木材科学与技术研究新进展

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

木材是经过长期生物进化形成的天然高分子材料，广泛应用于家具、建筑、能源、装载、新材料和绿色化学品等领域，在社会发展进步和人类文明传承中发挥了重要作用。木材广义上指能提供木质部成分或植物纤维的生物质资源，包括木材、竹材、藤材、秸秆等。木材科学与技术是研究木材生物学、化学、物理性质及其高效利用和转化过程中的基础理论、关键技术和前沿科学的综合性学科领域，包括木材构造与材性、木材水分及干燥、木材保护与改良、木材重组与复合、木制品与木结构、木材解离与组装、木材解构及转化等主要研究方向[1-3]。

对木材的研究可以追溯到远古时代，但系统性的理论研究主要从19世纪二三十年代开始，特别是进入20世纪中后期，生物学、植物学、材料学、工程学等领域的多学科交叉融合以及纳米技术、量子理论、智能控制系统和精密仪器设备的重大突破，使得木材科学与技术领域焕发出勃勃生机，催生了一大批重要理论成果和创新技术。如采用基因工程技术调节木材细胞壁的组分结构与堆积模式，进而调控木材的宏观物理、力学及化学性质，从而实现结构—成分—性能之间的构效关系匹配。精细化工、智能制造和自动控制等工程技术引发了人造板、木制品和家具等产业的革命性变革，低醛或无醛木竹基复合材料拓宽了绿色家居的内涵和外延，而工业4.0、柔性制造及互联网（物联网）+等平台不断完善升级，使得木竹产品及制品满足通用型、多功能、个性化定制等需求，助力产业可持续、多元化发展。本文基于传统木材科学与技术领域的经典理论，重点阐述了近二十年来在木材细胞壁分子调控和结构解译、木材水分迁移及高效节能干燥、木材细胞壁多尺度改良、木材绿色胶合及重组复合、木制品与现代木结构、木材纳米解离及先进功能材料、木材解构及绿色能源化学品等领域的新进展，以期为我国木材加工相关行业的科技进步和产业结构升级调整提供理论和技术支撑。

1 木材构造与材性

木材是由各种类型细胞组成的复杂生物质材料，不同树种木材的细胞组成及排列不同。早在19世纪60—80年代，国内外学者就提出各树种木材构造特征间存在的差异，可作为木材分类与鉴别的依据。木材构造特征是木材材性研究和加工利用的基础[4-5]，无论是先期的林木遗传基因改良还是后期的材料性能改良，均需以细胞壁为靶标。因此，解译木材细胞壁精细结构及其对木材性能的影响规律，揭示材质遗传改良和加工改良手段对木材细胞壁结构与性能的调控机制，是实现木材高效利用和优质林木选育的关键。江泽慧、鲍甫成等研究学者通过对木材细胞壁形成规律及木材材性等开展研究，为人工林定向培育及木材的高效利用提供了坚实的理论基础，研究成果“中国主要人工林材种木材性质研究”和“人工林木材性质及其生物形成与功能性改良的研究”分别获1999年和2004年国家科技进步二等奖。

1.1 木材形成及分子调控

木材来自高大的针叶树或阔叶树等乔木的主干。作为一个能进行代谢活动的结构，木材细胞壁各组分的合成、组装与沉积及理化性质决定细胞壁相应的功能特性。木材的形成经历了维管形成层细胞的分生、木质部细胞的分化和扩大、次生细胞壁的沉积和细胞程序性死亡等过程[5]。在木材细胞壁的形成过程中，细胞壁参与了细胞的生长、分化、识别、抗病等过程，是一个严格受基因编码调控的复杂动态生物学过程。目前研究木材形成的模式系统，除了草本植物拟南芥[6]以外，杨树等木本植物是理想的研究木材形成和管状分子分化的模式系统。

近年来，基于遗传学和生物组学分析,研究者已经从模式植物杨树中鉴定出许多调控次生壁沉积的关键转录因子和转录抑制因子[7]。细胞次生壁的沉积由次生壁成分合成基因和次生壁转录基因共同调控[8]。这些转录因子调控层次分明，共同构成次生壁沉积的转录调控网络,不仅在次生壁组分木质素、纤维素、木聚糖等物质的生物合成过程中起重要作用，而且可间接调控木质部细胞程序性死亡过程[4]。木材的形成是复杂的生物途径，众多转录因子、酶、调控基因参与其中，转录因子分级依次直接或间接调控木材的形成，互相关联发挥着促进或抑制作用。基于基因工程技术对木材细胞壁各组分的含量、组成和生物合成途径等调控研究，以及调控基因活性对木材细胞壁化学组成和微观结构的影响是改良木材单个目标性状以及木材细胞壁综合利用的前期理论基础。如在植物体生长过程中，通过调控木质素的生物合成基因阻碍木质素的合成途径，进一步降低木质素含量或改变其分子结构，从而提高纤维素分解和糖转化效率，对于提高木质基纤维材料的利用具有重大意义。目前广泛认为，基因调控不仅可改变木材细胞壁木质素的含量及结构，同时对细胞壁其它组分的组成结构与性能也有影响，进而影响木材组织细胞的微观结构，如韧皮纤维细胞数量、导管尺寸与数量和木质部细胞层数等。

从分子生物学角度讲，当前对这些基因的生物学功能和调控网络的解析，是研究木材形成分子生物学机制的理论基础。通过研究木质部不同类型木材细胞发育的遗传调控机制，利用分子生物学手段进行木材材性改良，筛选出影响木材材性遗传变异规律的重要调控因子，最终为优质速生人工林的选育和培育提供理论和技术支持[9]。

1.2 木材细胞壁结构解译

木材是由细胞组成，在显微构造水平上，细胞是构成木材的基本形态单位。木材细胞在生长发育过程中历经分生、扩大和胞壁增厚等阶段而达到成熟。在木材细胞壁中，次生壁S2层最厚，占细胞壁厚度的95%以上，因此S2层一直是木材细胞壁结构研究的关键与热点。有关木材细胞壁微纤丝的取向及多层构造的形成机理一直是木材解剖学领域的研究焦点。20世纪70年代，日本学者原田浩提出有必要对木材细胞壁的构造及其主成分的形成过程进行研究。随后，1974年Chafe和Chauret[10]在研究阔叶树材轴向薄壁细胞初生壁构造时提出了“多层交叉构造”的概念，认为微纤丝的取向是个动态过程，伴随着细胞的伸长生长而再取向；在此基础上，Roland[11]提出了“有序微纤丝说”，认为微纤丝的取向在最初堆积形成，不随细胞伸长生长变化；基于初生壁中微纤丝再取向的实验观测事实，提出了“有序微纤丝修正说”，该假说认为细胞形体扩大引起微纤丝的再度取向，微纤丝的再度取向行为以层为单位进行[12]。近年来，随着纳米科学与技术和木材分子生物学的发展，极大加深了人们对木材构造及木材细胞壁堆积的认识[13]，具有代表性的如“成层结构细胞壁”认为木素和碳水化合物断续相间环绕细胞成层倾向；而“波浪形纤维素聚集体”则认为纤维素聚合体内存在LCC 复合体（木质素-碳水化合物）。利用快速冷冻和深度蚀刻技术，Bardage 等[13]发现针叶材管胞次生壁S2层的微纤丝沿细胞轴向呈波浪形聚集态分布，相邻的纤维素聚集体间形成纺锤状，其横向直径为3～14 nm。关于纤维素聚集体的空间排列方式，目前的观点认为是沿细胞轴向呈同心圆的层状排列[14-15]。

随着现代显微技术的不断发展，木材细胞壁S2层的超微构造逐渐被揭示。木材细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素构成（图1）。对于纤维素，近年来取得的最大研究进展是对其Iα 和Iβ晶型结构的认识，而关于两种晶型对纤维素的力学性质是否存在差异仍不清楚。而对半纤维素和木质素单一组分的测定，则有赖于细胞壁原位测试技术的进步，因在分离状态其分子结构和空间排列与原位状态存在很大差异。纤维素、半纤维素和木质素之间的连接方式对木材细胞壁性能有重要影响。国内外大部分研究未发现纤维素与木质素之间存在直接交联。最新研究表明，在应压木中，木质素与纤维素存在直接耦合，在正常木材中不存在这种现象[16]。而具有双亲性的半纤维素：一方面与纤维素间通过氢键建立物理连接；另一方面与木质素间既存在物理连接，也存在化学连接（酯键、醚键、苷键等共价键）。有研究指出，葡甘露聚糖的脱除，能有效增强木质素与纤维素间的交联[17]，即木材细胞壁是通过半纤维素将刚性的、亲水性的纤维素与黏性的、疏水性的木质素联系在一起，从而保持木材细胞壁的整体性。木材细胞壁的组织结构是以纤维素作为骨架的，其组成单位是有规则聚集在一起的纤维素聚集体。在纤维素聚集体内存在部分结晶的纤维素或无定形的半纤维素，纤维素微晶与无定形半纤维素紧密相连，形成微纤维网络，无定形木质素包围在纤维素微晶、微纤丝等之间，而果胶以交联多糖形式形成水凝胶将细胞壁各组分“黏合”在一起[18]。在针叶材中，纤维素与葡甘露聚糖间存在紧密连接，二者之间有较强的交互作用。对于阔叶材，半纤维素中具低取代度的木聚糖首先填充于微纤丝间并与之形成紧密连接，并增加微纤丝的聚合度。而木质素与半纤维素的结合方式则依半纤维素的类型呈现不同结合方式。Joseleau 等[16]基于免疫标记法对Matrix 中半纤维素和木质素的结构排列进行研究，并提出“缩合型木质素和低取代度木聚糖的早期沉积将Matrix 与纤维素聚集体紧密结合在一起”的观点。对于针叶材，高缩合型木质素与葡甘露聚糖之间、低缩合型木质素与木聚糖之间存在化学连接。对于阔叶材，低取代度木聚糖在纤维素与缩合型木质素之间起连接作用，而高取代度木聚糖与非缩合型木质素之间的结合更为紧密[19-20]。至于纤维素聚合体内的半纤维素与微纤丝之间是否存在交联作用及交联的方式，目前仍不清楚。

图1 木材构造特性与细胞壁分级结构Fig.1 Structural characteristics of wood and hierarchical structure of cell wall

对木材细胞壁的超微构造和细胞壁化学组成微区分布及其相互作用等的认识，是对木材细胞壁结构与性能进行调控的基础。随着细胞生物学研究的发展以及显微表征、动态观测和光谱成像等技术的不断成熟，对木材细胞壁的认识不应再局限于机械支架，而是一个动态、参与多种细胞活动的结构形式。在木材细胞成熟的不同阶段，细胞壁组分如何相互连接和相互作用，以及在成熟过程中当细胞受到内、外环境刺激时如何产生与其生物学功能高度适应的分子结构等是当前普遍关注的重点。

1.3 细胞壁结构与木材性能的构效关系

木材性能表现与其细胞壁结构密切相关，细胞壁结构与微观物理力学性能的构效关系，主要涉及木材细胞壁S2层微纤丝角和细胞壁化学组分对木材水分和细胞壁物理和化学流变学的影响[21]。诸多研究表明，木材细胞壁S2层微纤丝角对木材细胞壁的纵向拉伸蠕变行为有显著影响，其蠕变变形量随微纤丝角的增加而增大。根据木材细胞壁的复合结构理论，木材细胞壁可视为由黏性大的Matrix（全部由半纤维素和木质素构成）与刚性大的纤维素微纤丝构成；当微纤丝角较小时，微纤丝沿细胞主轴的刚度分量大，从而制约了Matrix 沿轴向的蠕变变形；随着微纤丝角的增大，微纤丝沿细胞主轴的刚度分量减小，即微纤丝对Matrix 沿轴向蠕变变形的约束力减弱，使得木材细胞的轴向蠕变变形量增加。微纤丝角的差异是造成早材与晚材、幼龄材与成熟材、应力木与正常材之间轴向蠕变存在差异的主要原因[22]。此外，木材微纤丝角的大小与细胞壁的水分有关，细胞壁水分变化引起微纤丝角发生变化，进而影响细胞壁的蠕变行为。当木材含水率处于动态变化时，木材可能发生机械吸湿蠕变，即在较低的应力水平、较短的时间内木材就能发生破坏。

