北京林业大学AM：强韧且完全可再加工的工程木复合材料问世

工程木复合材料因轻质、成本有效和可持续性，在建筑、基础设施与新兴能源领域应用广泛。附件统计显示，2014—2023年全球产量已超过38亿m³（图1a）。然而，木材胶黏剂中稳定的交联网络严重阻碍了复合材料的回收与再加工，当前回收率仅14%（图1a），传统机械回收和热解方法三次循环后力学强度损失可高达97%，还伴随二次污染和高能耗。共价适应性网络虽为可再加工材料提供了思路，但往往力学强度偏低；提高交联密度又会限制分子链移动，使键交换和重组难以充分进行。因此，在温和条件下实现高强度与完全可再加工的统一，一直是该领域亟待突破的难题。

针对这一挑战，北京林业大学高强教授、李京超副教授和南昆士兰大学宋平安教授‌、昆士兰大学张承教授合作设计了一种基于对苯二甲醛的超支化胶黏剂HTP，其内部构建了互补的亚胺键与氢键网络，并与木颗粒结合，在120°C热压制备出工程木复合材料WP/HTP。该材料在三次再加工循环后仍保持100%的力学性能，再加工后断裂模量达89 MPa、弹性模量达5.2 GPa，远超当前商业工程木复合材料通常3%—18%的恢复率、1—5 MPa的断裂模量和0.1—0.8 GPa的弹性模量。研究为强韧、可再加工工程木复合材料的规模化制造提供了新策略。相关论文以“Strong Fully Reprocessable Engineered Wood Composites”为题，发表在Advanced Materials上。

研究首先从产业背景和材料制备路线切入：全球工程木复合材料产量持续增长，但回收率低、废料处置压力大（图1a、1b）。为此，团队将木颗粒与HTP混合热压，形成可反复成形的WP/HTP（图1c），并能经历立方体—矩形棱柱—圆柱体—立方体的多次再加工（图1d）；该材料可在250×250 mm²尺度制备（图1f、5d），在力学强度、可再加工性、温室气体排放、生物基含量、成本和生物降解性方面，相较Q235钢、聚乳酸和刨花板展现出综合优势（图1e）。

图1 强可再加工WP/HTP的制备。

在分子设计层面，自合成超支化聚酰胺HBPA与TPA通过Schiff碱反应生成HTP（图2a），FTIR和XPS证实了亚胺键形成（图2b、2c、2d）；原位FTIR与二维相关FTIR表明氢键同时涉及─NH─和C═O（图2e、2f、2g）。随着TPA含量增加，HTP膜拉伸强度从25.0 MPa提升至69.8 MPa，同时保持一定韧性。分子动力学模拟显示，HTP虽形成氢键数量少于HBPA，但新增大量亚胺键，且氢键密度分布更均匀（图2h），应力松弛时间仅10.7 s，远短于线性结构的CS（图2i）。再加工后HTP保持70.4 MPa、100%恢复，而CS仅17.6 MPa、42%恢复，说明超支化结构有效降低了空间位阻，促进了亚胺键交换。

图2 HTP胶黏剂的制备与表征。

随后，研究评估了粘合性能与复合材料力学表现。HTP对山毛榉、硬枫、杨木和致密化杨木均表现出优异粘合，最大粘合强度达13.7 MPa（图3a、3b），且破坏发生在木材内部而非胶层，超过多数已报道可逆胶黏剂甚至商业环氧树脂（图3c）。模拟表明，HTP与木材形成1303个氢键，远高于HBPA的219个，粘附能和内聚能也显著提升（图3d）。以20 wt% HTP制备的WP/HTP，断裂模量达85 MPa、弹性模量达4.8 GPa，分别为无胶WP、HBPA体系和CS体系的13.2倍、2.18倍和2.02倍（图3e、3f）；再加工后性能进一步提升至89 MPa和5.2 GPa（图4e）。8 mm厚样品可稳定支撑75 kg成人（图3g），压缩应力达145.1 MPa，冲击峰值力约为天然木材的3.7倍，体现出高强度、高韧性和致密界面结构（图3h、3i、3j）。其MOR和MOE也优于其他已报道EWC和塑料（图3k）。

图3 HTP的粘合性能和WP/HTP的力学性能。

再加工性能是这项工作的核心亮点。该材料仅需水和温和机械处理即可分散为木浆（图4a），水溶胀HTP并破坏氢键（图4b、4c、4d），回收后的HTP-木材颗粒无需添加新胶，直接干燥热压即可再生。三次循环后，WP/HTP的MOR和MOE均保持初始值100%（图4e、4f）；相比之下，酚醛树脂和脲醛树脂体系分别仅保留3.2%和6.8%，线性CS体系仅保留46.9%（图4f）。MDS模拟的拉伸力恢复率为101%，与实验约100%的恢复率一致（图4h）。耐湿测试中，65%相对湿度下暴露60 h后，WP/HTP厚度仅增加2.1%±0.1%，MOR保持58 MPa；表面环氧涂层后MOR保持率超过95%，且不影响后续回收。该策略还可拓展至松木、橡木和竹材。

图4 WP/HTP的可再加工性。

环境与经济评估进一步凸显了WP/HTP的优势。土壤掩埋4天后材料完全崩解为碎片，11天后非降解率降至16%，而脲醛树脂体系保持完整。生命周期评估显示，三次复用后其相对温室气体排放为−3.85 kg CO₂/kg（图5b），低于PLA、钢和刨花板（图5c）；最低销售价格仅US$0.502/kg（图5e），分摊到三次复用后约US$0.13/kg每次。其比断裂模量达63.0 MPa g⁻¹ cm³，优于多数商业塑料和部分金属合金（图5f）。

图5 WP/HTP的LCA和技术经济分析（TEA）。

综上，该研究通过超支化结构与互补亚胺键/氢键网络的协同设计，首次报道了兼具高力学强度和完全可回收性的工程木复合材料。WP/HTP在三次再加工后仍保持100%性能，并在环境和经济性上优于商业PLA、钢和刨花板。这一策略为高性能、强韧、可再加工工程木复合材料的制造提供了简单且可持续的路径，有望推动循环经济发展。