木塑复合材料(WPC)具有优异的尺寸稳定性、耐久性和力学性能等，近些年被广泛应用于户外栈道、汽车配件、室内装饰和户外家具等领域[1-2]。WPC的力学性能主要取决于木质纤维种类、基体种类、纤维质量分数、纤维相分散性以及纤维与基体的相容性等。而木质纤维表面化学极性、化学组成以及结构形态等对纤维在基体中的分散性，WPC的界面相容性及力学性能具有重要影响[3-4]。然而，木质纤维具有较强的化学极性，在WPC制备过程中易于团聚，与非极性塑料之间的界面相容性较差，因此复合材料受力过程中应力在界面上无法有效传递，从而影响WPC的综合力学性能[5-6]。通过碱处理、偶联剂改性、乙酰化改性、接枝共聚改性、苯甲酰化改性等化学方法，热处理、蒸汽爆破、等离子体、表面原纤化、放电处理等物理方法，真菌、酶等生物方法对木质纤维进行预处理，可增强纤维与基体的黏合强度，改善WPC的综合性能[3]。本研究从木质纤维结构对WPC性能影响的角度，综述天然木质纤维对聚合物基体的增强效果，概述常见的物理预处理、化学预处理、生物预处理等改性方法对WPC力学性能的影响，为高性能WPC的制备和林业加工剩余物的高值化利用提供依据。1天然木质纤维结构对木塑复合材料性能的影响1.1木质纤维表面化学极性根据Zisman润湿性理论，塑料的表面自由能不超过木质纤维表面自由能时，塑料基体能够在木质纤维表面形成良好的润湿和铺展。塑料与木质纤维的界面结合性，随两者表面自由能差值的增加而增强，表面自由能非极性值较高的木质纤维与非极性塑料间具有更好的界面亲和性，更适用于WPC的制备[7-8]。姜洪丽等[9-10]利用毛细管上升法测定水曲柳木粉和落叶松木粉表面接触角，根据Owens-Wendt法计算得到水曲柳木粉的表面自由能与非极性分量分别为36.06 mN/m和32.54 mN/m，落叶松木粉的表面自由能与非极性分量分别为20.17 mN/m和10.41 mN/m。研究表明：水曲柳木粉在塑料基体中的分散性优于落叶松木粉，在相同加工条件下，水曲柳木粉/高密度聚乙烯(HDPE)的拉伸强度和弯曲强度均优于落叶松木粉/HDPE。1.2木质纤维化学组成木质纤维可提高复合材料的拉伸模量和弯曲模量，降低复合材料的吸水性[11]。而半纤维素和木质素对WPC的力学性能和耐水性均产生负面影响[12]，疏水性抽提物含量较高的木材心材制备WPC的吸水率低于边材制备WPC的吸水率[13]。木质纤维表面化学组成对WPC性能也具有一定的影响，由O/C原子比例高的木质纤维制备的复合材料的力学性能更优，主要是O/C原子比较低的木质纤维表面木质素含量较高，可能阻碍木纤维与偶联剂之间酯键形成。Bouafif等[14-15]利用X-射线光电子能谱(XPS)对白雪松木材边材、心材，杰克松木材锯末、树皮刨花以及黑云杉木材锯末等植物纤维表面的元素进行分析，并研究不同纤维对HDPE的增强效果。结果表明：WPC的拉伸强度和弯曲强度，与木质纤维表面的O/C原子比呈正相关，如杰克松树皮（O/C原子比为0.18）制备WPC的弯曲性能较差，黑云杉木材（O/C原子比为0.28）与白雪松木材（O/C原子比为0.28）制备WPC的弯曲性能相当，杰克松木材（O/C原子比为0.35）制备WPC的弯曲性能较优。Migneault等[16]探究纤维素纸浆、杨木纤维、白桦木纤维、云杉木纤维、杨树树皮和云杉树皮等，在聚乙烯接枝马来酸酐(MAPE)作相容剂条件下对WPC力学性能的影响。结果表明：树皮（韧皮部）、木纤维（木质部）和纤维素纸浆制备的WPC的冲击强度和弯曲强度，随着纤维表面未氧化碳（分配给木质素和提取物）含量的增加而降低，随着纤维表面氧化碳（分配给碳水化合物）含量的增加而增加。木质纤维表面碳水化合物含量越高，WPC力学性能越好。