废弃木材升级再造：基于三聚氰胺-甲醛树脂的室温磷光材料开发及其应用

本研究针对废弃木材回收率低（仅17%）和传统回收方式附加值低的问题，创新性地利用三聚氰胺-甲醛树脂（MF）与木材组分共价/非共价相互作用，开发出具有双发射峰（500/530 nm）、超长寿命（>350 ms）且耐水耐溶剂的室温磷光材料（R-wood@MF）。该材料成本低至0.9美元/kg，在防伪胶粘剂、3D打印和光学显示等领域展现应用潜力，为废弃木材高值化回收提供了新策略。

　　

研究背景与意义

木材作为可再生资源广泛应用于建筑和家具领域，但每年仅17%的废弃木材被回收，传统回收方式（如制成刨花板或燃料）附加值有限。近年研究发现木材本身具有室温磷光（Room Temperature Phosphorescence, RTP）特性，源于细胞壁中木质素的受限运动，但其磷光寿命仅数十毫秒，难以实际应用。现有研究通过引入重原子或氢键刚性化木质素将寿命提升至数百毫秒，但这些弱相互作用易受湿度、化学试剂破坏。面对废弃木材成分复杂的挑战，亟需开发更稳定的木材RTP转化方法。

技术方法概述

研究团队采用三聚氰胺-甲醛树脂（MF）浸渍废弃木材粉末（R-wood），通过105℃热固化构建共价交联网络。利用扫描电镜（SEM）观察树脂渗透情况，通过时间分辨光谱测定RTP寿命，结合FT-IR、XPS和拉曼光谱验证醚键（C-O-C）形成，并采用独立梯度模型计算分子间相互作用能。测试材料在8种溶剂中的稳定性，并评估其作为防伪胶粘剂、3D打印材料和光学显示薄膜的性能。

研究结果

RTP emission of wood@MF and mechanism

自然木材与MF复合后（wood@MF）呈现双峰RTP发射（500 nm和530 nm），寿命达358.3 ms，比纯MF（3.34%量子产率）和自然木材（0.41%）显著提升。温度依赖性实验证实其为磷光而非热激活延迟荧光（TADF），单重态-三重态能隙ΔE_ST（-0.34 eV）排除了RISC过程。FT-IR和XPS证实MF与木材形成醚键（C-O-C占比20.5%），独立梯度模型显示纤维素-MF（47.1 kcal/mol）和木质素-MF（34.6 kcal/mol）的相互作用强于木质素-纤维素（22.2 kcal/mol），共价与非共价协同作用稳定了三重态激子。

Preparation and RTP performance of R-wood@MF

将废弃板材粉碎后与MF树脂复合，制得的R-wood@MF保持337.1 ms寿命，且在水浸36小时后仍保留196.0 ms寿命，优于传统蔗糖改性材料（R-wood@sucrose）。粒径实验表明150目粉末因更大接触面积使寿命进一步提升。该材料成本仅0.9美元/kg，低于多数可持续RTP材料，且适用于装饰板、密度板等多种废弃木材来源。

Potential applications and displays

R-wood@MF作为防伪胶粘剂修复瓷器后，裂缝处呈现绿色余辉；通过模板成型可制备复杂3D结构（抗拉强度11.58 MPa）；与环氧树脂复合的薄膜可实现0.5秒快速光路追踪，并用于药品防伪标签和可识别二维码。此外，利用MF发泡特性制备的多孔泡沫兼具机械强度和RTP功能。

结论与展望

该研究首次发现MF树脂可通过共价醚键和强非共价相互作用协同提升木材RTP性能，突破了传统氢键改性材料的环境稳定性瓶颈。将废弃木材转化为耐水、低成本的高性能RTP材料，在《Nature Communications》发表的这项工作不仅为木材回收提供了高值化方案，其"分子刚性化"策略对开发其他生物基磷光材料具有普适性启示。未来通过调控MF与不同生物质组分的相互作用，有望拓展更多功能性可持续材料。