隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，木材因其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，被視為建筑、家具等領(lǐng)域替代人工材料的理想選擇。然而，傳統(tǒng)的木材功能化方法，如深度脫木素和真空壓力浸漬，常涉及復(fù)雜的化學(xué)物理處理，導(dǎo)致能耗高、設(shè)備昂貴、結(jié)構(gòu)易受損，并可能引起環(huán)境污染，這些因素嚴(yán)重制約了其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

近日，東北林業(yè)大學(xué)甘文濤教授、張楊副教授提出了一種簡(jiǎn)單高效的木材表面活化策略，為多功能木材的低碳制造帶來(lái)了突破。該技術(shù)利用紫外線輔助過(guò)氧化氫處理，通過(guò)光輔助氧化反應(yīng)選擇性活化木材表面的木質(zhì)素，大幅增加羥基數(shù)量，從而顯著提升木材的潤(rùn)濕性。結(jié)合排列整齊的纖維素納米纖維產(chǎn)生的強(qiáng)毛細(xì)力，能實(shí)現(xiàn)功能前驅(qū)體的自動(dòng)浸漬。以此制備的聚磷酸銨活化木材展現(xiàn)出優(yōu)異的防火與防霉性能，其平均熱釋放率降低39%，點(diǎn)燃時(shí)間延長(zhǎng)1.71倍，并對(duì)常見(jiàn)霉菌實(shí)現(xiàn)完全抑制。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析顯示，該策略能耗降低92.5%，試劑成本減少76.8%，市場(chǎng)盈利能力則比傳統(tǒng)浸漬法提升169.1%。生命周期評(píng)估進(jìn)一步表明，其碳排放量?jī)H為真空壓力浸漬法的43%，凸顯了其在低碳制造方面的巨大潛力。相關(guān)論文以“An Efficient, Low-Cost Surface Activation toward Multifunctional Wood Manufacturing”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

該表面活化工藝主要包含兩個(gè)步驟：在木材表面刷涂含微量NaOH的過(guò)氧化氫溶液，隨后進(jìn)行短時(shí)紫外線照射。紫外光加速過(guò)氧化氫分解，產(chǎn)生高活性氧自由基，優(yōu)先攻擊木質(zhì)素中的發(fā)色團(tuán)，實(shí)現(xiàn)表面氧化和活化。過(guò)程伴隨著木質(zhì)素含量的部分降低和羥基數(shù)量的顯著增加（較天然木材提高1.7倍），但木質(zhì)素的芳香骨架結(jié)構(gòu)得以保留，木材內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)完整性未受破壞，從而在實(shí)現(xiàn)功能化的同時(shí)保持了木材固有的輕質(zhì)和高強(qiáng)度特性。研究還證實(shí)，該策略適用于多種木材，且活化深度與木材密度呈負(fù)相關(guān)。

圖1： (a) 用于天然木材表面多功能納米修飾的簡(jiǎn)單高效表面活化策略示意圖。(b) 表面活化木材的功能化應(yīng)用展示。(c) 表面活化策略與傳統(tǒng)真空壓力浸漬及功能試劑涂覆方法在加工時(shí)間、能耗、設(shè)備成本與工藝復(fù)雜性方面的對(duì)比示意圖。

在機(jī)理層面，活化過(guò)程將疏水的木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為親水組分，同時(shí)暴露出更多纖維素納米纖維上的羥基。這些變化共同提升了木材表面的潤(rùn)濕性。通過(guò)熒光素鈉溶液的吸附實(shí)驗(yàn)可以直觀看到，活化木材憑借增強(qiáng)的毛細(xì)力，在60秒內(nèi)即可完成溶液滲透，吸附高度約為天然木材的5倍。吸附動(dòng)力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬均證實(shí)，活化木材對(duì)功能試劑（如聚磷酸銨）的吸附能力和速率得到極大提升，這主要?dú)w功于表面羥基增加所帶來(lái)的更強(qiáng)親水性和氫鍵形成能力。

