東北林業大學甘文濤、張楊ACS Nano：創新表面活化技術開啟多功能木材低碳制造新紀元

隨著可持續發展理念的深入，木材因其經濟和環境優勢，被視為建筑、家具等領域替代人工材料的理想選擇。然而，傳統的木材功能化方法，如深度脫木素和真空壓力浸漬，常涉及復雜的化學物理處理，導致能耗高、設備昂貴、結構易受損，并可能引起環境污染，這些因素嚴重制約了其大規模實際應用。

近日，東北林業大學甘文濤教授、張楊副教授提出了一種簡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了突破。該技術利用紫外線輔助過氧化氫處理，通過光輔助氧化反應選擇性活化木材表面的木質素，大幅增加羥基數量，從而顯著提升木材的潤濕性。結合排列整齊的纖維素納米纖維產生的強毛細力，能實現功能前驅體的自動浸漬。以此制備的聚磷酸銨活化木材展現出優異的防火與防霉性能，其平均熱釋放率降低39%，點燃時間延長1.71倍，并對常見霉菌實現完全抑制。技術經濟分析顯示，該策略能耗降低92.5%，試劑成本減少76.8%，市場盈利能力則比傳統浸漬法提升169.1%。生命周期評估進一步表明，其碳排放量僅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。相關論文以“An Efficient, Low-Cost Surface Activation toward Multifunctional Wood Manufacturing”為題，發表在ACS Nano上。

該表面活化工藝主要包含兩個步驟：在木材表面刷涂含微量NaOH的過氧化氫溶液，隨后進行短時紫外線照射。紫外光加速過氧化氫分解，產生高活性氧自由基，優先攻擊木質素中的發色團，實現表面氧化和活化。過程伴隨著木質素含量的部分降低和羥基數量的顯著增加（較天然木材提高1.7倍），但木質素的芳香骨架結構得以保留，木材內部的微觀結構完整性未受破壞，從而在實現功能化的同時保持了木材固有的輕質和高強度特性。研究還證實，該策略適用于多種木材，且活化深度與木材密度呈負相關。

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

在機理層面，活化過程將疏水的木質素轉化為親水組分，同時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濕性。通過熒光素鈉溶液的吸附實驗可以直觀看到，活化木材憑借增強的毛細力，在60秒內即可完成溶液滲透，吸附高度約為天然木材的5倍。吸附動力學和分子動力學模擬均證實，活化木材對功能試劑（如聚磷酸銨）的吸附能力和速率得到極大提升，這主要歸功于表面羥基增加所帶來的更強親水性和氫鍵形成能力。

圖2： 表面活化木材的活化過程與形態特征。(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?光輔助氧化過程的照片演示。(c) 活化深度隨活化時間（1至5小時）增加的變化。(d) 通過活化處理得到的具有核殼結構的表面活化木材。(e) 天然木材的橫截面SEM圖像及其細胞壁微觀結構。(f) 表面活化木材的橫截面SEM圖像及其細胞壁微觀結構。(g) 活化前后木材中纖維素、半纖維素和木質素組成百分比的變化，揭示了木質素含量的減少。(h) 天然木材和表面活化木材的FTIR光譜表明，活化后木質素的芳香環結構保持完整，說明活化過程未破壞木質素的基本結構。(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量比天然木材增加了1.7倍。

圖3： 表面光輔助氧化機理與吸附能力演示。(a) 木材中木質素的光輔助氧化機理及相應化學基團轉變示意圖。(b) 天然木材與表面活化木材對熒光素鈉溶液吸附能力的對比，顯示相同時間內活化木材的吸附高度增加約5倍。(c) 示意圖說明活化后羥基增加導致木材管腔內毛細力顯著增強的原理。(d) 活化前后木材對APP的吸附動力學曲線，顯示表面活化木材的吸附系數和容量加倍。(e) 隨時間變化的水接觸角測量顯示表面活化木材的潤濕性顯著改善。(f) 分子動力學模擬證明了活化木材對水溶液吸附能力的提高，這歸因于基本木質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出卓越的防火性能。在高溫火焰測試中，它能抵抗長時間灼燒而不被點燃。錐形量熱儀測試數據表明，其點燃時間顯著延長，平均熱釋放率大幅下降，有效燃燒熱降低，并達到UL-94 V-0等級和50%的極限氧指數，具備良好的阻燃和自熄特性。同時，該木材對黑曲霉、桔青霉和綠色木霉這三種典型霉菌展現出完全的抵抗能力，在28天的測試中未見任何霉菌侵染，防霉效能達100%。這主要得益于聚磷酸銨中銨離子的抗菌抑制效應。

圖4： APP活化木材的防火性能。(a) 天然木材、VPI處理木材和APP活化木材在長時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) 點燃時間。(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) 垂直燃燒測試顯示APP活化木材達到V-0等級。極限氧指數測試表明APP活化木材的LOI值為50%，顯示出優異的阻燃性能。

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比分析，顯示APP活化木材對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，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間的變化。(d) VPI處理木材和APP活化木材對黑曲霉、桔青霉和綠色木霉的霉菌控制效能。(e) 示意圖描繪了APP的抗菌機理及APP活化木材的防霉原理。

從產業化角度看，與傳統依賴大型高壓釜、能耗巨大的真空壓力浸漬工藝相比，表面活化策略設備簡單、流程簡潔，無需高壓環境。技術經濟分析結果顯示，每立方米APP活化木材的凈收益可達298.3美元，盈利能力顯著超越傳統方法。生命周期評估則從全鏈條證明，該策略在全球變暖、化石資源消耗、生態毒性、人體健康影響等多個環境影響類別上均具有更低的環境足跡，其全球變暖潛能值僅占真空壓力浸漬法的43%，充分體現了低碳制造優勢。

圖6： APP活化木材的技術經濟分析和生命周期評估。(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處理木材的技術經濟分析結果。(d) 在等效質量條件下，APP活化木材與VPI處理木材的環境影響。

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

圖7： 木材表面納米修飾實現多功能應用。(a) 通過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) 不同激發波長下FS活化木材的發射光譜云圖。(d) FS活化木材的CIE色度圖。(e) 通過表面熒光劑涂覆實現的圖案化處理效果。(f) 通過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寫筆。(h) 通過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對比表明，石墨活化木材在300秒內光熱轉換效率提升1.6倍。(j) 在氙燈模擬太陽輻照下，水泥與石墨活化木材建筑模型的室內加熱性能對比評估。

這項研究展示的表面活化策略，通過光輔助氧化和自動浸漬，成功實現了木材的高效、低成本、多功能化改性。所制備的功能木材在阻燃、防霉、熒光裝飾及光熱轉換等方面表現優異。技術經濟和生命周期評估共同證實了該策略在經濟可行性和環境可持續性上的雙重優勢。這項低耗、高效且靈活的表面活化技術，為多功能木材材料的低碳制造開辟了新路徑，在可持續工程材料、美學裝飾和節能建筑等領域具有廣闊的應用前景。