单向排列结构的PAM水凝胶,以对齐的PAM为水凝胶基质,以聚吡咯(PPy)为电化学材料设计了高性能柔性木质全固态超级电容器。PAM水凝胶具有低弯曲度、高离子与电子电导率和柔韧性等优异性能。由此制备的木质全固态超级电容器的面积电容和能量密度分别为831 F/cm2和4 960 μW/cm2,在经过1 000次循环测试后的电容保持率为86.5%,且经过5 000 次循环测试后其弯曲稳定性仍达到95%左右。木材-水凝胶复合材料制备的超级电容器具有独特的优势,为储能领域的研发与应用开辟了路径。

Li等利用聚多巴胺(PDA)短链连接刚性纤维素框架和PAM网络,并通过简单的两步法制备了一种具有双交联网络的多孔纤维素基水凝胶。该水凝胶具有分级多孔结构和优异的抗拉强度,同时表现出独特的强黏附性、快速吸附性能以及无刺激的自愈合性能。当装载Fe3+时,水凝胶的导电性和对张力的敏感性显著增强,使其能够应用于人类健康监测领域。研究表明,以该纤维素基水凝胶为基础制备的超电容器分离器具有良好的电化学性能、高谱电容和优异的稳定性。在10 mV/s的扫描速率下,其体积电容达到了394.1 F/cm3,并且在经过10 000次循环测试后,电容保留率仍高达84.7%。

Zhang等通过将PAM和海藻酸钠(SA)集成于木质化木材的结构框架中,并以多壁碳纳米管(CNTs)作为导电添加剂,构建了一个连续的导电网络。相较于传统的改性方法,由此法制备的木基水凝胶电解质展现出优异的柔韧性与稳定性,其抗拉强度高达13.7 MPa。此外,该材料在经过300次的弯曲与折叠循环以及2 500次充放电循环后,仍能保持稳定的电容性能。这种简单且环保的改性方法为开发高强度的生物基水凝胶电解质材料提供了思路,使其在超级电容器等领域的应用中具有广阔的发展前景。

2.3环境领域

随着现代化工业的快速发展与进步,全球正面临着环境被破坏和资源日益枯竭的严峻威胁。目前,在寻求环境污染治理方法的不断探索过程中,新型环保高值材料的研究与开发已是今后环境材料领域的必然趋势。木材其本身作为一种生物质材料,在环境友好方面有着较为突出的优势。而对木材进行改性制备木材-水凝胶复合材料是当下研究的一个热点,由于其表现出的多种独特性能,使得其在解决能源问题和环境污染等方面具有广阔的应用前景。

Li等通过以Bi-N-碳点/BiOBr(Bi-N-CDs/BiOBr)光催化引发聚合的PAA为外壳层,并将充分浸渍了PAM的透明木材作为核心层,设计了一种具有独特核壳结构的透明木材水凝胶,该材料对于染料类污染物的降解表现出了显著的效果。相较于传统的透明木材,这种透明木材水凝胶具有独特的各向异性结构,不仅对于染料罗丹明B(RhB)的去除率达到了85%,而且其在300 min后的吸附-光催化协同速率更是高达93%。该研究提出了一种集优异拉伸性、可回收性以及高效率染料去除性能于一体的设计方案,为减轻染料的大量使用对环境造成的污染打开了思路(图4)。

Fan等通过将光催化材料和光热成分同时嵌入多孔的脱木质素木材中,再以PVA和壳聚糖的互渗透聚合物网络作为水凝胶前驱液,从而制备了一种木材基混合水凝胶,并以此构建了一体式木基光催化体系。在光照条件下,该木基光催化系统通过其独特的三维水凝胶网络封装结构,有效阻止了有机污染物分子的蒸发。高效光催化和太阳能光热效应的协同作用使其能够同时实现多种水污染物的处理、高效率淡水生产以及高性能制氢。该木基光催化系统不仅可以有效地防止有毒挥发性有机化合物的蒸发,还展现出其他优异的性能:水蒸发效能达到了1.92 kg/m2/h,析氢率为9.7 mmol/(g·h),能量转换率高达 90.7%,这一研究为多功能环境修复和可持续能源材料的设计提供了路径。Shen等通过将C3N4光催化剂引入PVA木材-水凝胶中,设计了一种兼具太阳能蒸发和光催化降解能力的木基水凝胶蒸发器。其中,C3N4光催化剂能够有效对紫外光子进行吸收,产生电子-空穴对,从而驱动光催化降解反应。此外,复合物PDA@ZIF-8的加入进一步拓宽了木基水凝胶蒸发器对太阳光谱的利用范围,显著提升了光催化效率。该光热催化体系在1.0 kW/m2太阳照射下,能量转换效率高达89.23%,为太阳能海水淡化和污水净化等领域的研究提供了一种可行的解决方案。