木材作为一种高分子材料，在一定条件下可发生高分子构造变化如分子链切断或生成，高分子物性发生变化，从而产生化学流变。通过对木材化学流变学的观察可以研究木材的构造变化和木材细胞壁随含水率、温度等的变化情况。木材的化学应力松弛与细胞壁主成分密切相关，主成分的结构或形态变化引起木材的化学应力松弛，如大量学者从木材细胞壁的主成分出发，对脱木素木材、膨胀木材、酸水解木材及非晶化处理木材的化学应力松弛进行研究；而木材化学蠕变的研究与细胞壁主成分分子的滑移或分子间相对位置的变化密不可分。木材细胞间的相互滑移引起的蠕变与木素的关系最大；纤维素的结晶度对木材的化学蠕变有显著影响；而半纤维素作为木素和纤维素间的连接物质，对细胞壁中分子的流动有重要作用。青木务等[23]最早对木材化学流变学展开研究，通过测定化学应力松弛、化学蠕变可以研究木材塑性等物理化学性能产生的机理。

此外，纤维素的结晶区尺寸、结晶度及细胞各壁层的微纤丝取向对细胞壁的弹性也有较大影响。木材细胞壁的刚性主要由纤维素决定，半纤维素和木质素也可以增加细胞壁的刚性，但贡献度低于纤维素。而木材细胞壁的黏性主要由木质素和半纤维素共同决定，尤其是细胞壁的横向性能[23]。二者的含量、类型或性质的不同会引起木材细胞壁黏弹性的差异。木质素吸湿性弱，受水分影响小，随着脱木质素程度的增加，木材吸湿能力增强，机械吸湿蠕变明显增大[24]；半纤维素因含较多亲水性基团，吸湿性强，部分脱除木聚糖和葡甘露聚糖对木材单根纤维机械吸湿蠕变影响不显著，但完全脱除半纤维素时会显著降低木材单根纤维的机械吸湿蠕变。基于动态力学分析技术并联合利用光谱分析技术（偏光显微镜、激光共聚焦显微镜、X-射线散射/衍射技术等）[25]，可以从微纤丝角、晶格和分子键的变化等方面揭示木材细胞壁在轴向拉伸过程中黏弹性变形的分子机制和演变规律。若纳米压痕仪配备环境湿度控制装置，还可对不同平衡含水率下木材细胞壁的蠕变行为进行观测，实现亚微米水平下动态测量木材细胞壁的黏弹性能。

木材细胞宏观性能的表现是木材细胞壁微观分子结构的反映，准确认识和掌握木材细胞壁结构才能对其宏观性能的发生和演变机制做出合理解释。从细胞和分子水平对木材微米和纳米级物理力学性能研究，并结合成熟木材宏观结构和力学特性，最终建立木材细胞壁力学模型是当前有关木材细胞壁微观力学性能研究的热点，不同尺度力学性能研究与表征不仅为木材复杂力学行为本质提供核心基础，也为树木发育学、木材力学性质的早期预测提供理论依据。

2 木材水分及干燥

水分是影响木材储存、加工与利用的核心要素，与木材物理与干燥、木材保护与功能性改良等多个重要研究领域构成从宏观至微观乃至分子层级的多维度互作关系。早在1888年，Science 杂志就刊登了木材水分关系的学术论文[26]。1906年，Tieman[27]发现了木材水分含量与木材物理力学的关系，首次提出了纤维饱和点（Fiber saturation point，FSP）概念，1988年Skaar[28]出版了第一本关于木材水分关系的学术专著《Wood-Water Relations》，这些经典理论构筑了木材水分及干燥研究大厦的基石。随着近代先进分析手段和电子计算机技术的广泛应用，木材水分及干燥研究必将从宏观进入微观，从细胞水平上升到分子水平。

2.1 木材水分

木材中的水分包括自由水、吸着水（包含吸附水与毛细管凝结水）。纵观木材水分研究历史，早期研究侧重于木材水分含量的测定与水分吸附模型的构建及修正。水分含量的传统测量方法主要有称量法、电测法、蒸馏法、卡尔费歇尔滴定法等。水分吸附模型主要以吸着水为对象，国内外学者就此开展了大量研究，并从20世纪20年代起先后提出了以单分子层与多分子层吸附为主要吸附模型的多种经典木材水分吸附理论，如Langumuir 理论、BET 理论、Hailwood-horrobin 理论和Dent 理论。近年来，基于传统称量法衍生出了一种具有实时响应、高精度、高重复性优点的水分测量方法——动态水分吸附技术（DVS），成为木材平衡含水率测量的标准方法。基于该技术，Kohler等[29]提出了“平行指数动力学”模型（PEK-model），继续推进了水分吸附机理方面的研究。

随着以高速计算机为主导、具有空间分辨功能的先进分析仪器的应用，木材水分状态与分布研究蓬勃兴起。核磁共振（NMR）、计算机断层扫描（CT）、X 射线扫描、显微红外光谱等先进分析仪器应用于木材水分研究领域后，木材水分状态与分布研究开始快速发展。早在1992年，Araujo 等[30]利用NMR 研究白云杉Picea glauca中水分状态，有效区分了自由水和吸着水。与此同时，Olson 等[31]利用一维核磁共振成像技术对白橡木Quercus alba干燥过程中内部水分分布做了定性分析。此后，随着低场核磁及其成像技术以及反演算法的进步，其对木材中水分分布测定逐步由定性分析发展为定量检测，并实现了木材不同组织构造中自由水含量的准确测量。Fromm 等[32]利用CT 技术测量了挪威云杉Picea abies心材和边材中水分分布，其空间分辨率达到了0.35 mm。Lanvermann 等[33]和Sedighi-Gilani 等[34]将中子成像技术用于挪威云杉水分分布测量，指出该技术的空间分辨率可达30μm。近年来，本团队[35-36]创造性地将显微红外光谱用于木材水分研究，原创“显微红外光谱测量木材细胞壁水分技术”，实现了吸湿解吸过程中木材水分的原位定量测量，发现FSP 以下木材吸着水的存在状态为：强氢键结合水、中等氢键结合水和弱氢键结合水（图2）。在此基础上，Guo 等[37]又在木材水分分布研究方面取得突破性进展，将空间分辨率提升至6.25 μm，证实了木材细胞壁中水分分布的不均匀性。尽管木材水分关系研究取得较大进展，受限于分析仪器发展水平，目前木材水分关系研究仍主要集中于木材宏观结构中水分含量、状态和分布表征，尚未深入到细胞层面微观构造中水分的定量时空演变及分子结构解析。

图2 木材细胞壁水分吸附分子机制Fig.2 Molecular mechanism of water adsorption on wood cell wall

2.2 木材干燥理论

木材水分迁移形式主要包括基于压力差的毛细管中的渗流与基于浓度差的扩散[38-39]。通常认为，含水率在FSP 以上时，木材毛细管内的自由水靠毛细管弯液面的表面张力差而移动；含水率在FSP 以下时，同时存在细胞壁内吸着水和细胞腔内水蒸气的移动，含水率梯度（浓度梯度）是主要驱动力[40]。然而，木材水分迁移是多物理量耦合作用下的复杂过程，其迁移形式与迁移驱动力一直存在争议，解译干燥过程中湿迁移特性与热传递规律等构成了木材干燥理论研究的重要内容，也因此诞生了以温度变化、时间维度、空间维度、水分状态与含量、迁移驱动力等为分类依据的一系列木材干燥数学模型[12]。

以木材空间点温度分布是否均匀或温度变化对质扩散的影响是否显著为界限，可将上述木材干燥模型分为等温型与非等温型模型。其中，等温型模型主要包括等温扩散模型与扩散-渗透模型。前者将自由水、吸着水和水蒸气迁移看成是水分子形式的扩散过程，在浓度梯度作用下，水分子从高浓度区域向低浓度区域扩散迁移。根据水分迁移驱动力的差异，又可细分为含水率梯度模型如Mounji 等[41]提出的三维非稳态水分传递数值模型，水蒸气分压梯度模型、化学势模型、水分势能模型和扩散压力梯度模型。等温扩散-渗透型模型认为含水率在FSP 以上和以下时，水分迁移驱动力存在显著差别，含水率在FSP 以上时毛细作用引起的自由水迁移不可忽视。其代表性模型有Bramhall 模型，系以表面张力差引起的毛细流与蒸汽压力引起的吸着水扩散为基础的一维干燥模型，并可适用于非等温条件与全含水率范围；Cloutter 等[42-43]提出了水势的概念，作者认为水势梯度是木材内水分运动的唯一驱动力，通过引入有效水分传导系数，构建了基于水势梯度的等温模型。

随着研究的深入与发展，干燥过程中实际存在的热质耦合效应及温度梯度对传质的影响逐步受到重视[44]，木材干燥模型逐步由非耦合的单物理量场向多物理量场耦合方向发展，形成了热质耦合传递型模型与Whitaker 多组分模型等经典非等温模型。前者以Luikov[45]基于不可逆热力学和水势概念提出的热质耦合传递方程为基础，衍生出了Thomas 模型、Irudararai 模型和Dongshan 模型，以及以热扩散与化学势作为驱动力的非等温扩散模型Siau 模型。多组分模型主要基于质量、动量和能量守恒三大定律，分别采用不同传输机理描述液态水、水蒸气和气体混合物（水蒸气和空气）的迁移过程，增强了模型的适应性，例如将液相迁移机制归结为毛细管达西渗流，气相迁移则同时存在菲克扩散与达西渗流[46]，代表性模型有Plumb 模型、Nasrallah 模型、Ouelhazi 模型以及Perre 模型等。此外，研究人员还提出了浓度梯度驱动模型与多组分模型相结合的混合模型，该模型将木材划分为不含自由水的干区与含有自由水的湿区，分别对其研究[47]。随后，变扩散系数的引入进一步简化了该模型。后续关于木材内部水分迁移机制方面的研究多建立在上述研究基础上进行。笔者认为，今后该领域的研究应更多考虑宏观-介观-微观多尺度，一维、二维、三维多维度条件下的水分迁移，并结合温度、木材体积形变、应力等多因素耦合，精准求算模型中的水分（变）扩散系数、导热系数等物性参数，从而构建简单而又实效的水分迁移模型。

2.3 木材干燥技术

20世纪20年代起，国内外关于木材干燥开展了大量研究，其中木材水分关系、木材水分迁移机制等研究对木材干燥技术创新与突破具有重要指导意义[48]。20世纪90年代左右，我国木材干燥领域获批的国家科技进步奖就有3 项，分别是旋风燃烧法干燥木材的研究（1987年获国家科技进步二等奖）、木材间歇真空干燥技术研究（1991年获国家科技进步三等奖）、短周期工业材木材干燥技术（1998年获国家科技进步三等奖），推动了我国木材干燥技术的革新与进步。

