利用3D打印木质素能量导向器增强木材超声波焊接技术——推动绿色制造与多功能结构创新

本综述创新性地提出采用3D打印木质素能量导向器（Energy Directors）优化木材超声波焊接工艺。通过模拟天然木材的木质素融合与细胞互锁结构，显著提升接头拉伸剪切强度（lap shear strength）和湿态耐久性。该技术摒弃传统石化基粘合剂，在2秒内实现高强度连接，并赋予接头导电性（60 S m?1）和应变传感功能，为可持续结构制造提供了跨尺度解决方案。

　　

引言：绿色制造的木材连接技术革新

面对减少环境影响的迫切需求，采用生物基材料的可持续制造技术成为研究热点。传统木材粘合剂依赖石化原料并释放甲醛等有害物质，而淀粉基、单宁基等生物粘合剂在强度和耐水性方面尚未达到合成树脂水平。超声波焊接作为一种无粘剂的固态连接工艺，通过高频振动产生摩擦热使木材自身木质素熔融实现结合，但其存在接头机械性能低、湿态耐久性差的核心瓶颈。

研究方法与焊接机制解析

采用山毛榉木单板（0.5 mm厚度）通过超声波焊接系统（Herrmann Ultrasonics VE20）进行连接，系统监测焊接过程中的位移、功率、振幅和界面温度变化。焊接过程分为三个阶段：初始压缩阶段产生摩擦热使界面温度在1秒内骤升至661°C；木质素软化流动阶段伴随细胞壁压缩和结构重组；最终冷却阶段形成致密化结合界面。μCT分析证实界面孔隙率显著降低，形成致密结合层。

木质素含量的关键作用

通过醋酸-过氧化氢溶液对木材进行5-30分钟脱木质素处理，发现木质素含量与接头强度呈正相关。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示焊接界面在3340 cm^?1（O─H伸缩振动）、1763 cm^?1（C═O伸缩振动）和1326 cm^?1（酚羟基振动）特征峰强度显著增加，证实界面木质素富集现象。最佳焊接参数为230 N压力和1.6秒时间，过度压力或时间会导致纤维挤出和热降解。

3D打印能量导向器的创新设计

研制含木质素（10-70 wt%）、纤维素纳米纤维（CNFs）和木粉的3D打印墨水。流变学分析显示墨水具有剪切稀化特性，储存模量（G′）高于损耗模量（G″），木质素含量增加显著提高屈服点（τ_y）和流变点（τ_f）。通过直写成型（DIW）技术将网格状能量导向器打印于木材界面，经70°C干燥后焊接。含50%木质素的木粉墨水使拉伸剪切强度达到峰值，比无墨水接头提高150%。

多功能性能与工业化应用

热压后处理（180°C/3 MPa/15 min）使接头强度达3.48±0.54 MPa，与商业PVA木材胶（4.45±0.57 MPa）相当。湿态强度测试（24小时浸泡）显示热压焊接接头保持1.13±0.18 MPa强度，与环氧树脂接头（1.32±0.17 MPa）相当，而PVA胶完全失效。添加植物源碳黑（15 wt%）使墨水电导率达60 S m^?1，实现接头应变传感功能。机器人连续焊接系统实现50 mm/s焊接速度，成功制造承重100 kg的蜂窝结构（1.95 MPa抗压强度）。

生物相容性与特殊环境应用

采用灵芝菌（Ganoderma lucidum）进行18天生物培养实验，显示木质素焊接接头在高湿度环境中保持结构完整性和机械性能，为工程活性材料（Engineered Living Materials）提供了新型接口解决方案。

结论与展望

本研究通过木质素能量导向器优化了超声波木材焊接界面，阐明木质素融合、界面致密化和化学交联的增强机制。该技术适用于热压、机器人连续制造等多种工艺，为可持续木材加工提供了具有应变传感等附加功能的绿色连接方案，对降低木结构碳足迹具有重要意义。