2.4生物医疗领域

精准运用生物学与工程技术手段研究和解决生物医疗领域中的相关问题,对提升医疗诊断水平和人类健康水平具有重要意义。随着对木材-水凝胶复合材料研究热度的持续上涨,其独特的优异性能吸引了研究人员的广泛关注,并逐渐拓展至生物医疗领域,展现出广阔的应用前景。

Chen等通过将载药PVA水凝胶引入脱木质素木材中,开发了一种WH-Cur-PA木材衍生的水凝胶复合膜(图5)。载药PVA水凝胶的引入使得复合膜可以持续释放药物,从而实现长期的生物活性。植酸(PA)不仅可提高姜黄素(Cur)的生物利用度,而且还可与Cur发挥协同作用,抑制细菌生长和炎症反应,并促进成骨分化。实验表明,Cur和PA使木材-水凝胶复合膜对金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和大肠杆菌(Escherichia coli)表现出显著的抑制作用,其在24 h时对S. aureus和E. coli的抑制率分别达到了95.7% 和98.9%,远高于脱木素木材(WW)和普通木材-水凝胶(WH)材料(<60%)。故而,这种具有各向异性、抗菌、抗炎和成骨活性的木材衍生水凝胶复合膜,有望成为人工骨膜材料的理想选择。

受到天然骨骼和木材的启发,Wang等提出了一种仿生策略,通过将含有海藻酸钠(SA)的生物相容性水凝胶前驱液浸入脱木质素木材中,并原位矿化羟基磷灰石(HAp)纳米晶体,制备了具有高度各向异性、超强、刚性和骨传导性能的矿化木材-水凝胶(MWH)复合材料。该研究为制备各向异性、超强、刚性、亲水且具有骨传导功能的水凝胶复合材料提供了一种环保、低成本、可行且可扩展的方法。所提出的仿生“木材到骨”策略不仅适用于骨修复复合材料,还可推广至其他水凝胶复合材料体系,展现出显著的优势和广泛的应用潜力。MWH复合材料展现出高吸水性、高力学性能、各向异性结构以及良好的骨导电性。其抗拉强度(67.8 MPa)和弹性模量(670 MPa)比传统的海藻酸盐水凝胶要高出约3个数量级。此外,MWH复合材料在植入模型中的新骨形成率约为25.5%,是木材-水凝胶材料(约为13.9%)的2倍左右。这些特性使其在生物医学骨缺损修复领域具有很好的应用前景。Culebras等以纤维素/木质素混合物所组成的木材衍生水凝胶为基础,构建了一种靶向药物释放系统。该系统将水凝胶的结构/性质关系映射为组成和木质素类型的函数。有机溶剂型纤维素/木质素水凝胶在组分质量比为95:5时达到了约11 kPa的压缩模量。有木质素存在的纤维素/木质素水凝胶相较于普通纯纤维素水凝胶而言,其药物释放速率提高了约50%。该研究通过对两者间不同配比关系以及结构、力学和化学行为的调控,提供了一种木材衍生材料作为药物高效释放应用平台的方法。

2.5其他应用

经过不同改性方式制备的木材-水凝胶复合材料,除广泛应用于传感、储能、环境以及生物医疗等领域外,其在纳米流体等其他领域的应用潜力也逐渐被发掘。Kong等使用PAM水凝胶前驱液填充脱木质素通道,并在其中与CNF形成强氢键,从而制备了一种类似于生物肌肉组织结构的木材-水凝胶复合材料(图6)。得益于CNF的固有结构以及与水凝胶的强界面结合,该复合材料展现出了高强度、高度各向异性的特点。此外,由于木基水凝胶内部的纤维素分子链含有大量带负电的羟基,使其具有独特的离子传输特性,其离子导电率达到了5×10-4 S/cm,与生物肌肉组织类似。该研究为制备具有柔韧性、各向异性以及具有离子导电特性的木材-水凝胶复合材料提供了策略,为未来在生物组织材料和纳米流体领域的应用奠定了基础。