木材干燥广义研究对象包括人造板单元纤维、刨花、单板以及锯材等，狭义范畴主要指锯材。不同单元形态尺寸、空间位阻等物性参数差异导致水分迁移驱动力、热量传递等干燥机理与特性存在明显区别，并由此形成了纤维管道式气流干燥、刨花滚筒式干燥、锯材常规湿空气干燥等各具特色的干燥技术。目前，微波干燥技术在纤维板备料阶段已有产业化应用，但总体上纤维、刨花干燥技术较为成熟，如何解决干燥尾气湿法静电除尘产生的甲醛废水问题是该领域近年来的热点关注，美国TSI、瑞典SUNDS、大亚人造板等企业与相关高校都对此问题开展攻关研究。单板干燥能耗占胶合板生产总能耗的75%左右，其干燥正朝着更为高效、节能的联合干燥方向发展，形成了太阳能-辊筒烘干线联合干燥、温室型太阳能-除湿干燥、太阳能-热压干燥等联合干燥技术。此外，针对太阳能不稳定性与间歇性缺点，研究人员已将石蜡相变微胶囊等储热材料与储热技术、热泵技术应用于太阳能集热系统与干燥方面[49-50]。

锯材干燥是木材干燥领域的主要研究对象，相比人造板单元，锯材在干燥过程中的热质迁移规律、应力发展与应变响应更为复杂，如何提升木材干燥技术、如何预测干燥过程中各项物性参数时空演变，对于干燥质量控制、干燥能效提升，最终实现绿色节能干燥至关重要。当前，锯材的常规干燥技术仍然占据主导地位，但太阳能-热泵联合干燥、常规-除湿联合干燥、常规-高温联合干燥、微压自排过热蒸汽干燥等干燥技术因其在能耗与效率等方面的优势备受关注。课题组在过热蒸汽干燥方面取得了系列成果并进行了推广应用。此外，针对地热地板在湿热交变胁迫作用下的尺寸不稳定问题，课题组还研发了常压受迫热压与真空负压受迫热压干燥定型技术，实现了难干阔叶材高效干燥与尺寸定型一体化处理，促进了木材热加工技术的进步。今后，以常规干燥为主、多种干燥技术协同运用的方式将是木材干燥技术研究的重要发展方向。除了节能降耗要求，绿色环保也是木材干燥领域今后需重点解决的问题，干燥尾气中有机挥发物VOCs 的收集与处理技术研究正引起行业的高度重视。同时，监测、预测木材干燥过程中水分、应力应变、干燥缺陷对热湿条件的经时响应技术一直是国内外研究人员的热点关注，近年来的一些新进展包括利用双能X 射线计算机断层扫描、低场核磁共振自旋回波单点成像脉冲序列监测水分与水分剖面分布动态变化，基于人工神经网络模型预测干燥应变、干燥质量等级，运用可编程控制器调控干缩应力，通过多元探测与成像一体的木材开裂监测系统实现干燥过程中木材裂纹演变的在线可视化[51-54]等。此外，随着我国人工林速生木材改性技术的深入与产业化应用，木材干燥的研究对象也有了新的拓展，浸渍改性引起的木材孔隙结构特征、木材水分关系变化为其干燥带来了新的问题与挑战，关于低分子量树脂浸渍材、糠醇树脂浸渍材干燥技术与干燥机理机制方面的研究进入起步阶段。

3 木材保护与改良

木材作为一种天然高分子生物质复合材料，具有诸多优良的性能，但当载荷、水、热、光、微生物等多种因素协同作用时，存在尺寸稳定性低、耐候性差、易腐易燃等问题，这些缺陷源于木材天然结构（宏观组织结构、微观细胞壁结构及超微观壁层结构）和组分的破坏[55]。木材保护与改良是指通过物理、化学或生物手段改变木材细胞组织结构或组分[56-57]，以提升其耐腐、阻燃、力学强度、耐老化、颜色与尺寸稳定等性能的方法，对木材资源高效利用具有重要意义。

3.1 木材保护与改良基础理论

目前，国内外木材保护与改良技术日趋成熟，热处理、浸渍处理、化学改性等木材功能性改良技术已经进入产业化发展阶段。超强密实、全通透渗透、仿生功能化等新型手段进一步拓宽了木材功能性改良的外延，推进了木材增值高效利用进程。依据各类改性技术原理，木材功能性改良基础理论可以归纳为位点消除论、组织密实论及助剂导入论等（图3）。

图3 木材功能性改良原理与主要方法Fig.3 Principle and major methods of wood modification

位点消除论是指通过消除木材中弱相位点以降低木材对外界因素的响应度，实现木材性能提升。木材的性能劣化与其化学组分及结构密切相关，是木材屈服于外界不利因素的重要原因，如低分子碳水化合物使得木材易腐败、亲水羟基使得木材易干缩湿胀等，上述化学组分与活性官能团即为木材中弱相位点[58]。木材中弱相位点的消除包括脱除化学组分和遮蔽或取代官能团，脱除组分是指利用介质的抽提或降解作用，预先脱除木材中某种外界因素作用下相应的弱相组分，如可作为生物营养源的半纤维素以及对光不稳定的木质素等[59]，而官能团遮蔽或取代是指利用反应介质的遮蔽或取代作用，减少木材组分中活性基团，如亲水羟基或显色羰基等官能团[60-61]。该理论适用于木材尺寸稳定、耐老化、外观颜色等性能的提升。

组织密实论是指通过改变木材孔隙特征，提高其细胞组织密实度，实现木材性能改善。木材孔隙存在于细胞间、细胞腔和细胞各壁层间，具有多级尺度，是木材在外界因素作用时最易发生破坏的位置。压缩密实和浸渍密实是提升木材细胞组织密实度的主要途径，压缩密实是指利用软化介质增加木材各组分分子链间自由体积，借助热机械作用力使得木材自身细胞组织排列更加密实，并以压缩木内部应力释放、压缩木内部分子架桥形成、压缩木内部憎水键形成等理论为指导固定木材压缩变形，实现永久提高细胞组织密实度；而浸渍密实是指将聚合物预聚体或无机质渗入木材孔隙中，以沉积、自聚合或与细胞壁交联的形式固着于木材中，从而提高木材细胞组织密实度[62-63]。该理论适用于木材尺寸稳定性和力学性能的改良。

助剂导入论是指借助功能助剂对木材提质增效，实现木材性能精准改性，是当前木材保护与改良的重要理论。木材具备多尺度的孔隙结构与丰富的羟基基团，为功能助剂的导入提供了结构基础与反应平台。功能助剂主要以表面附着和内部渗透的形式导入，表面附着是指利用木材表面的粗糙结构，将功能助剂负载在木材表面，形成木材保护屏障，达到隔绝或阻碍外界破坏因子的目的[64-65]，而内部渗透是指利用木材的渗透性将功能助剂均匀地浸注到木材内部，发挥其抵御外界破坏因子的功效。对于高反应活性助剂而言，表面附着与内部渗透均涉及木材细胞壁的化学修饰。该理论适用于木材疏水、阻燃、尺寸稳定性、耐腐、耐老化、装饰等性能的提升。

随着改性技术的发展与木材性能要求的提高，木材性能提升往往涉及多种基础理论的协同作用，如超强木材通过去木质素与热压技术获得，透明木材通过去木质素与导入聚合物获得。不同基础理论的联合使用将会催生系列先进功能木材，是发展木材保护与功能改良新技术的指导理论。

3.2 木材保护与改良技术

木材保护与功能性改良历史悠久，早在远古时代，人类就采用火烧炭化的方法处理木柱端面以增强其耐候性。随着木材功能性改良技术研究的不断发展，初步形成了早期的改良技术，主要包括高温热处理、压缩密实化[56-66]，以及防腐（蛀）剂、阻燃剂、染色剂、防水剂、填充剂等常压或加压浸注处理等技术[67-68]。该阶段改良技术以物理改性为主，化学改性为辅，部分改良技术对环境造成了一定污染。随后，通过乙酰化、糠醇化、交联改性、氮羟甲基化合物改性、热固性树脂改性等对木材表面、细胞腔及细胞壁的化学改性技术，逐渐成为木材功能性改良领域的重要方向[56,69-70]。化学改性可实现细胞壁多维度定向反应、一剂多效的目的，如乙酰化改性木材的抗生物劣化性、尺寸稳定性和耐候性能均会有所提升[61]。在此阶段，李坚院士团队引领该方向研究前沿，创制的细胞壁反应改性、细胞腔填充增强等技术不仅实现了木材尺寸稳定化、阻燃、防水、防腐等传统功能性改良，还赋予木材新的电磁屏蔽、仿生疏水等功能，主持完成的“基于木材细胞修饰的材质改良与功能化关键技术”成果获2017年国家科技进步二等奖。近年来，随着环保意识日益增强，生物防治、植物源提取物改性、生物漂白及生物染色等绿色木材功能性改良技术也成为重要的研究方向[71-72]。由于不依赖于化学试剂，具有无毒、无害和无环境污染等优点，该方向被认为是未来极具发展潜力的研究领域。总的来说，随着科技的进步，木材保护与改良技术发展迅速，逐步进入精准设计和增效可控的新阶段，发展出一大批包括大尺度木材全通透精准改性、新型木材阻燃抑烟协效、仿生智能超疏水一体化增效、实体木材先进功能增值利用等木材功能改良新技术。

大尺度木材全通透精准改性技术是近年来木材功能改良领域的重大突破，通过木材细胞壁微通道疏通、流体加压渗透、改性成分原位固着及反渗控制等手段，将染色、防水、阻燃、防腐等功能修饰组分和反应助剂有序导入木材内部，实现大尺寸原木通透处理。采用该技术对松木、杉木、杨木、桉木等大尺度原木进行处理，可实现原木整段全通透改性，力学强度可提高1～5 倍，且不变形、无开裂。处理后的木材与瓦斯喷火枪火源接触40 s 不可被点燃且无烟释放，阻燃等级最高可达A2 级，同时还具备优异的隔热、抑菌、除菌等性能[73-74]。根据目标使用环境要求，该技术可通过调控修饰剂配比、细胞壁微通道、干燥过程等实现与目标功能的精确匹配，达到“定向精准”木材功能性改良效果。由于无机功能组分具有成本低廉、环保无毒、无烟不燃等优异特性，因此无机功能组分的大尺度全通透精准改性是当前的研究重点，对推动实体木材高值化利用具有重要意义。

新型木材阻燃抑烟协效改良技术主要包括新型磷氮硼复合木材阻燃技术与多相立体屏障阻燃抑烟技术。李坚院士团队攻克了高纯度脒基脲磷酸盐GUP 关键性技术难题，合成基于高纯度GUP、硼酸与助剂的新型复合阻燃剂FRW，深入研究了GUP 和硼酸的协同阻燃与催化成炭机理。通过控制阻燃剂的溶解性、酸碱性等，使其不仅具有优异的阻燃、抑烟、防腐、防虫、防潮等性能，还不影响木材力学性能、色泽纹理，具有无毒无害、使用安全等优势。技术成果“新型磷氮硼复合木材阻燃剂的合成方法”获2002年国家技术发明二等奖。笔者团队基于前期研发的硅-镁-硼阻燃体系，研发了多相复合、高效缓释型阻燃剂，创制了多相立体屏障阻燃抑烟新技术。该复合阻燃剂能实时“感应”火场温度，通过温度感应有序释放和激活不同阻燃抑烟功能组分，构建气-液-固多相立体屏障，解决了木质阻燃材料阻燃抑烟协同性差、防火周期短的技术难题。

