可持续超轻高强木质复合泡沫材料的疏水-阻燃-隔热多功能一体化设计与性能研究

研究人员针对传统木质建筑材料易燃、吸湿和导热性差等问题，通过分子工程开发了CNFs/PBZ-PVA复合泡沫材料，采用环保型PEI(H??)-PA配体改性，获得具有均匀微孔结构(15-35μm)、优异抗压强度(2.77MPa@80%应变)和超低导热系数(0.0504W/(m·K))的多功能材料。经硅烷改性后接触角达114.5°，LOI提升至39.1%，PHRR降低82.74%，为绿色建筑提供了兼具热管理、机械耐久和防火安全的一体化解决方案。

　　

在应对全球气候变化和建筑节能需求的背景下，传统木质建筑材料面临着三大技术瓶颈：易燃性导致的火灾隐患、吸湿性引发的结构变形，以及导热系数过高造成的能源浪费。尽管木材作为可再生资源具有碳封存优势，但这些固有缺陷严重制约了其在现代建筑中的大规模应用。更棘手的是，现有改性技术往往顾此失彼——提升阻燃性会牺牲机械强度，改善疏水性又可能影响环保性能，这种"性能跷跷板"效应成为制约绿色建材发展的关键难题。

中国林业科学研究院木材工业研究所的研究团队另辟蹊径，通过分子工程策略设计出新型CNFs/PBZ-PVA复合泡沫体系。该研究创新性地采用生物基PEI(H??)-PA配体构建磷-氮协同阻燃系统，并结合MTMS硅烷化改性实现多功能集成，最终开发出兼具超轻特性(密度<0.1g/cm³)、高机械强度(压缩应力2.77MPa)和优异防火性能(LOI 39.1%)的木质复合材料。这项突破性成果发表在农林科学领域权威期刊《Industrial Crops and Products》上，为发展可持续建筑隔热材料提供了新范式。

研究团队运用冷冻干燥法制备三维多孔骨架，通过FT-IR和XPS解析化学键合机制，采用MIP分析15-35μm的孔径分布特征。锥形量热测试(35kW/m²热辐射)评估阻燃性能，瞬态平面热源法测定0.0504W/(m·K)的导热系数。特别构建了模拟建筑环境的湿热老化实验，结合TG-IR联用技术阐明P-N-Si多元素协同阻燃机制。

3.1 复合泡沫的设计合成
通过"一锅法"构建CNFs/PBZ-PVA双网络结构，引入PEI-PA配体形成多重氢键和静电螯合作用。当CNFs/配体质量比为2:1时，体系达到最佳稳定性，避免了1:1比例导致的骨架结构坍塌现象。

3.2 微观结构与孔隙特征
SEM显示2:1配比样品呈现典型蜂窝状结构，MIP测得24.94m²/g的比表面积。相比3:1配比的40-100μm宽分布，优化组孔径集中分布在15-35μm窄区间，这种均一孔结构为后续性能提升奠定基础。

3.3 化学结构解析
FT-IR证实P-O-C(1200-1300cm^-1)和P-N(1510cm^-1)键的形成，XPS显示P2p结合能随配体增加向低能方向偏移，表明电子云密度增加。C1s谱中286.8eV处的C-O-Si峰证实了硅烷成功接枝。

3.4 力学性能突破
80%应变下压缩应力达2.77MPa，较纯泡沫提升90.12%。这种增强源于PA中的磷酸酯与基质-OH/-NH_x形成的交联网络，但1:1配比时过量配体引发应力集中，导致性能下降10%。

3.5 热稳定性与隔热性能
TG显示1:1配比在350℃时残炭率达25.8%，2:1配比样品在120℃加热180s后表面温度仅52.8℃，优于商业蜂窝板(103.7℃)。导热系数0.0504W/(m·K)创下纤维素基泡沫新纪录。

3.6 阻燃性能提升
锥形量热测试显示PHRR从142.68kW/m²降至15.17kW/m²，降幅82.74%。Raman谱I_D/I_G从1.46降至1.22，表明石墨化程度提高。TG-IR联用证实PA分解产生的磷酸催化形成玻璃态炭层。

3.7 疏水改性突破
70℃处理4h获得最佳疏水效果(接触角114.5°)，MTMS水解形成的Si-O-Si网络使水滴渗透时间从7.56s延长至>300s。这种改性同时提升阻燃性，体现"一石二鸟"的设计智慧。

这项研究实现了木质复合材料领域的三大突破：首次通过PEI-PA配体构建生物基P-N协同阻燃系统；创新性地发现硅烷化处理可同步提升疏水性和阻燃效率；开发出性能优于石油基材料的全生物质隔热板。该成果不仅解决了建筑材料领域"阻燃-防水-隔热"难以协同的卡脖子问题，更开辟了分子工程策略设计多功能复合材料的新路径。特别值得注意的是，研究揭示的P-N-Si多元素协同机制，为发展下一代智能防火材料提供了理论依据。随着建筑行业向"双碳"目标迈进，这种集可持续性与高性能于一体的材料设计理念，或将重塑未来绿色建材的发展格局。