合成塑料的过度使用加速了化石能源的消耗，导致白色污染问题日益恶化。天然木材作为一种丰富的生物质资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，已经被认为是可持续应用的有力候选者，可取代广泛使用的石化塑料。然而，传统的木质结构材料制备技术主要采用减法策略，即部分去除木质素和半纤维素以提高机械强度。然而，木材的化学脱木质素需要长时间的溶剂处理，对环境造成了严重破坏。因此，通过直接添加纯纤维素来调节结构材料中木质素和纤维素的百分比来避免这种减法过程似乎是一个有希望的选择。
近日，西南科技大学裴重华教授、李兆乾副研究员等人提出了一种通过在木粉中添加高纤维素纯度细菌纤维素（BC）作为绿色粘合剂和组分调节剂来制造木质结构材料的策略。该工艺消除了从木材中分离木质素和半纤维素的需要，既经济高效又环保。木粉/细菌纤维素复合材料（WBCs）表现出优异的机械性能。更重要的是，这些细菌纤维素可以在使用结束时在水中机械分解，转化为均匀的木粉-BC浆料重复使用，从而轻松回收。本文为利用廉价木粉制备可持续环保的木质结构复合材料提供了一种可行的策略。
/ 细菌纤维素的形态和组成 /
使用丰富且可再生的木粉作为原料，通过简单的机械-物理混合方法构建绿色木粉/BC复合材料（图1b，c）。与传统的制备技术（图1a）相比，该方法没有从原始木材中去除半纤维素和木质素，并且将BC作为纤维素组分添加到木粉中。按照一定比例，控制WBCs复合材料中纤维素含量为30、40、50、60、70，并依次命名为BC-30、BC-40、BC-50、BC-60、BC-70。
图1.（a）木质复合材料的传统制备方法。（b）WBC的制备示意图;天然木粉和BC的SEM图像与图片。（c）具有不同形状的WPC零件。
使用FTIR进一步验证了BC在调节WBCs复合材料中纤维素比例方面的贡献（图2a），发现木质素和半纤维素特征峰的强度随着BC含量的增加而降低（图2b）。吸收峰表现出显著的不成对展宽，这表明BC和木粉之间形成了氢键。XRD测试结果表明纯木粉、纯BC和木粉/BC复合材料的X射线衍射图与I型纤维素晶型相似（2θ = 14.42、16.75和22.65°）。随着BC添加量的增加，纤维素的特征峰逐渐明显，特别是WBC-70在2θ=22.65°处衍射峰的强度显著增强（图2c）。通过SEM观察发现，木粉表面杂乱无章，排列松散，而WBCs复合材料表面相对平坦、致密且均匀分散(图2d-f)。原因在于BC作为一种天然可生物降解的粘合剂，可以增强它们的相互作用而将松散，无序的木粉紧密地结合在一起（图2e，f）。
图2. (a)木粉、纯BC、WBC的红外光谱，(b)部分放大的红外光谱。(c)木粉、纯BC和WBC的XRD。(d-f)木粉、WBC-40和WBC-70的表面扫描电镜图像。
/ 机械性能 /
WBCs的机械性能如图3所示。没有添加BC的纯木粉很容易破碎，无法成型，因此无法进行相关的机械测试。WBCs和纯BC的典型应力-应变曲线如图3a所示。结果表明，随着BC含量增加，WBCs的抗拉强度显著提高，其中WBC-70的抗拉强度高达81.36 ±8.05 MPa。并高于大多数常见的石油基塑料与现有的木塑复合材料（图3a、b）。拉伸试验后的横截面形态如图3c，d所示，木粉表现出松散和无序的积累，而WBCs显示出清晰，均匀排列的层状结构，厚度约为2-3μm，证明了BC作为粘合剂的巨大优势和组分改性剂的机械增强效果。
此外，使用后WBCs可以通过机械破碎、水中的机械剪切作用以及过滤和干燥步骤实现回收，使其能够重复使用并减少资源浪费（图 3e）。更重要的是，由于木粉和BC仍然能够通过水分散液中的氢键重新组装，形成各向同性的致密多层结构，经过三个循环后，各种WBC仍然保持其原有的良好力学性能（图3f）。