主要是由于木质纤维与MAPE的酯化反应主要发生在碳水化合物的羟基等极性位点。而杨木纤维、白桦木纤维、云杉木纤维的表面化学组成与WPC力学性能没有明确的相关性，可能是受不同纤维形态和抽提物含量等因素的影响。1.3木质纤维形态木质纤维的长度、长径比和表面粗糙度等影响木质纤维对塑料基体的增强效果，由纤维长度、长径比和接触角均相对较高的木质纤维制备的WPC的综合性能较优。徐开蒙等[17]研究尾巨桉、枫香、白千层、马尾松、杉木和蓖麻秆等木质纤维的基本形态参数及表面接触角，并对比分析6种WPC的力学性能。结果表明：杉木的纤维长度、长径比和接触角值相对较高，分别为2.66 mm、65.35、90.32°，制备的WPC的综合性能较优，对应复合材料的静曲强度为45.63 MPa、弹性模量为3247 MPa、拉伸强度为29.14 MPa、冲击强度为6.41 kJ/m2。此外，木质纤维长度与WPC的拉伸强度呈正相关，但对冲击强度等的影响不大。如马尾松木质纤维长度最大（为3.79 mm），其制备的WPC的拉伸强度最佳（为32.83 MPa）。Stark等[18]研究表明，高长径比木粉增强WPC的拉伸性能和弯曲性能更优，主要是由于高长径比可增加从塑料基体至木质纤维的应力传递。Jiang等[19]研究表明，表面粗糙度较高的木质纤维与聚合物基质之间的机械联锁作用较强，对聚合物基体的增强效果较好。通过去除木质纤维表面的蜡质抽提物，可以提高木质纤维表面粗糙度，改善复合材料界面性能，提高WPC力学性能。2化学处理对木塑复合材料力学性能的影响通过碱处理、接枝改性、偶联剂改性、酯化改性等化学方法，对木质纤维进行预处理可改善木质纤维与热塑性树脂之间的界面相容性，提高WPC的力学性能。2.1碱处理利用碱性溶液对木质纤维进行预处理是提高木质纤维与聚合物界面相容性的有效方法，常用的试剂包括NaOH、Ca(OH)2、KOH、Mg(OH)2等。通过碱性溶液溶解木质纤维中部分半纤维素、木质素、蜡和油脂等抽提物组分，使纤维素含量增加，木质纤维表面粗糙度和比表面积增大，有利于增强木质纤维与塑料基体之间的机械联锁，并提高WPC的力学性能和热学性能[20-22]。Ma等[23]研究碱处理对竹纤维/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯性能的影响。结果表明：利用浓度4%的NaOH溶液在25 ℃条件下处理1 h，竹纤维的抽提物含量由2.3%降至0.8%，半纤维素含量由28.8%降至21.6%，木质素含量由30.0%降至27.8%，与未处理竹纤维制备WPC相比，碱处理竹纤维制备的WPC的弯曲强度提高6.90%，拉伸强度提高11.36%，冲击强度提高29.05%。2.2接枝改性处理利用苯乙烯、马来酸酐、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯等化合物对木质纤维进行接枝改性，可降低木质纤维表面极性，改善木质纤维与塑料基体的界面亲和性，提高WPC的尺寸稳定性和力学性能等[24-25]。王光照等[26]利用苯乙烯对秸秆粉进行接枝改性，利用毛细管上升法测定改性前后秸秆粉的接触角，并分析改性前后秸秆粉制备的WPC的力学性能。结果表明：苯乙烯改性后秸秆粉的表面自由能与非极性分量分别增至5.87 mN/m和16.04 mN/m，与未改性秸秆粉制备的WPC相比，改性秸秆粉制备的WPC的拉伸强度和冲击强度分别提高47.39%和31.20%。2.3偶联剂处理为提高木质纤维与塑料基体的界面相容性，可利用偶联剂（主要为三烷氧基硅烷）对木质纤维进行预处理。