展望

随着不可再生资源的持续消耗所带来的全球环境污染加剧,生物质等可再生资源的利用被广泛认为是未来减轻或解决环境污染问题的重要途径之一。木材作为一种天然、可再生、可降解的生物质材料,凭借其独特的孔道结构、高度有序的分子排列以及优异的力学性能,展现出广阔的应用前景。本研究系统介绍了木材-水凝胶复合材料的物理和化学制备方法,并根据木材-水凝胶复合材料各向异性、离子电导率、可持续性和生物相容性等特性,综述了木材-水凝胶复合材料在传感、储能、环境以及生物医疗等领域的研究进展。然而,木材-水凝胶复合材料的研发仍面临诸多挑战,具体如下:

1)传统的木材化学预处理方法通常依赖于酸、碱或强氧化类化学药品以脱除木质素等成分。然而,这些化学物质的使用不可避免地会产生污染环境的有害气体,如SO2和HCl,从而增加应用成本。因此,开发绿色环保的预处理技术对木材进行功能化改性显得尤为重要,不仅可以减少有害物质的排放,还能对预处理过程中产生的副产物进行回收利用。在木材-水凝胶复合材料制备工艺中,反应条件、外部环境以及交联剂种类等参数对复合材料的性能具有显著影响。通过优化这些参数,可以调控材料的力学性能、导电性和生物相容性,使其在组织工程、环境修复等领域更具适配性。

2)在木材-水凝胶复合材料的制备过程中,脱除的木质素和半纤维素等组分通常被直接丢弃。这不仅造成了资源浪费,还增加了环境负担。未来的研究应探索将这些组分进行高效回收,并将其作为天然交联剂或增强剂替代部分合成化学品,重新引入复合材料体系中。这种循环利用策略不仅符合可持续发展的理念,还能进一步降低材料制备成本。结合木材的可持续性和可再生性以及水凝胶的功能特性,可以开发出适用于污水处理、土壤保水及生物质能源开发的新型材料。

3)木材具有显著的各向异性特性,其径向和纵向的力学性能、导电性等存在显著差异。在构建木材-水凝胶复合材料时,应充分利用木材的结构特性,通过定向设计和功能化改性,调控木材的孔道结构和取向,使水凝胶与木材的天然结构协同增效,从而拓宽复合材料的性能和应用范围。通过各向异性构建和定向处理工艺,可以赋予材料特定的方向性性能,满足智能材料等领域对响应性和可编程性的特殊需求。在传感器和致动器的设计中,木材的各向异性特性可以显著提升其灵敏度和响应速度。将木材处理成纳米纤维素骨架结构,并与水凝胶进行交联反应,可以显著提升复合材料的机械性能和功能特性,为其在结构材料和功能材料领域的应用奠定基础。木材-水凝胶复合材料的多功能性使其在智能传感和致动器领域具有巨大潜力。基于多刺激响应型水凝胶的致动器可用于仿生学、软机器人和信息加密等领域,为智能材料的发展提供新途径。

4)木材与水凝胶的结合不仅拓展了复合材料的应用范围,还为材料科学的发展提供了新的思路和方向。未来,随着绿色化学、智能材料和多学科交叉研究的深入,木材-水凝胶复合材料有望在生物医学、环保、能源等领域实现突破性应用。

责任编辑：田亚玲 李琦

该文发表于《林业工程学报》2026年第3期。

引文格式：

李钦,完颜红影,卢生昌,等.木材-水凝胶复合材料的研究进展[J].林业工程学报,2026,11(3):12-22.

LI Q,WANYAN H Y,LU SC,et al.Research progress in wood-hydrogel composites[J].Journal of Forestry Engineering,2026,11(3):12-22.

来源：林业工程学报