仿生智能超疏水一体化增效技术通过仿生荷叶结构借助微纳米空气膜隔绝水分与木材的接触，实现木材长久、智能防水。仿生超疏水表面能够支撑水滴呈球形存在，阻止水滴在木材表面铺展、渗透，且水滴滚动角低于10°，能使水滴迅速脱离木材表。超疏水表面具有较强的稳定性，其性能不受紫外照射、酸碱腐蚀等破坏影响[75]，利于木材表面长效防水。此外，通过调控超疏水结构组成还可获得阻燃、抗菌、耐老化、智能光控亲疏等多功能超疏水表面[76-79]，可以有效缓解木材开裂、霉变、腐朽、降解等系列问题，并赋予木材智能性。值得注意的是，仿生超疏水技术处理后的木材增重率可以低至4.4%，有利于降低其对木材力学性能与宏观形貌的影响[75]。李坚院士团队率先开展木材仿生智能科学研究，成功构建各类功能型、智能型仿生超疏水木材，并于2018年出版本领域第一部专著《木材仿生智能科学引论》[75]。

实体木材先进功能增值利用技术能够借助结构工程、化学处理、热改性等手段，对木材结构与组分优化设计，精细调控木材机械性能、光学性能、热学性能、流变性能等，构建出超强木材[80]、辐射制冷木材[81]、光热感应木材[81]、超级绝热木材[82]、透明木材[83-84]、柔性木材[85]等新型具有先进功能的实体木材。胡良兵教授团队率先在该领域开展了研究，并取得了突破性进展。基于去木质素协同热压新策略，他们研制的木材抗拉强度、弹性刚度、抗压强度、表面硬度等各项物理力学性能显著提高，几乎均超出天然木材10 倍以上，甚至高于塑料、钢、合金等常用结构材料，如抗拉强度高于尼龙、聚碳酸酯等塑料，比强度高于轻质钛合金[86]。该团队通过弹道试验证明了超强木材能够捕获子弹，弹道能量吸收比天然木材高10 倍，展示了其作为弹道能量吸收材料的广阔前景。实体木材先进功能增值利用技术将促进木材在能源清洁、环境修复、光热管理、纳米离子流体器件等领域的高值应用。

3.3 改性材性能与评价

木材保护与改良技术可以多方面提升木材的抗生物劣化性、阻燃性、尺寸稳定性、力学性能、耐老化性能等，改性木材的性能评价是木材性能改良的重要内容，其性能评价结果应满足相应的木材标准，如防腐木材国家标准、阻燃木材国家标准等。

改性木材性能的具体评价方法主要可以分为实验室法和实地法两大类。以木材的抗生物劣化性测试为例，实验室法是指利用温湿度可控的培养箱进行测试和评价[87]；实地法是指在自然环境中进行耐久性暴露试验和评价[88]。与之类似，改性材的耐光老化性、尺寸稳定性、改性剂的流失性也均可以通过实验室法和实地法评价。但是对于阻燃木材而言，一般仅在实验室内进行测试，评价指标包括点燃时间、火焰传播性、燃烧热和放热速度以及发烟性能等，其中锥形量热法（CONE）是最重要的对木材燃烧和阻燃性能进行综合评价的测试方法[89]。此外，改性剂在木材中的渗透性也是对木材改性效果评价的重要参数。一般而言，木材改良处理在宏观层面上要求改性剂可以在木材中均匀分布；而在微观层面上，改性剂是否能进入细胞壁也会对改性效果产生明显影响。使用扫描电子显微镜（SEM）等显微手段观测改性前后细胞壁厚度及表面的变化，是最直观观测改性剂在木材中分布的手段；对于含有特殊基团或元素的改性剂，其在木材中的分布往往可以使用显色滴定、元素能谱分析等手段进行表征[90-91]；也可利用电子计算机X 射线断层扫描技术（CT）、低场核磁共振技术（LF-NMR）等对改性剂的分布进行精准定量表征[90,92]。

4 木材重组与复合

重组与复合是克服木质材料生长缺陷、提高其利用率、拓宽其应用领域的重要方法。早在公元前3000年，人们就将木材与异质材料进行重组，制造高性能复合材料。随着近代先进加工装备与智能制造的发展，木材重组与复合研究必将为重组材原料多元化、产品功能化、生产清洁化提供重要支撑。

4.1 木材重组与复合理论基础

木材重组与复合理论主要受胶接理论的影响，研究木质单元间胶接力形成机理和解释胶接现象，指导胶黏剂研制和胶接工艺选择。胶接理论研究起步较早，早在18世纪，牛顿就对胶接现象进行了科学论述。19世纪初，Young 提出了著名的Young 方程，用于研究固液接触时的表面张力。随后，Dupre 研究了表面张力与粘附功的关系，奠定了古典热力学胶接理论基础。到Cooper 提出润湿概念后，胶接理论研究出现了高峰，从20世纪20年代起先后提出了机械结合理论、吸附理论、静电理论、扩散理论、化学结合理论等经典胶接理论[93]。其中，机械结合和化学结合是目前普遍接受的木质材料胶接理论。机械结合理论认为液态胶黏剂渗入木质材料壁腔结构等毛细管系统或凹槽内，固化后在界面区产生锚合、啮合、钩合等机械连接作用[94]。该理论强调了胶黏剂的渗透性对木材胶接质量的重要影响[95]。化学结合理论则认为胶黏剂与木材分子之间形成化学键，获得牢固的化学结合力。化学键力比分子间力高2～3个数量级，因此胶接界面形成化学键连接有利于提高胶接强度[96]。这两种胶接理论可以解释绝大部分木材胶接现象，为木材重组与复合打下坚实的基础，但也存在各自的局限性，仍需吸附理论、静电理论等理论的补充。随着胶接界面化学、胶接破坏机理等研究的推进，胶接理论继续得到完善，包括弱界面层理论、胶黏剂流变学等。尽管胶接理论逐渐从多维度、多尺度指导与解释胶接过程，但仍难以对胶接强度进行精准计算与预测。

重组材结构是决定其性能的又一重要因素，而结构设计由木质单元形态决定。实体类木质单元重组结构设计主要参考复合材料理论。对实体木材或单板类木质单元进行重组时，在综合考虑木质材料各项异性特点的基础上需遵循复合材料力学层合板理论，用于提升重组材尺寸稳定性和力学性能[97]。对此，张齐生等提出了竹木复合结构“等强度设计”准则，为各种高性能竹木复合结构产品设计和研发提供了坚实的理论基础。对于纤维板、刨花板、木塑复合材等木质重组材料，可参考纤维或颗粒增强型复合材料应力传递理论进行结构设计。该理论指出在短纤维复合材料中，纤维末端的应力传递作用显著。但在纤维板、刨花板等重组材中，纤维或刨花等微小单元的质量占比高达80%，与纤维等复合材料中基体占比较大相反，因而难以使用复合材料应力传递理论对其进行计算与模拟。此外，纤维或颗粒单元类重组材具有单元、基体和界面三方面的因素，尤其是界面状况和界面强度起着十分重要的作用，这为微细单元类木质重组材的结构与性能设计制造了极大的难度，仍需在此方面进行深入研究。

木材单元与异质材料如聚合物、无机盐等复合制备木塑复合材、木质无机人造板等木基复合材料，也是木材高质高效利用的重要方法。复合的目的是追求组分材料间性能产生“1+1＞2”的协同效应，而相容界面是产生协同效应根本原因。现阶段，学者主要通过浸润理论、化学键理论、机械啮合理论解释复合材料界面现象[98]。1963年，Zisman[99]提出两相间结合属于机械黏结与润湿吸附的浸润理论，指出浸润性有利于液相扩展到另一相表面的坑凹中，两相接触面积大，机械锚固作用强。浸润理论可解释固-液界面结合现象，但仍有许多现象难以解释。化学键理论认为两相表面官能团发生反应形成化学键结合，可形成稳定的相容界面。两相间不能直接进行化学反应，可通过偶联剂等媒介作用形成化学键。化学键理论是目前广泛接受的界面理论，可解释绝大多数复合材料界面现象。机械啮合理论建立在浸润理论和化学键理论基础上，指出在两相之间有效浸润的条件下，才能通过机械啮合作用实现界面增效。木质复合材料界面问题较为复杂，仍需要综合过渡层理论、摩擦理论、扩散理论等去解释界面现象。反之，也可以利用上述多种界面理论设计多种界面相互作用，协同构建和调控木质复合材料界面。

4.2 木材重组与复合技术

在木材重组与复合理论指导下，通过高效备料、绿色胶合、界面调控、节能成形和功能化等，可将人工速生材、小径材、枝桠材、竹材、农林剩余物等加工成各类人造板、重组木、重组竹、木塑复合材等高性能重组材料（图4）。备料是将木质材料通过机械或化学等作用加工成一定规格的木质单元并满足重组工艺要求的过程，是重组材制造的基础。目前，如何提高单元质量、降低能耗和提高效率成为备料工序的研究重点。实体木材备料研究主要体现在木段激光扫描、锯切路径高速计算、加工效率提升等方面，以最大限度提高锯材的等级与出材率。单板类备料除考虑出材率外，主要研究单板旋切质量。随着木段旋切技术的升级，现阶段木单板备料无需进行蒸煮软化处理，显著降低单板生产能耗并提高其生产效率。纤维分离的理想状态是破坏胞间层后获得单个木材细胞，根据纤维松弛和纤维层理论，主要通过纯机械法、化学机械法、热机械法和爆破法分离纤维[100]，其中热机械法是目前纤维板生产中普遍采用的方法。通过将热磨机磨盘的齿形按径向设计为破料、粗磨和精磨3 个区域，可消除粗纤维精磨过程中的表面玻璃化障碍，既提高纤维质量，又降低电耗。刨花一般采用机械切削进行加工，主要针对刨花形态控制，采用削片-刨片法，并在此基础上开发高速环式刨切技术[101]。

图4 木材重组复合理论与界面调控机制Fig.4 Wood recombination theory and interface regulation mechanism

我国木材资源相对短缺，木材对外依存度将近60%。为缓解木材供需压力，竹材、秸秆等原料不断被尝试用于木材工业。但非木材植物如竹材、秸秆、芦苇等，与木材结构及材性差异较大，现有木材加工装备难以对其进行高效备料。对此，开发非木材植物特有加工技术是制备相应重组材的关键。为制备高强度竹质工程材料，江泽慧等在获得的2006年度国家科学技术进步一等奖成果中，采用高温加压软化、密齿卡盘旋切、竹单板尼龙-金属网带干燥、集成纵向齿形接长、无纺布强化等技术对竹材进行备料。针对竹材中空、难以展平等难题，于文吉等开发了疏解-组坯一体化技术，可将竹材加工成竹束纤维化单板，便于后期运输、加工与成形。此外，竹材由于加工断面小，难以对其进行增材制造。林秋琴则通过特殊的指接技术可实现竹材无限接长，用于生产大尺度竹集成材[102]。非木材植物普遍含有髓芯、韧皮等组织，对其进一步破碎容易造成原料单元尺寸不均匀、备料过程粉尘污染大等缺陷。笔者团队通过破碎-分选一体化技术对秸秆、芦苇等原料进行备料，可显著提高分选效率和效果，为非木材植物人造板高效制造提供支撑。随着木材重组与复合原料的多样化，未来将重点对这些原料的高效节能备料技术和核心装备开展科技攻关。