偶联剂发生水解和缩合反应，硅烷中烷氧基与水结合形成反应性硅烷醇(Si—OH)基团，该基团与纤维的羟基发生反应，进而连接于纤维[27]。而偶联剂的疏水端可与塑料基体链段相互缠绕，因此偶联剂可在增强体和基体间起桥梁作用，提高复合材料的力学性能和耐水性[28-29]。李雅丽等[30]分析硅烷偶联剂KH550对玉米秸秆粉表面张力的影响，探究玉米秸秆粉对HDPE复合材料性能的影响。结果表明：由于HDPE的表面张力(31.2 mN/m)高于玉米秸秆粉(28.88 mN/m)，低于HK550改性玉米秸秆粉(35.69 mN/m)，在加工过程中HDPE对改性玉米秸秆粉的表面润湿性较好，改性玉米秸秆粉制备的WPC的静曲强度较未改性玉米秸秆粉提高约75%。Sun等[31]利用硅烷偶联剂KH550、相容剂MAPE处理稻壳纤维，并增强HDPE制备复合材料。研究表明：KH550、MAPE通过化学键连接于稻壳纤维。由KH550、MAPE单独处理稻壳纤维，制备的WPC的静曲强度分别提高11.5%和28.9%，由两者共同处理的纤维制备的复合材料的静曲强度提高40.7%。2.4酯化改性处理对木质纤维进行酯化处理，如利用乙酰基或氯甲基等基团部分取代木质纤维中的羟基，生成对应的疏水性非极性官能团，可降低木质纤维极性，增加纤维表面粗糙度，改善纤维与聚合物基体之间的附着力，提高复合材料的拉伸性能和冲击性能等，并降低复合材料的吸水性[32-33]。周亚巍等[34]利用浓度为5%~25%的乙酸酐溶液处理桦木粉0.5~2.5 h，并热压制备桦木粉/HDPE复合材料。结果表明：随着处理时间的延长和溶液浓度的增加，木纤维长度、壁厚以及WPC力学性能均先增大后减小。乙酸酐浓度为5%、时间为1.5 h条件下处理桦木粉，制备的WPC的力学性能最优，其拉伸强度和弯曲强度分别为24.40 MPa和42.54 MPa。3物理处理对木塑复合材料力学性能的影响热处理、蒸汽爆破处理等物理方法可降低木质纤维中吸水性较高的半纤维素等组分含量，降低木质纤维极性，增加木纤维在塑料基体表面的润湿性。3.1热处理热处理是指在缺氧（真空、导热油、惰性气体、水蒸气等）条件下对植物纤维进行处理。高温作用下，木质纤维的物理性质和化学性质发生变化，木质纤维中部分半纤维素、木质素、胶质物质等被去除；木质纤维中羟基等极性基团发生失水、氢键缔合等反应，降低木质纤维极性，提高木质纤维与塑料基体之间的界面相容性，显著降低热处理木质纤维的吸水性。利用热处理木质纤维增强聚合物基体可提高WPC的尺寸稳定性、耐腐性和耐磨性能等，并降低其吸水性[35-38]。由于热处理过程中木质纤维结构的完整性被破坏，因此，热处理温度过高、时间过长对木质纤维增强WPC的力学性能，尤其对冲击性能产生不利影响。Tavares等[39]以饱和水蒸气为介质，对巴西莓种子外壳纤维进行热处理。结果表明：热处理后木质纤维中的半纤维素含量由11.54%降至6.60%，纤维素含量由41.37%增至45.13%，木质素含量由40.25%降至32.61%。热处理后木质纤维结晶度由31.3%增至35.3%，与未处理木质纤维相比，热处理木质纤维增强聚丙烯制备复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高19.35%和102.17%，说明热处理改善木质纤维与基体的相容性。Ariawana等[40]研究热处理对麻纤维增强不饱和聚酯复合材料性能的影响。研究表明：热处理10 h后，麻纤维结晶度由54.8%增至57.2%。与未处理麻纤维相比，热处理纤维制备的复合材料的拉伸强度提高10%。热处理可去除麻纤维表面的部分杂质和抽提物，处理麻纤维表面呈粗糙的鳞状结构，峰密度增加，热处理麻纤维与基体之间具有更好的机械互锁作用。