圖2： 表面活化木材的活化過(guò)程與形態(tài)特征。(a) UV輔助H?O?光催化氧化用于木材表面活化的示意圖。(b) 木材表面UV輔助H?O?光輔助氧化過(guò)程的照片演示。(c) 活化深度隨活化時(shí)間（1至5小時(shí)）增加的變化。(d) 通過(guò)活化處理得到的具有核殼結(jié)構(gòu)的表面活化木材。(e) 天然木材的橫截面SEM圖像及其細(xì)胞壁微觀結(jié)構(gòu)。(f) 表面活化木材的橫截面SEM圖像及其細(xì)胞壁微觀結(jié)構(gòu)。(g) 活化前后木材中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成百分比的變化，揭示了木質(zhì)素含量的減少。(h) 天然木材和表面活化木材的FTIR光譜表明，活化后木質(zhì)素的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)保持完整，說(shuō)明活化過(guò)程未破壞木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)。(i) 活化前羥基的ToF-SIMS分析。(j) 活化后羥基的ToF-SIMS分析，顯示活化木材表面羥基數(shù)量比天然木材增加了1.7倍。

圖3： 表面光輔助氧化機(jī)理與吸附能力演示。(a) 木材中木質(zhì)素的光輔助氧化機(jī)理及相應(yīng)化學(xué)基團(tuán)轉(zhuǎn)變示意圖。(b) 天然木材與表面活化木材對(duì)熒光素鈉溶液吸附能力的對(duì)比，顯示相同時(shí)間內(nèi)活化木材的吸附高度增加約5倍。(c) 示意圖說(shuō)明活化后羥基增加導(dǎo)致木材管腔內(nèi)毛細(xì)力顯著增強(qiáng)的原理。(d) 活化前后木材對(duì)APP的吸附動(dòng)力學(xué)曲線，顯示表面活化木材的吸附系數(shù)和容量加倍。(e) 隨時(shí)間變化的水接觸角測(cè)量顯示表面活化木材的潤(rùn)濕性顯著改善。(f) 分子動(dòng)力學(xué)模擬證明了活化木材對(duì)水溶液吸附能力的提高，這歸因于基本木質(zhì)素單元上羥基的增加。

基于該策略制備的聚磷酸銨活化木材表現(xiàn)出卓越的防火性能。在高溫火焰測(cè)試中，它能抵抗長(zhǎng)時(shí)間灼燒而不被點(diǎn)燃。錐形量熱儀測(cè)試數(shù)據(jù)表明，其點(diǎn)燃時(shí)間顯著延長(zhǎng)，平均熱釋放率大幅下降，有效燃燒熱降低，并達(dá)到UL-94 V-0等級(jí)和50%的極限氧指數(shù)，具備良好的阻燃和自熄特性。同時(shí)，該木材對(duì)黑曲霉、桔青霉和綠色木霉這三種典型霉菌展現(xiàn)出完全的抵抗能力，在28天的測(cè)試中未見(jiàn)任何霉菌侵染，防霉效能達(dá)100%。這主要得益于聚磷酸銨中銨離子的抗菌抑制效應(yīng)。

圖4： APP活化木材的防火性能。(a) 天然木材、VPI處理木材和APP活化木材在長(zhǎng)時(shí)間丁烷噴槍燃燒下的耐火焰圖像。(b) 在30 kW m?2外部熱輻照下，錐形量熱儀測(cè)試給出的APP活化木材與天然木材的熱釋放速率曲線。(c) 在30 kW m?2外部熱輻照下，天然木材和APP活化木材的總熱釋放量（按重量歸一化）。(d) 點(diǎn)燃時(shí)間。(e) 平均熱釋放率。(f) 在30 kW m?2外部熱輻照下，天然木材和APP活化木材的有效燃燒熱。(g) 垂直燃燒測(cè)試顯示APP活化木材達(dá)到V-0等級(jí)。極限氧指數(shù)測(cè)試表明APP活化木材的LOI值為50%，顯示出優(yōu)異的阻燃性能。