胶黏剂和胶接技术在木材重组中发挥着重要作用，直接决定重组材性能和品质。实体木材单元重组普遍采用机械加工提升胶接面积，如指接、锁扣、交叉结构等，为木材单元接长、拼宽制备大型木构件提供保障。正交胶合木则通过木材单元纵横交错排列制备性能稳定的大幅面板材，显著提升重组木材平面间的剪切应力，为装配式、高层木结构建筑提供材料支持[103]。以单板或微细木质单元为原料的人造板生产中，在保证其力学强度和耐水性的基础上，环保性能是人们关注的重点。脲醛树脂、酚醛树脂等含醛胶黏剂仍然是当前人造板制造中使用量最大的胶种，为提高醛类胶合人造板的环保性，通过改变醛类胶黏剂的合成工艺、添加甲醛缩合剂等手段，使人造板达到国内甚至国外含醛人造板环保要求。张齐生等利用落叶松树皮栲胶替代60%的苯酚制作落叶松单宁酚醛树脂胶，用其生产的胶合板甲醛释放量达到国家E1 级标准要求。笔者团队通过调控酚醛树脂合成过程中苯环邻对位活性，可以提升其缩聚速度，在减少有害成分的同时降低酚醛树脂固化温度。李建章等通过对甲醛进行高效活化及脲醛树脂分子结构调控等可有效降低人造板甲醛释放量。杜官本等以三聚氰胺为共缩聚物，也可提高脲醛树脂胶黏剂的环保性。但此类方法没有从源头上解决甲醛污染问题。对此，异氰酸酯（MDI）、淀粉、木质素、大豆蛋白、单宁等被用于合成环保胶黏剂，从根本上解决了人造板环保问题。周定国等将MDI 用于稻/麦秸秆人造板的胶合，所制得秸秆人造板无甲醛释放。时君友等开发了水性淀粉基氨基甲酸乙酯（API）胶黏剂、淀粉基API 胶黏剂等环保型胶黏剂，可用于无甲醛添加人造板的制造。近年来，硅酸盐、氯氧镁、磷酸盐等无机胶黏剂得到广泛的关注，此类胶黏剂不仅具有高强耐水、环保无毒等性能，还能赋予人造板良好的防火性能[104-106]。笔者团队创制了硅-镁-钙系冷固化环保无机胶黏剂，用此胶黏剂制得的人造板无甲醛释放，并可用于各类高性能无机人造板的制造。可见，用不含甲醛的大豆蛋白胶黏剂、生物胶黏剂以及无机胶黏剂替代传统醛类胶黏剂是人造板领域未来发展的重要趋势。除了保证胶合与环保性能外，低温或快速固化胶黏剂与胶合技术是未来研究的主要方向。同时，胶黏剂分子结构解析、对木质材料的渗透过程、及其固化过程模拟等也随着表征手段的发展逐渐向多维度及分子尺度推进。此外，无胶仿生胶合也得到重视，Chen 等通过机械化学过程和流动定向组装的仿生胶合方法，制得了高度有序的超强结构木质材料，该成果发表在国际著名期刊ACS Nano 上，将人造板产品及研究推向高性能材料领域[107-108]。

成形是重组材生产的关键工序，直接影响到产品质量、生产效率和生产能耗等。冷压成形主要应用于冷固化胶黏剂生产人造板，成形效率较低，应用相对较少。热压成形过程中人造板单元、胶黏剂和水分在热力及压力共同作用下产生物理化学变化，生产效率较高，是人造板生产主要成形方式。近年来，研究人员针对热压成形工艺提出了系列节能成形技术，如板坯蒸汽/微波预热、表面增湿以及喷蒸热压等。创新热压成形技术及装备，提升生产效率和降低生产能耗是人造板低碳制造的重要发展方向。木竹塑复合材成形工艺主要有注塑成形、模压成形和挤出成形。王清文等[109]研发了木塑复合材料的挤出成型制造技术体系，将材料的聚合、熔融及成形过程同步进行，推动了我国木塑产业的快速发展。

木材重组材料存在着易燃、膨胀变形、腐朽霉变等缺陷，制约其制品的使用途径和寿命。功能化处理是解决上述问题的有效途径，还能进一步扩展木质重组材料的应用领域。阻燃剂和阻燃技术的开发对提高重组材的使用安全意义重大。目前已开发的卤系、磷-氮系、硼系、金属氢氧化物阻燃剂以及填料型、成炭型抑烟剂等，通过与木质单元直接混合或通过溶剂渗透加载等方式，可使木质重组材料达到难燃级（B1 级）。但阻燃剂与木质单元的直接混合存在分布不均匀、影响胶合等难题。有研究尝试先对木质单元进行阻燃剂浸渍再干燥的方法制备刨花板，以提升阻燃剂的分散性、降低其对胶合过程的不利影响。但阻燃剂浸渍时间较长，且对设备腐蚀性较大，从而使其成本难以控制。如何提高阻燃剂在重组材中的分散性并降低其对重组材胶合性能的影响已成为阻燃重组材研究的重点。为提高阻燃剂的环保性和阻燃能力，又相继开发了硅酸盐、层状氢氧化物、新型碳材料、分子筛类以及纳米和微胶囊阻燃剂等绿色多效阻燃剂，将其与木质单元复合后可将重组材的防火等级提高至难燃级（A2 级）[110]。笔者团队首创了NSCFR 阻燃剂和NCIADH 无机不燃胶黏剂，克服了木质材料与无机物间相容性差的难题，实现了木基复合材料阻燃水平接近“无烟不燃”级。

重组木材中含有大量亲水性羟基，导致其尺寸稳定性差。对于大型重组木材，通过碳化、乙酰化疏水改性、表面涂饰等方法一定程度保证了其尺寸稳定性与耐久性。对于人造板、木基复合材料等重组木材，现阶段主要通过添加防水剂或提高胶黏剂的防水性能以提高其防水防潮效果。防水剂主要为石蜡等疏水物质，通过封闭水分在重组材中的迁移路径来实现其防潮效果。当前防水剂研究主要集中在提升防水剂分散性方面，包括微乳化、微胶囊等技术，逐步降低防水剂液滴尺寸，用于提高其对木质单元亲水基团的包覆效果和对毛细管道的封闭作用，最终提升重组材的防潮性能。但防水剂的添加对重组材防潮或防水性能提升有限，室外或耐候型重组材制造仍需使用耐候型胶黏剂，或在胶黏剂中引入高交联度及性质稳定的高活性分子实现胶黏剂网络结构的优化。而在重组材表面涂饰具有防潮阻水的隔离层，也可有效降低其吸湿吸潮性。通过在重组材表面构筑连续的微纳二元微凸结构，则可赋予重组木材与荷叶一样“出淤泥而不染”“滴水不沾”的超疏水功能，这也是未来发展的重要方向。此外，木材重组材料的制备还可引入其它功能材料、并通过结构设计和后期加工等制备系列功能型重组材，包括电磁屏蔽、保温、隔音、储能等[111]。

4.3 木材重组与复合装备

木材重组与复合装备的研制与创新对于推动木材加工行业的发展意义重大。建国初期的大部分木材加工、重组以及人造板生产设备都由国外引进，使得我国人造板产量直至1980年仍然不足100 万m³。在消化吸收国外先进技术的基础上，我国开始大力推进国产设备的开发和制造。在此背景下，我国人造板产业飞速发展，当前年产量已达3 亿m³，是全球最大的人造板生产、贸易和消费国家[112]。木材重组与复合装备根据其单元尺寸、加工工艺、重组结构、胶接技术等要求的不同而差别较大。

受木材材质均匀性、胶接工艺、产品结构、机械性能要求等影响，大尺寸实体木材重组装备的自动化程度相对较低。这类产品包括胶合木、正交胶合木等，对原料单元具有较强的选择性，且主要采用冷压锁模成形，生产效率较低，开发实体木材无损检测、自动拼接与高效成形是其研究方向。单板类重组木材的装备自动化程度较实体木材高，单板可通过木段旋切进行连续化生产。自1840年美国人John Dresser 获得第一台木段旋切机专利以来，目前国外的主流旋切设备是液压双卡轴旋切机，通过配套激光定心机、自动进给旋切刀具、分选及喷气式干燥系统等实现对木段的高速自动旋切、单板分选与干燥，生产效率较高。我国于上世纪90年代初期推出了无卡轴旋切机（国营江西第三机床厂），并在此基础上不断进行技术改造与升级，旋切的单板厚度范围、表面质量和旋切速度等均达到世界先进水平，旋切加工要求的木段直径及旋切剩余的木芯直径不断缩小，显著提高了木段利用率与出材率，促进我国以人工速生林为原料的胶合板工业蓬勃发展。此外，单板类重组材的自动组坯、整张化、以及连续成形等技术将有望实现其连续化生产。

小尺寸木质单元重组与复合装备在重组材制造乃至整个木材加工领域内的自动化水平最高。木质刨花板、纤维板生产线的单线年产能逐渐增大，规模化制造已成为趋势。产能扩大主要得益于木质单元加工、干燥、铺装、成形等各类装备的发展。纤维备料的热磨与带压系统及管道式气流干燥设备的应用显著提高绝干纤维产率及水分蒸发能力，促进了纤维板生产由传统的湿法工艺转变为干法工艺。刨花板环式与盘式刨片设备的推出，不断提升木质原料切削速度与精度，高效制造精细刨花。结合单通道辊筒式干燥机，综合运用气流与接触式加热联合干燥，显著提升刨花干燥能力，保证高质刨花原料的供应。纤维与刨花形态及含水率控制是木质单元备料设备开发的重点。木质纤维均匀性较好，普遍采用机械铺装设备；刨花根据其形态及尺寸可以通过设计分层结构不断优化产品性能。当前普遍使用机械-气流联合铺装系统来提升刨花板的层级结构，但对板材三维方向的层级结构精准控制仍然是难点。此外，决定人造板单线产能的核心关键热压成形设备也由原来的挤压、辊压、多层热压等发展至连续平压。我国在刨花板、纤维板等装备研制方面起步较晚，最初通过引进、测绘、仿制的办法实现各类加工装备的国产化。近年来，我国不断推出连续平压和辊压成套设备，填补了国内不能生产连续人造板制造装备的空白，并实现成套装备对外出口。目前，我国新建的大产能人造板生产线中有超过一半以上使用国内自主研发的核心装备。以木材为原料的人造板已基本实现从原料到产品全过程的自动化生产。

而在以非木材（秸秆、竹材、芦苇等）植物为原料的人造板装备制造中，我国通过自主创新，先后推出了系列专用加工装备，包括竹材精细化疏解、秸秆收集与打包、以及原料破碎分选一体化装备等，相继攻克非木材植物单元加工、分选、自动化程度低的技术瓶颈，达到世界领先水平。此外，大幅面单层热压以及自动冷压锁模等装备的研制，持续推动着非木材植物人造板产业的发展，为践行我国木材安全国家战略做出重要贡献，同时创造了显著的经济、社会和生态效益。随着人工智能和5G 技术的推出，人造板加工装备将在原料仓储、运输、板材缺陷识别、设备自动调节等方面进行全面升级，实现智能制造。

5 木制品与木结构

木材及其制品伴随着人类的发展从远古走向现代与未来。以木质家具、建筑等为代表的木制品与木结构经过数千年的发展已经成为人们生活不可缺少的部分。早在新石器晚期，中国就有了盘、案、俎等木质用品与家具。随着木制品种类的增加，宋《营造法式》将传统家具、室内装饰等归于小木作，即木制品的范畴；同时将房屋、桥梁等归于大木作，木结构则属于此类。现代技术的发展，促进了木制品由传统的“小作坊”生产发展成为具有大规模、大批量、定制化、数字化、智能化生产的模式。与此同时，木结构具有绿色环保、抗震等方面的优势，在建筑业发展过程中形成了以轻型木结构、重型胶合木结构和木混结构为代表的现代木结构体系，正向低碳、绿色、可持续化方向发展。

5.1 木制品

木材所具有的美丽色泽、自然肌理是其他材料无法比拟的[113]。家具作为木制品的典型代表，早已成为日常生活的一部分。我国的家具可追溯到公元前17世纪，从隋唐之前的“席地而坐”、之后的“垂足而坐”，到代表传统中式家具巅峰之作的明清家具，经过了数千年的演化而成为了中华民族文化与艺术的重要载体。如今，我国也已成为世界家具生产和出口大国。在西方，其古代家具也主要经历了古希腊、古罗马、中世纪、文艺复兴、巴洛克、洛可可、新古典等风格和样式的演变，并发展到如今的现代家具。在家具的发展进程中形成了多种代表时代、地域、民族等特色的风格与流派[114]，如“德国青年风格派”“包豪斯”“高技派风格”等，这些均是木制品在人类文明史上留下的璀璨篇章。

