背景介绍
纤维增强复合材料（Fiber-ReinforcedPolymerComposites，FRPCs，）一般分为合成纤维复合材料和天然纤维复合材料，由于其优越的机械性能和广泛的适应性，逐渐应用于航空航天、能源、体育和汽车工业等领域。然而，由于合成纤维不可生物降解的特性，广泛的使用将对生态环境造成极大的影响。天然纤维是可再生的原材料，具有密度低、重量轻、可降解等优势，为了减少塑料和合成纤维等复合材料对环境造成的污染，使用来自生物资源的绿色可再生原材料变得更加迫切。此外，传统真空浸渍制备天然复合材料的工艺，通常会导致树脂在基材中分布不均匀，从而制备的复合材料抗拉强度较低。因此，这些限制性因素推动了克服这一障碍的技术研究。
图1.（a）制备CDW/Ep样品的示意图。（b）给出了（1）脱木素和（2）VARTM法填充环氧树脂后纤维素、半纤维素、木质素和环氧树脂互联网络变化的示意图。
南京林业大学夏常磊教授课题组以杨木为基材，采用过氧化氢(H2O2)/醋酸(HAc)蒸汽脱除木质素以产生多孔材料并提高压缩性，同时采用一种简便、绿色的真空辅助树脂传递模塑工艺(Vacuum-AssistedResinTransferMolding，VARTM)，以脱木素杨木和环氧树脂为原料，制备了一种高性能的木基复合材料（CDW/Ep）。结果表明，通过这种工艺，脱木素木材在处理后保留了纤维素支架结构，且制备的复合材料具备较高机械性能，此外还表现出了良好的尺寸稳定性。该研究近期以题为“Synthesisofultra-highstrengthstructuredmaterialfromsteam-modifieddelignificationofwood”于近期发表在了《JournalofCleanerProduction》上。
图文解读
图2。（a），两种预处理木材在2至8小时内拉伸强度变化情况。（b）脱木素处理后木材组分含量变化情况。（c）木材在H2O2/HAc(5:4)预处理条件下的重量变化情况。（d）不同反应时间的预处理木材亮度变化情况。
图3：(a)不同样品的FT-IR图谱；(b)不同样品的XRD图谱；(c)不同样品的表观密度。(d)天然木材（NW）和脱木质化木材（DW）的C1sXPS光谱。
H2O2/HAc蒸汽改性脱木质素减少了木质素和半纤维素之间的氢键和醚键含量，同时C1峰从66.6%下降到58.3%，C2的相对含量从33.38%提高到41.7%，表明半纤维素和木质素被成功脱除。树脂环氧基的消耗，表明木材中的纤维素支架和环氧树脂发生了的交联反应。此外，通过VARTM工艺将木材注入环氧树脂热压后表观密度提升了76.6%。作者认为，大量的木质素和半纤维素被降解后，相对纤维素含量增加导致细胞壁的孔隙率提高，从而致使环氧树脂较为容易的渗透到木质纤维素支架中，并在热压过程中强化密度，从而提高了复合材料的机械性能。
图4：复合材料的示意图和SEM图。
由于木质素存在一定的刚性，CW/Ep样品比CDW/Ep样品更难压缩，脱木质化使木材孔隙更容易被压缩，孔隙的充分压缩增加了材料的强度。同时，CDW/Ep样品整合了纤维素和环氧树脂的优点，木质支架中的交联环氧树脂导致吸水率降低。
图5：杨木和复合材料的拉伸实验结果
采用VARTM制备的CDW/Ep样品表现出优异的机械性能，拉伸模量和强度达到10.0GPa和.7MPa，分别是天然木材对照样品的3倍和5倍左右。作者认为这是由于环氧树脂和木质纤维素支架之间的相互作用，使应力分布更加均匀，避免了应力集中造成的破坏。同时，CDW/Ep中的木质孔隙完全塌陷并紧密地交织在一起，增强了与环氧树脂的界面粘合力。
本研究还比较了CDW/Ep样品与其他材料的拉伸强度和比强度。结果表明，CDW/Ep样品的抗拉强度优于一些金属，同时CDW/Ep样品具备比强度高（.9MPag-1cm3）、密度低（1.36gcm-3）的特点，可适合于轻质领域的应用。
图6：杨木和复合材料的弯曲试验结果。
表1：弯曲（三点弯曲）和拉伸试验的试样的机械性能。
作者认为在热压过程可以大大加强木质纤维素支架和环氧树脂之间的界面粘合力，弯曲模量和强度分别为18.2GPa和.8MPa，与天然木材相比分别提高了.5%和.5%。此外，脱木质素可以使CW/Ep样品弯曲模量提升65.6%。
图7：(a)杨木和复合材料的接触角变化情况。(b)杨木和复合材料的平衡接触角情况。(c)去除剥离层后的复合材料表面的粗糙度分析。(d)未使用剥离层的复合材料表面粗糙度分析。
通过VARTM工艺填充环氧树脂后，CW/Ep、DW/Ep、CDW/Ep的ΔCA值小于未处理的NW和CW样品，表明环氧树脂提高了疏水性。作者认为，VARTM工艺中使用的剥离层可以提高复合材料的表面粗糙度，从而进一步提升了CDW/Ep样品的疏水性能。
图8：(a)杨木和复合材料的吸水率。(b)杨木和复合材料的在平衡状态下的吸水率。
环氧树脂的添加有助于提高CDW/Ep样品的疏水性能，与天然木材样品相比，CDW/Ep样品在水中浸泡72小时后表现出高尺寸稳定性，吸水率降低了55.6%。
总结展望
在H2O2/HAc蒸汽改性可以在保持木材良好的纤维素支架和多孔结构的基础上脱除木质素，木质素含量从26.7%下降到1.45%。采用VARTM工艺向木材衍生的纤维素支架注入环氧树脂时，由于木质素的去除增强了纤维素支架与环氧树脂的界面粘合力，CDW/Ep样品很容易被致密化。所得到的CDW/Ep样品显示出优良的机械性能，具有较高的抗拉强度（.7MPa）、抗弯强度（.8MPa），和比抗拉强度（.9MPag-1cm3）。此外，木质纤维素支架内均匀地分散了树脂，并在VARTM过程中提高了样品的表面粗糙度，因此CDW/Ep样品还表现出较高的尺寸稳定性和表面疏水性。
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