圖5： APP活化木材的防霉性能。(a) 天然木材與APP活化木材受黑曲霉、桔青霉和綠色木霉侵染的對(duì)比分析，顯示APP活化木材對(duì)三種霉菌均具有有效抵抗力。(b) 霉菌侵染樣品的SEM顯微照片顯示三種霉菌在天然木材上自然生長(zhǎng)，而在APP活化木材上被完全抑制。(c) 天然木材和APP活化木材上黑曲霉、桔青霉和綠色木霉侵染面積隨時(shí)間的變化。(d) VPI處理木材和APP活化木材對(duì)黑曲霉、桔青霉和綠色木霉的霉菌控制效能。(e) 示意圖描繪了APP的抗菌機(jī)理及APP活化木材的防霉原理。

從產(chǎn)業(yè)化角度看，與傳統(tǒng)依賴(lài)大型高壓釜、能耗巨大的真空壓力浸漬工藝相比，表面活化策略設(shè)備簡(jiǎn)單、流程簡(jiǎn)潔，無(wú)需高壓環(huán)境。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果顯示，每立方米APP活化木材的凈收益可達(dá)298.3美元，盈利能力顯著超越傳統(tǒng)方法。生命周期評(píng)估則從全鏈條證明，該策略在全球變暖、化石資源消耗、生態(tài)毒性、人體健康影響等多個(gè)環(huán)境影響類(lèi)別上均具有更低的環(huán)境足跡，其全球變暖潛能值僅占真空壓力浸漬法的43%，充分體現(xiàn)了低碳制造優(yōu)勢(shì)。

圖6： APP活化木材的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和生命周期評(píng)估。(a) 真空壓力浸漬工藝示意圖。(b) 表面活化工藝示意圖。(c) APP活化木材與VPI處理木材的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果。(d) 在等效質(zhì)量條件下，APP活化木材與VPI處理木材的環(huán)境影響。

該表面活化策略的靈活性還拓展了木材的高端功能應(yīng)用。通過(guò)浸漬熒光素鈉，可獲得在紫外光下發(fā)出明亮黃色熒光的木材，并可進(jìn)行圖案化處理，用于建筑裝飾。通過(guò)浸漬石墨，制得的石墨活化木材展現(xiàn)出高效的光熱轉(zhuǎn)換性能，其表面升溫速率是天然木材的1.6倍，在模擬太陽(yáng)光照射下，以其構(gòu)建的建筑模型內(nèi)部溫度顯著高于水泥模型，為低碳節(jié)能建筑提供了新材料。

圖7： 木材表面納米修飾實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用。(a) 通過(guò)熒光素鈉浸漬獲得的FS活化木材照片。(b) FS活化木材的橫截面表面熒光圖像。(c) 不同激發(fā)波長(zhǎng)下FS活化木材的發(fā)射光譜云圖。(d) FS活化木材的CIE色度圖。(e) 通過(guò)表面熒光劑涂覆實(shí)現(xiàn)的圖案化處理效果。(f) 通過(guò)熒光劑刷涂獲得裝飾圖案的建筑模型在紫外光下展示熒光效果。(g) 由熒光木材制成的工藝書(shū)寫(xiě)筆。(h) 通過(guò)石墨浸漬獲得的石墨活化木材照片。(i) 天然木材與石墨活化木材的光熱效應(yīng)對(duì)比表明，石墨活化木材在300秒內(nèi)光熱轉(zhuǎn)換效率提升1.6倍。(j) 在氙燈模擬太陽(yáng)輻照下，水泥與石墨活化木材建筑模型的室內(nèi)加熱性能對(duì)比評(píng)估。

這項(xiàng)研究展示的表面活化策略，通過(guò)光輔助氧化和自動(dòng)浸漬，成功實(shí)現(xiàn)了木材的高效、低成本、多功能化改性。所制備的功能木材在阻燃、防霉、熒光裝飾及光熱轉(zhuǎn)換等方面表現(xiàn)優(yōu)異。技術(shù)經(jīng)濟(jì)和生命周期評(píng)估共同證實(shí)了該策略在經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境可持續(xù)性上的雙重優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)低耗、高效且靈活的表面活化技術(shù)，為多功能木材材料的低碳制造開(kāi)辟了新路徑，在可持續(xù)工程材料、美學(xué)裝飾和節(jié)能建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。