现代木制品从材料选择、造型与结构设计、制造加工装配等无不体现出传统文化艺术与现代科技的交融。在家具设计方面，采用将传统文化元素提取、优化后进行重构等方式赋予家具产品浓厚的文化气息，折射出艺术的光芒，如具有典型代表性的新中式家具已经形成为一种风格。而将工效学负荷理论、感性工学、人体测量学、人体力学等理论运用到家具设计之中，实现了科学性、功能性与舒适性完美结合[115]。在产品结构设计上，传统的榫卯、32mm 系统等除了实现连接之外，还被赋予装饰、高效装配等新功能。而采用ANSYS、Abaqus、Hypermesh 等有限元软件分析、模拟与优化[116]，为产品设计提供了科学依据。与此同时，沉浸式VR 技术、Unity 3D、CAVE 洞穴式等虚拟仿真技术的应用使设计从平面变成三维，满足用户体验需求[117]；3D 打印技术的实施则将设计从图纸快速变成三维模型与产品，极大的缩短与简化了设计流程。

在材料选择上，低VOC、安全环保倍受关注。传统的实木、空心板、刨花板、纤维板等在木制品设计与制造中虽仍被广泛使用，但也正被赋予新的要素。如Wang 等[118]制备的深度疏水木材可解决实木家具在潮湿环境中易霉变、变形的问题；Hao 等[119]研制的空心板在保证强度的同时可减少自重，为减量化和轻量化设计提供了物质条件；Wu 等[120]研制的具有阻燃抑烟的功能人造板为消防安全提供了保障。这些以疏水自洁、防潮、阻燃、轻质高强等为导向的新型木质复合材料将成为木制品设计与创意的重要方向，并日益展现出优异的市场前景和商业价值。

在制造与装备方面，建立在大数据、物联网、互联网、云计算基础之上的数字化与智能化技术在柔性生产、精益生产和清洁生产等方面发挥着重要作用，促进家具生产从大规模定制向小批量、多品种、个性化转变。同时，以绿色和生态经济为导向的材料运用、工艺优化、质量管理、过程控制及产业工程研究不断深入，工业4.0 技术在木制品生产中逐步得实现，生产与加工正由制造向智造转变。Yao 等[121]研究了包括设计、加工过程、制造装备及生产管理等家具数字化制造技术；Hu 等[122]探讨了智能化家具模型、智能化设计信息交互与处理、智能化拆单加工及智能化信息展示等智造关键技术对现代家具产业的影响；Xiong等[123]分析了ERP（Enterprise resource planning）在定制家具中的作用，并构建了关键技术体系平台和架构模型。Buehlmann 等[124]提出基于成组技术优化的裁板方法，在提高材料利用率的同时使个性化定制更加简洁。同时，基于互联网、大数据、智能制造等技术的应用将家具装备提到了一个新的高度：由智能精密开料电子锯、数控精密CNC、激光封边机、高效识别与搬运分拣系统、智能化仓储系统的连线整合而成的柔性制造系统，实现了自动开料、机器人分拣、自动封边、自动包装等智能化生产。与此同时，将前端用于设计的CAD、3D MAX、Rhino 等与后端的信息化管理平台以及相应的生产管理软件（如酷家乐、3D Golden、Cut Rite 等）对接，实现数字化设计、数字化制造及数字化管理技术交叉、融合与集成，将板式家具的生产向无人化推进。此外，木制品的涂料与涂装技术不断提升，高固含量的UV 树脂、高交联密度的水性树脂、植物提取物涂料以及环境友好型的粉末涂料逐步得到推广[125]；涂装设备和技术也向着绿色与智能涂装发展，数字化中控系统、智能传输翻转系统、自动喷涂系统的应用使得木家具涂装向高效率、低成本、高质量的智能化方向发展[126]。

5.2 木结构

木结构在我国具有悠久的历史，传统的木结构有抬梁式木结构、穿斗式木结构等。应县木塔、悬空寺的榫卯结构以及天安门城楼和故宫的斗拱等均是中华民族文化与智慧的结晶。传统著作《营造法式》和《工程做法则例》都有关于大木作的相关内容，并记录了各种建筑样式的做法。近年来，现代木结构发展迅速，相关标准和规范也逐渐完善，GB/T 51233—2016、GB/T 51226—2017和GB 50005—2017 等标准的颁布为我国现代木结构的发展提供了技术准则，促进了木结构的快速发展。同时，木结构在发达国家应用也非常广泛，北美和欧洲有着数量巨大的木质桥梁与建筑。位于挪威Bergen 的18 层Mjøstårnet 就高达49 m，是目前世界上最高的木构建筑，以实物证明了高层木结构建筑的可行性和安全性。

现代材料与建筑科技的发展将木结构推向了一个全新的发展阶段，基于绿色、安全理念的现代轻型、高层及木混合等木结构多基于“节能型”和“装配式”设计理念[127]，将预制化与模块化技术运用其中，不仅从环保与美学的角度诠释木质天然材料、大跨度架构、多层次空间等所带来的舒适、美感与震撼，也使之成为技术与艺术交融的殿堂。在材料方面，正交胶合木（CLT）、层板胶合木（GLT）、层板钉接木（NLT）、单板层积材（LVL）等一类材料具有比强度高、安全系数大、可以预制加工等优势而被用于木结构的梁柱、楼板和墙体的建造。同时，针对木质材料燃点低、易腐朽、虫蛀等不足而开展的阻燃、防腐、防潮、防虫等科研工作取得了巨大成就：Guo 等[128]研究了可用于木结构的非生物灭菌保鲜的TiO2/Ce 干凝胶；Singh 等[129]探索了LVL、OSB（定向刨花板）和CLT 的耐腐性；而透明木器阻燃涂料的研发在提高木结构防火等级的同时更能充分展示木材的天然属性。在结构方面，以有限元为代表的数字模拟与分析在木结构设计中得到广泛应用：Li 等[130]开展了荷载作用持续时间对木结构设计影响的研究；Chen 等[131]研究了可用于数字模拟木基材料和连接件基于温度塑性损伤的本构模型；Peng等[132]提出了轻型框架木剪力墙结构横向荷载分析的简化方法；Xu 等[133]采用有限元模型模拟了不同荷载作用下木材节点的非线性行为，预测了节点的刚度和破坏载荷。而在齿板、销钉、螺栓、植筋与粘钢等结构广泛使用的同时，新型的连接系统与装配构件正被快速开发：如Polastri 等[134]分析了X-Rad 连接器的滞回特性与抗剪抗拉性能；Hashemi 等[135]使用了弹性连接以增强木结构的抗震性能，这些新型结构与构件更有助于木结构安全性能的提升，也为材料的合理选择、结构的优化设计提供了科学方法。今后，为了更好地促进现代木结构的发展，还需要进一步加强结构计算、设计方法、木结构防护、原材料培育和加工等方面关键技术的研究与创新。

基于上述最新研究成果，奥地利维也纳正在建造的24 层混合木结构“HOHO 维也纳大厦”即将竣工，法国和美国正在规划35 层和42 层的木结构建筑，英国也提出了建造30 层木结构建筑的设想。

由此可见，木结构将向着更高层、更安全、更快装的方向发展。图5中展示了木制品与木结构发展与演变的过程：从半坡遗址发掘出的木质榫卯结构到文化底蕴深厚的明清家具，从结构精妙的斗拱到气势恢宏的木结构建筑无不彰显着木材文化的传承与科技的进步。

图5 主要木制品与木结构的演变Fig.5 The evolution of main wood products and wood structure

5.3 安全与评价

由于木制品和木结构与人们的生活休戚相关，其安全性和可靠性尤为重要。对木制品和木结构进行安全分析和评价是保证质量和安全的重要方法，也是指导其设计、建造的重要科学依据。安全与评价的内容包括：材料性能、生命周期、结构强度等方面。

木质材料具有天然的色彩、质感、机理、环保可再生等优点，但也存在诸如燃点低、耐久性较差等不足，且人造板等还可能存在甲醛释放等隐患。针对这些问题，科学家们开展了防腐、防潮、防虫蛀、阻燃等研究：Wang 等[136]研究了阻燃胶黏剂在胶合板中的应用；Fernàndez-Costas 等[137]研究了用酶接枝木材的抽提物来对木材进行保护。为了解决人造板中可能存在的甲醛释放超标问题，新型的低醛胶黏剂、生物质胶黏剂、无机胶黏剂等正在代替传统的三醛树脂：Jin 等[138]研究了一种低成本、无甲醛、高阻燃性的木材用无机胶粘剂；Wang等[139]研究了高效导热生物胶在绿色胶合板生产中的应用与能耗。同时，在无胶胶合方面也取得了重大进展[140]。这些研究成果成为改善木质材料耐久性、降低燃烧风险、减少甲醛释放的重要科学依据，也为木制品和木结构的基材安全提供了保障。

无论是家具之类的小件木制品还是气势恢宏的木结构建筑，稳固的结构是保障安全的前提与基础。为了给木建筑建造提供技术支撑，将科学的设计与评估方法贯穿于产品的整个生命周期将成为一种常态。采用产品生命周期评价（LCA）方法可以在设计之初就对材料、结构、安全和环保性进行评估，如Medeiros 等[141]以办公柜为例对家具生命周期进行研究；Wijnants 等[142]基于生命周期评价方法对木结构墙体和屋顶进行了分析，这些均能够为木制品和木结构的设计和制造提供支撑。

同时，木材具有各向异性，加之存在天然缺陷，这些均易造成安全问题，而地震、飓风等自然灾害也会造成木结构的破坏。此外，在长期荷载和自然环境的影响下会造成木材性能下降，易导致木制品和木结构产生不同形式的破坏，如构件变形与开裂、材料腐朽、节点松动等。因此，对木结构的安全评估是保证建筑安全性、结构修复加固的前提，传统的方法主要采用有损材性的试验和现场构造调查。目前，先进的无损检测技术，如超声波、木材阻抗仪、X 射线以及核磁共振等被应用于木结构的安全检测，能够准确、迅速的评估损伤情况和木结构缺陷的位置。Llana 等[143]研究了用4 种无损技术测试木结构的密度来评估材料力学性能的方法；Ge 等[144]采用X-射线、CT 成像技术对木材的结构进行无损检测，探究木结构中的孔洞、裂纹等缺陷。Taskhiri 等[145]利用超声波对桉树内部的缺陷进行无损检测。上述检测与分析技术为木结构的使用提供了安全保障，也为木结构增强与抵御自然灾害的设计提供了科学依据。

6 木材解离与组装

木材纤维资源丰富，天然可再生，可生物降解，木材纤维特殊的晶体结构赋予了其良好的力学性能，使其在木材细胞中扮演骨架材料的重要角色。通过物理化学方法打开纤维素分子链，可获得直径在纳米尺度的纳米纤维。自20世纪50年代，将纤维素浆解纤为纤维素纳米纤维以来，采用“自上而下”的方法从植物细胞壁以及其他有机体中生产纳米纤维得到广泛研究。这些纳米纤维具有精细的纳米结构、高反应活性、大长径比、可生物相容、绿色可再生等特性，使其在结构设计、新型功能材料等领域的应用得到前所未有的发展。