图3.（a）WBC和纯BC的应力-应变曲线。（b）与其他普通木塑复合材料相比，WBCs的拉伸强度与杨氏模量。（c、d）木粉和WBC-70的拉伸截面的SEM图像。（e） WBCs的可回收性。（f）三个循环后WBCs的机械强度。
将WBC在室温下浸入水中50天进行水稳定性测试（图4a）,观察到WBCs没有崩解，并且在潮湿环境中保持其形状而没有任何碎裂，表现出良好的稳定性。此外，WBCs的湿拉伸强度较干WBCs降低，WBC-70湿拉伸强度为26.87 ±2.30 MPa，其仍远高于大多数纤维素增强复合材料的湿拉伸强度，证明WBCs具有优异的耐水性（图4b）。吸水率试验表明，6 h后WBC的吸水率达到平衡状态。此外，WBC-70的吸水率从WBC-30的101%下降到75%，表明WBC材料的阻水能力随着WBC材料的密度增加呈上升趋势（图4c）。
图4.（a） WBCs的50天水稳定性试验。（b，c）WBCs的湿强度和吸水率试验。
/ 热降解和阻燃性 /
木粉中高含量的无机成分赋予了复合材料优异的热稳定性和阻燃性。所有WBCs样品在?80 °C时均出现首次质量损失，这与水蒸发有关。在150-500°C的范围内，木粉表现出三个阶段的失重。在?250 °C时，所有样品均出现失重，这可能归因于木质素的降解。300-400°C之间的失重可能与多糖（纤维素和半纤维素）的降解有关，而在550至700°C之间发生的重量损失则与无机物的降解有关（图5）。通过锥形量热法测量样品HRR与时间曲线如图5c所示。木粉和WBC-40的HRR迅速增加，直到达到峰值，然后由于材料的消耗而急剧下降。如图5d所示，WBC-40的PHRR值为207.56 kW/m2，THR为 12.5 MJ/m2。这是由于无机成分形成的物理屏障的存在阻止了氧气的渗透，有效抑制了燃烧的综合效应，导致 PHRR和平均HRR都降低了。
图5.（a、b）木粉、纯BC和WBCs的热稳定性和差热分析（DTG）曲线。（c，d）木粉和WBC-40的放热速率（HRR）和总放热（THR）。
/ 热绝缘性 /
WBC复合材料在150 °C时的热导率均低于0.3 W/mK，结合样品的微观形貌，这归因于WBCs中的孔隙有效地阻碍了样品的导热性。随着BC含量的增加，WBCs的密度变得更大，导致热导率略有上升。紫外-可见-近红外测试表明，WBC-30在NIR中的平均反射率为?84%（图6b）,这清楚地表明WBCs对辐射热源的热能有效反射，WBCs的高太阳反射率主要归因于其自身的层状结构和木粉与BC之间较强的分子间氢键。最后，WBC-50在8-13μm之间表现出高发射率(?96%)，与其他出色的辐射冷却材料相当。这主要是通过纤维素羟基的分子振动和拉伸以及980–1200 cm-1处C-H、C-O和C-O-C的强发射来实现的。WBCs的高太阳反射率和高中红外发射率使其具有出色的冷却性能，有着作为辐射冷却材料的潜力（图6d）。
图6.（a）木粉、纯 BC 和WBCs的导热系数。（b）WBCs的反射率。AM1.5太阳光谱被描述为参考。（c） WBC-50在中红外中的发射光谱。大气透射率通过模拟（Modtran）获得并描述为参考。（d） WBC-50和环境空气温度的实时温度曲线。
/ 总结 /
在这项工作中，作者展示了一种简单、低成本和免脱木素的方法，以从木粉中制备可降解的WBC。WBC在所有方面都表现出优异的性能，包括81MPa的高拉伸强度、优异的水稳定性和良好的阻燃性。更重要的是，废弃的WBC可以通过机械分解回收，并产生新的WBC，这些WBC在重复使用中也保持了良好的机械性能。此外，WBC显示出作为辐射冷却材料的巨大潜力。这一补充战略为充分利用可再生和可持续的生物质资源制备绿色和可生物降解材料提供了新的灵感。