与未处理麻纤维/不饱和聚酯相比，热处理麻纤维/不饱和聚酯的最大吸水率由6.46%降至0.61%，静曲强度由52.51 MPa提高至54.91 MPa，弹性模量由4.91 GPa提高至5.19 GPa。3.2蒸汽爆破处理利用蒸汽爆破处理木质纤维可增加纤维的长径比和比表面积，降低半纤维素和木质素含量，提高纤维素含量，引起纤维的机械破裂，导致纤维比表面积增加。蒸汽爆破处理可改善木质纤维与热塑性树脂相容性，提高WPC的力学性能和耐水性[41-43]。韩士群等[44]研究蒸汽爆破处理对芦苇纤维形态、化学组成和芦苇纤维增强HDPE复合材料力学性能的影响。结果表明：蒸汽爆破处理有效提高芦苇纤维中纤维素含量，并降低其半纤维素含量。未处理芦苇纤维中的纤维素含量为43.95%，经1.2 MPa和1.5 MPa蒸汽爆破15 min后，芦苇纤维的纤维素含量分别提高至63.14%和62.02%。芦苇纤维质量分数为55%条件下，较未处理芦苇纤维增强HDPE，1.2 MPa蒸汽爆破处理芦苇纤维使WPC的拉伸强度和弯曲强度分别提高22.3%和32.6%。4生物处理对木塑复合材料力学性能的影响生物处理利用微生物本身或细胞壁降解酶对天然纤维进行处理，无须使用化学试剂，且不产生对环境有害的副产物，被认为是一种环保且可持续的处理方法。利用微生物或直接利用果胶酶、纤维素酶、漆酶等细胞壁降解酶，可选择性降解木质纤维材料中的木质素、果胶等部分组分，从而提高木纤维表面粗糙度，降低纤维表面极性，提高其与塑料基体的相互作用，进而提高WPC的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度等，并降低WPC的吸水性[45-46]。Youssef等[47]利用黄曲霉(EGYPTA5)处理柑橘树修枝木纤维，并利用改性前后木质纤维增强低密度聚乙烯(LDPE)制备WPC。研究表明：黄曲霉处理可降解木质纤维中的部分半纤维素和抽提物等亲水性成分，木质纤维改性后表面粗糙度增加，结晶度由53%增至70%。改性木质纤维制备的WPC（木质纤维含量20%）的弹性模量和拉伸强度较未改性木质纤维制备的WPC分别提高19.94%和23.73%。Li等[48]利用果胶酶处理大麻纤维，并用其增强聚丙烯制备复合材料。研究表明：经果胶酶处理120 min后的大麻纤维，果胶含量由1.20%降低至0.74%，大麻纤维结构被破坏、细胞壁产生起毛和分丝。果胶酶处理麻纤维制备的WPC的力学性能和吸水性均明显优于未处理大麻纤维制备的WPC。果胶酶处理120 min，制备的WPC的弹性模量由3 440 MPa提高至4 140 MPa，静曲强度由30.6 MPa提高至36.8 MPa，拉伸强度由16.9 MPa提高至22.9 MPa，吸水率由31.4%降至27.2%。主要是由于果胶酶处理增强大麻纤维的表面活性，使其在树脂中的分布更均匀。5结论通过对木质纤维进行处理，改善纤维与塑料基体之间的界面相容性，是研制高性能WPC的重要途径之一。尽管目前对木质纤维表面化学极性、化学组成和形态等与WPC的力学性能之间的关系已经进行大量研究，但影响因素尚未系统化。化学预处理、物理预处理和生物预处理等均可改善木质纤维与塑料基体的界面相容性，但其工业化应用均存在一定的限制。化学处理存在化学试剂有毒、易挥发，容易产生废水等不足。热处理、蒸汽爆破处理等物理方法具有无毒无污染等优点，与其他方法相比适用于大批量木质纤维的处理，但存在设备能耗高的问题。生物处理具有环保、条件温和等优点，但存在木材细胞壁降解酶活性低、处理时间长等不足。因此，今后应加强研究低能耗、易操作、高效率的木质纤维预处理方法，以较低的成本制备高性能木质纤维增强聚合物复合材料。