6.1 木材纳米解离

以植物纤维为原料制备的直径在100 nm 以内的纤维材料统称为纳米纤维，主要有纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystals，CNC）和纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibrils，CNF）。CNC 是通过强酸水解纤维素的非结晶区后获得的纳米纤维，早在1951年就被成功制备[146]。CNC 结晶度高，直径与CNF 相似，但是其长径比差距明显。CNF是另一种重要的木材纳米纤维，具有丰富的表面活性基团和大的长径比。制备过程不同，纳米纤维的形貌、尺寸、表面化学基团、结晶度以及聚合度等均不同[147-148]。

在制备纳米纤维时，通常以脱除了木质素和半纤维素的纸浆纤维为原料，最早以常用的高压均质法等机械法为主。Herrick[149]和Turbak 等[150]在1983年首次报道了利用均质法制备纤维素纳米纤丝（CNF）悬浮液。从此，均质机被广泛用于制备CNF。在此基础上，微射流法、研磨法、超声法等其他机械法陆续被开发出来。在机械处理过程中，高压产生的剪切力对纤维素产生反复的剪切和冲击作用，从而获得直径在纳米级的CNF。然而，由于纤维素表面丰富的羟基形成了大量的氢键，导致在机械处理过程中打开这些氢键需要消耗大量的能量。为了进一步提高纤维的解纤程度，降低能量消耗，对纤维素表面进行酶水解处理或者化学处理是行之有效的方法。

内切葡聚糖酶、纤维二糖酶等纤维素酶可水解部分纤维素制备纳米纤维。不同酶种类和不同酶浓度对CNF 的形貌、聚合度等都有影响。酶浓度的增加会促进纤维素的纳米解纤，降低纤维素的聚合度。然而，微生物合成是一个复杂难控的过程，因此纤维的产量与特征差异较大，且制备的CNF 尺寸不均匀。因而，化学预处理法被开发出来，且得到快速发展。化学预处理不仅能在纤维素表面引入电荷，促进纤维素纳米解纤，减少能量消耗，而且能在纤维素表面生成新的活性官能团。TEMPO 氧化处理可将纤维素分子链C6 上的羟基氧化为活泼羧基，使得纤维素表面带负电荷。Saito 等[151]率先发明了TEMPO 氧化法制备CNF。TEMPO 处理后，再经机械处理，成功获得分散均匀的CNF 悬浮液，并对CNF 的微观结构、表面性能、化学官能团等展开了系统研究。利用硝酸/亚硝酸联合处理以及高碘酸处理也可获得羧基化的CNF。其他化学处理法，如羧甲基化、磷酸化、磺乙基化、阳离子化等技术都被开发出来[152]。

上述机械法和酶水解制备的CNF 表面没有引入化学基团，限制了CNF 的化学改性处理。而强酸水解、磷酸化、磺乙基化等需使用强酸和有毒化学试剂，且制备过程复杂。TEMPO 氧化预处理制备的CNF 表面带有丰富的羟基和羧基，为CNF的功能组装与异质复合提供了有利条件。纯纤维组分的纳米纤维具有良好的力学和光学性能，为了实现生物质资源的全组分利用，含木质素、半纤维素和纤维素全组分的纳米纤维也成为木质纳米材料一个重要的发展方向。相较于纯纤维素纳米纤维，全组分木材纳米纤维在机械性能、界面相容性、电化学等方面表现出优异的性能[153]。

6.2 木材纳米组装与复合

CNF的大长径比增加了其柔韧性和缠结倾向，相互缠绕的CNF 能自组装成网络薄膜。同时，CNF 表面丰富的羟基和羧基等活性基团可通过氢键、共价键或离子键等键合作用组装，或通过化学吸附以及物理缠绕作用等与纳米粒子、聚合物、无机物、纳米碳材料等形成异质复合，组装设计新型功能材料[154]。

在失水状态下，纳米纤维可在氢键、范德华力等作用下自组装形成薄膜。高结晶度的CNC 溶液达到一定浓度时会自发有序排列，形成胆甾相液晶，具有特殊的光学性能，可调控制备具有虹彩光学性质的新型复合薄膜。CNF 具有大长径比和丰富的羟基，通过氢键结合，可形成稳定致密的膜结构。纳米纤维组装方式决定了薄膜的微观结构和性能。纳米纤维薄膜不仅具备优异力学性能和独特的光学性能，还可调控使其具备智能响应性，在光电材料、生物薄膜、防伪印刷等领域应用前景广阔。

将木材纳米纤维网络结构中的溶剂去除，即可获得低密度、多孔气凝胶材料。纤维原料、CNF浓度、溶剂的表面张力以及干燥方式都会影响CNF 气凝胶的网络结构、比表面积以及力学性能。采用乙醇、叔丁醇等表面张力小的溶剂分散CNF，可以获得高比表面积和网络结构的CNF 气凝胶。特别是叔丁醇在干燥过程中表现出较低的表面张力效应（毛细管作用），可以使气凝胶获得较高的比表面积[155]。在保护气下，高温活化可将CNF 气凝胶转化为多孔碳气凝胶，得到的碳材料具有超低的密度、高比表面积和高导电性。以CNF 碳材料载体衍生的纳米碳材料已经被应用于锂离子电池、锂硫电池和钠离子电池等储能装置。

纳米纤维异质复合过程中，羟基、羧基等活性基团及其网络结构可将金属氧化物、金属纳米粒子等瞄固在CNF 分子链上。纳米纤维还可以通过分子间和分子内氢键网络，与有机聚合材料形成复合材料，组装成紧密、高强度和高刚度的结构。CNF 已与多种聚合物复合，如聚（苯乙烯-共-丙烯酸丁酯）、聚（醋酸乙烯酯）、聚（环氧乙烷-共-环氧树脂）和环氧树脂等。纳米纤维尺寸、长径比、浓度、取向、与基体的粘附以及有效的界面应力传递都会影响纳米纤维复合材料的性能。纳米纤维由于其比表面积大、力学性能好、生物降解性好、绿色可再生等优点，已经成功取代了许多传统材料，应用于聚合物增强改性。

6.3 先进木质纳米功能材料

纳米纤维精细可调的网络结构和丰富的表面活性基团为先进功能材料的合成与设计提供了基础。对木材纳米复合功能材料的学术研究已成为国际前沿，且CNF 的工业生产正在迅速扩大，这促进了许多研究者对CNF 功能材料的探索。近10年，CNF 已广泛应用于光、电、磁、热等先进功能材料领域（图6）[152,156]。

图6 木材纳米解离与功能重组Fig.6 Nano-dissociation and functional reorganization of wood

纳米纤维直径降至10～50 nm 时，约为可见光的1/8，从而对光的散射与吸收发生改变，使得透光性得到明显提升。基于纳米纤维良好的透光性能，具有可逆光致变色效应的导电纳米纤维复合薄膜被设计出来，该薄膜具有光响应特性，在人工智能、光电子晶体管等领域应用前景广阔。CNC 手性液晶结构是纳米纤维中另一种有趣的现象，通过CNC 表面电荷密度调控液晶螺距，可以调控出薄膜的彩虹色。将CNC 与表面活性剂共组装，制备具有可控胆甾结构的柔性彩虹膜，为纳米纤维素膜的应用提供了新方向[157-158]。

纳米纤维材料以其高透水性、高比表面积、良好的力学性能和丰富的表面化学基团在催化吸附领域被关注。纳米纤维复合薄膜具有较高的水通量和溶质截留率，对于水的净化具有重要作用。将功能基团如氨基、巯基等接枝到CNF 表面，可与金属离子形成络合配位、螯合反应和离子交换等化学作用，显著提高水中金属离子的吸附率。酶磷酸化纳米纤维素吸附剂可有效去除工业废水中99%以上的Cu2+、Fe3+。纳米纤维素膜和气凝胶也被用于净化空气，研究发现CNF 薄膜可有效阻隔CO2，从而将CO2和N2、CH4有效分离。纳米纤维天然的网络结构可作为模板和载体设计新型绿色功能材料[159-160]。通过化学反应，纳米颗粒如镍、钴、铁、金属氧化物、硫化物、磷化物等以纳米纤维为模板，形成具有独特吸附性和催化性的功能材料。以CNF 为模板制备的TiO2纳米管，在纳米纤维的毛细管作用力下，太阳能转化效率提高一倍多。

纳米纤维的网络结构，也为电子和离子的传递提供了“绿色”通道，使其在电催化产氢和新型储能器件领域独具优势。木材纳米纤维薄膜可作为电池隔膜，调控其孔隙率、表面官能团等可获得高电子和离子传导率。纳米纤维与碳材料、金属氧化物、导电聚合物等复合后，可制备正极材料、负极材料和隔膜材料等，有望替代泡沫镍、碳布等柔性集流体。目前，基于木材和木材纳米纤维已经开发了全木材纳米纤维基超级电容器，实现了木材纳米纤维在储能器件领域从隔膜到电极材料的全方位应用[161-162]。纳米纤维碳化活化后，其三维多孔结构可显著促进三相界面（催化剂-电解液-气体）的电催化反应，极大提高电催化分解水产氢效率[163]，这也是未来开发新型纳米纤维基电催化材料的新方向。

相互交织的纳米纤维常以水凝胶的形式存在。纯的纳米纤维水凝胶其强度较差，通过物理和化学方法将CNF 与聚合物复合可形成高强水凝胶材料，且能随外界环境（温度、pH 值、磁场和电厂等）的刺激而产生变化，表现出对环境的响应性，使其在生物医学、食品、组织工程等领域具有广泛的应用前景，成为目前水凝胶材料的一个重要分支。木材纳米纤维以其优异的性能广泛应用于绿色储能、光电催化、光学材料、水凝胶和气凝胶等领域。除了对纳米纤维复合材料结构和性能的研究，还应考虑其耐久性、生物稳定性/生物降解性、耐水/湿度性、耐候性、耐热性等综合性能，以实现纳米纤维素在各种条件下的实际应用，促进其产业化发展。

7 木材解构及转化

木材作为一种量大、分布广、绿色可再生的生物质资源，将其转化成生物能源及化学品等，可替代石化资源，是全球生物经济的战略方向。由于木材三素复杂的超微结构及异质化学组成，在其转化前需经解构预处理以提高转化效率降低成本，为三素高效定向解离与解聚建立基础，并依据三素解构产物特性，分级精炼生产能源及化学品等，实现资源的多级化利用，可为绿色发展提供强大的可持续性物质基础（图7）。

7.1 木材解构基础

木材三素解构预处理是实现其分级转化利用的前提。由于木材在细胞壁、细胞、组织及器官水平对化学及酶降解具有较强的生物质抗降解屏障（biomass recalcitrance）[164-165]，极大地限制了三素解构效率，增加了解构成本。解译与破除生物质抗降解屏障是木材三素解构的核心理论基础与技术瓶颈[166-167]。

近30年来，国内外学者对生物质抗降解屏障形成的物理因素（颗粒度、比表面积、孔径及孔体积、聚合度等）及化学因素（木质素、半纤维素、乙酰基组成及含量等）进行了大量的研究[168-170]，提出了木质素在纤维素微晶面上沉积而造成纤维素酶水解的“交通阻塞”等理论[171-172]，归纳出了破除抗降解屏障的两大作用机制：破坏植物原有组织、细胞、细胞壁水平的致密结构，增加孔隙率，降低传质阻力；去除木质素和半纤维素，增加纤维素的可及表面[173]。开发出了机械粉碎、球磨等物理法，稀酸/碱、有机共溶剂、离子液体等化学法，蒸汽爆破、水热等物理化学法，酶法等生物法破除抗降解屏障预处理技术，其中最新研究证明四氢呋喃及戊内酯等溶剂预处理技术被证明更经济有效[174-177]。此外，Chundawat 等[178]在室温条件下用氨-硫氰酸铵盐预处理微晶纤维素，显著提高了铵盐离子通过亲水通道进入纤维素纤丝的能力，加速了在超低酶载量条件下可溶性糖的释放速率，并首次提出了“纤维素预活化”假说，为木材三素解构提供了新理论。但由于木材细胞壁的多元性，仍需对解构的理论基础和技术手段进行更深入的研究。如在强化现有表征木材三素结构和化学组成基础之上，辅以基于水分子的保水值、润湿角等特性参数及水化熵值变化，从纳米和宏观尺度特性解译生物质抗降解屏障[179]。借助机器学习方法，对现有数据进行挖掘与整合，设计更复杂的模型来预测抗降解屏障组成及三素转化过程的动态变化[180]。同时，由于不同解构预处理策略下木材三素的作用位点各异，经解构后暴露出的基团差异性显著，借助“假说驱动”（hypothesis-driven）经典理论，探究解构过程中三素的分子动力学、反应热力学等性质，模拟三素本体及解构过程中的聚集结构及构象变异机制，已成为国内外研究的新方向[181]。代表性的有房桂干研究员团队揭示了混合材高效解构过程中木质素迁移和纤维表面玻璃化机制，技术成果获得2019年国家科学技术进步二等奖。

图7 生物质绿色转化主要途径与产品Fig.7 Major ways and products of green conversion of biomass

7.2 木材转化技术

开发利用木材等生物质资源替代石化基化学品和燃料已成为实现全球“碳中和”战略的重要途径[182]。美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）从各类资料中收集了超过300 种可能的生物质化学品，并建立了存取数据库。该数据库包括化学名称、结构、生物质原料的来源、当前和潜在的生产过程等信息。筛选标准包括原料成本、估计的加工成本、当前市场数量和价格，以及与当前或未来生物精炼厂操作的相关性[183-184]，为木材等生物质转化提供了重要基础。

纤维素和半纤维素均属于多聚糖超分子化合物。半纤维素因结构简单并处在微纤维之间而较易被转化为化学品，可采用酸、碱、汽爆、水热处理等物理化学方法或生物酶法来实现。主要产品有低聚功能糖、木糖、阿拉伯糖等，以及在处理过程中的副产物糠醛等化学品[185]。在纤维素的降解方面，早在1910年利用木材酸水解生产乙醇，并先后在美国和苏联建有工厂，我国在20世纪60年代引进苏联设备建成工厂，后来均因生产成本偏高而关闭[186]。经过数十年发展，因高选择性、条件温和、环境友好等优势，利用纤维素酶进行定向生物催化木质纤维来获得葡萄糖被认为是最理想的方式，并可进一步生物发酵转化为乙醇、丁醇等燃料[187]。陈介南教授团队[188]以杨木等为原料，采用多酶协同糖化多菌种共发酵技术，较早建立了木质纤维生物共转化燃料乙醇技术，并进行了产业化示范。“十三五”以来，我国启动了多项重点研发计划项目，重点攻关林木等生物质高效转化燃料乙醇及高值副产物技术，为实现生物质综合效益最大化、加速推进产业化提供支撑，且取得了一系列创新成果。孙润仓教授团队发明了木质纤维生物质抽提物溶出调控技术、细胞壁组分拆解技术、生物质木质素高强度耐候胶黏剂制备技术，创建了木质纤维生物质多级资源化利用关键技术体系，成果获得2016年国家技术发明二等奖。

木质素转化是木材等生物质高效转化与产业化增值的关键。作为自然界最丰富的可再生芳香族化合物来源，木质素的高值化利用是生物质转化研究的重点与热点[189]。木质素结构复杂，难以解聚且选择性低。木质素的降解有化学法、生物法等。目前，被认为最接近产业化的方法是化学法[190]。利用化学法降解木质素，可以高得率、高选择性地得到目标芳香族产物[189]。从反应体系组成来分析，化学降解重点考虑溶剂和催化剂的选择，溶剂主要包括水、有机溶剂、离子液体三大溶剂体系[191]；而催化剂从最初的液体酸、碱、固体酸，发展至目前常用的自行合成的复合型催化剂，如有机/无机的金属复合催化剂等[192]。根据催化反应机理来划分，木质素化学催化降解的反应主要可以分为裂化、水解、催化还原和催化氧化反应[193]。在这四大反应中，由于还原和氧化反应的目标产物较易控制，因此受到更广泛关注。相比较而言，还原反应主要生成一些简单的芳香族化合物，而氧化反应趋向生成含有一些功能基的复杂化合物[194]。近年来，木质素优先的生物精制理论，被认为是可实现大规模利用木质纤维素的有效途径[195-199]。木质素优先的方法溶解来自天然生物质的木质素，同时避免缩合反应而导致更多的难以降解的木质素聚合物。这种活性稳定作用可以通过反应中间体的溶剂分解和催化转化为稳定产物，也可以通过木质素低聚物或反应单体的保护基团化学反应来实现[200]。

7.3 木材高值产物与应用

生物定向催化、化学高效催化或多级协同转化等关键技术的开发为木材定向高值转化提供了技术基础。木材等生物质转化可获得种类多样的高值化合物，且部分已产业化，其应用涵盖了能源、平台化合物、医药保健品、化妆品等多行业。

由半纤维素转化而来的木二糖等低聚木糖具有强身健体、调理肠胃等多重功效，产品附加值极高[201]。余世袁教授团队开发了以低聚木糖为核心的农林废弃物高值利用、低聚木糖高效生产等关键技术，并在国内外首次将低聚木糖作为饲料添加剂在畜禽和水产品上大规模推广应用，成果获得2006年度国家技术发明二等奖。同时，由半纤维素获得的木糖醇、阿拉伯糖醇、糠醛、戊二醇等可作为重要的功能食品、平台化合物等大量使用[187]。木糖醇、阿拉伯糖醇由相应的糖加氢衍生而来，山东龙力公司已建立玉米芯、杨木等为原料的年产6 000 t 高纯度功能糖的生产线，产品主要应用于大众喜爱的木糖醇口香糖等健康食品。

纤维素的转化产物中，有乙醇、丁醇等典型的能源化合物，乙醇同时也是重要的平台化合物。由葡萄糖生物转化获得的酪醇及红景天苷等高值心血管药物前体，市场价高，需求量大[202]。另外由纤维素转化而来的还有羟甲基糠醛、LA、GVL、FDCA、二醇、乙酸、液态烃类等高值化学品和液体燃料[191]。山梨醇是葡萄糖的加氢产物，基于间歇技术和雷尼镍催化剂，保证了葡萄糖的完全转化，已进行商业化生产，年产量达亿磅，产品应用于食品、化工等行业，并可进一步脱水、加氢脱氧获得异山梨醇和正己烷等高值化学品[183]。

木质素基转化产物，同样有如香兰素、紫丁香、酚、芳烃、对苯二甲酸、N、N-二甲基苯胺等平台化合物、食品香料、化妆品等多种类多用途产品[196]。李雪辉教授团队通过发展新型催化剂体系，选择性打破木质素分子内含苯环的结构单元并耦合原位酯化等强化模式，构建了木质素高效解聚并选择性转化为马来酸二乙酯途径[189]。童朝晖教授团队使用低成本的过硫酸盐/芬顿催化剂等，在温和条件下，实现了木质素的高效氧化催化解聚，获得丁香醛等高值产物，并采用密度泛函理论（DFT）探明了降解机理[194-195]。朱俊勇教授团队采用固体酸作为助溶剂，处理杨木等原料，应用木质素优先理论，实现了木质素低聚物、糠醛、纳米纤维素等多产品的协同转化[196,199]。

目前，木质素高选择性定向降解技术、生物质温和反应体系及可重复使用催化剂/溶剂体系等降本增效技术、可代谢生物质原料的高表达量/高频生产基因工程菌创制、五碳/六碳糖高值功能化代谢产物开发以及产物低成本高选择性分离等关键技术仍是木材等生物质解构与转化方面的重点攻关方向。随着技术的升级及产业化的推进，作为自然界可再生有机碳的唯一来源，木材等生物质高值产物是保障生物经济可持续高速发展的重要支柱，前景十分广阔。

8 结束语

总的来说，木材科学与技术不再是传统单一的专门学科，而是传统科学和现代科学的结合，涵盖解剖结构和性质、物理机械性能、人造板与绿色胶合、改性重组与复合、生物精炼和生物能源等诸多领域。围绕国家绿色发展战略、区域经济、行业产业等重大现实需要，木材科学与技术领域未来可以从以下几方面不断发展进步。

1）木材构造与材性方面。从动态发育角度系统揭示木材细胞壁化学构成、组分含量和生物合成的分子途径，解析基因活性对细胞壁微观结构、化学组成和微观物理力学性能影响的构效关系。同时，开展高灵敏度、高空间分辨的木材细胞壁微区水分吸附原位时空测量与成像技术，构建温度、木材形变等多因素耦合下的多尺度、多维度水分迁移模型，深入研究绿色节能干燥技术与装备等，为木材资源高效清洁利用提供重要理论基础。

2）木材功能改良与重组复合方面。多功能化改良技术及其内在作用机制解译仍是当前木材保护与改良领域的主要研究内容。在环保需求日益增长的趋势下，研发环境友好型木材改良技术将成为未来的发展趋势，改良木材的全生命周期分析（LCA）也变得尤为重要。随着重组材料结构优化设计、胶合理论与技术创新以及自动化装备升级，木材重组与复合技术正在走向清洁、低碳和智能制造，实现产品绿色环保、阻燃、防水、隔音隔热等多功能。

3）木制品与木结构方面。木制品与木结构在造型、结构、生产与装配等方面将注入更多的技术要素，绿色环保理念将贯穿于产品的全生命周期，智造技术将快速地向工业4.0 方向迈进。在木制品被赋予更人性化与智能化功能的同时，木结构也将向着防火、防腐、防震、大跨度、高楼层发展，将更好地满足人们对美好生活的追求。

4）木材先进纳米材料和化学品方面。由于木材细胞壁结构成分复杂性和差异性，需要进一步系统深入研究木材细胞壁抗降解屏障机理机制，构建高效、节能、环保的木材微纳米精准解离及生物/化学解构技术是重要研究方向。基于木材多组分、多尺度分级利用理念，建立木材纳米材料化和生物能源化精细化加工新模式，形成完善的生物质基材料平台、糖平台、碳平台及化学品平台等，研制系列具有绿色储能、催化吸附、光电转化、环境保护等功能的新型材料制造技术。

致谢：特别感谢中国工程院李坚院士对木材科学与技术学科发展的长期指导和引领。特别感谢刘松龄教授、郑睿贤教授、赵仁杰教授、胡景初教授、刘元教授、向仕龙教授、罗建举教授、吕建雄研究员等对我校木材科学与技术学科发展做出的奠基性和开拓性工作。感谢苌姗姗教授、孙德林教授、卿彦教授、郭鑫教授、左迎峰博士、张林老师、詹鹏老师、徐康博士、刘明博士、朱愿博士、田翠花博士、贾闪闪博士以及魏松、李蕾、吴樱、张振、廖宇等研究生参与论文文献收集、内容整理和图文修改等工作。感谢李贤军教授、李新功教授、陈介南教授、胡云楚教授、袁光明教授、陈桂华教授、谢力生教授、唐忠荣教授、喻云水教授、徐剑莹教授、吴志平教授、陶涛博士、夏燎原博士、张新荔博士、万才超博士以及其他木材科学与工程教研室老师在论文修改过程中提供的帮助。感谢农林生物质绿色加工技术国家地方联合工程研究中心、木竹资源高效利用省部共建协同创新中心、湖南省生物质材料与化学品国际联合实验室、生物质材料及其绿色转化技术湖南省重点实验室等平台提供支撑。