水基超声波预处理提升毛竹尺寸稳定性与防霉性的多尺度机制研究

本研究针对毛竹在潮湿环境下易发生尺寸变形和霉变的问题，创新性地采用水基超声波预处理技术，通过系统分析微观结构、结晶特性及理化性质的变化，发现超声处理可有效去除部分亲水性提取物、提高纤维素结晶度（CrI）并降低微纤丝角（MFA），从而显著提升毛竹的尺寸稳定性（径向膨胀率降低约0.2%）和防霉性能（对黑曲霉和橘青霉的感染率分别降低约20%和83%）。该研究为竹材绿色改性提供了非化学、低能耗的新策略，对拓展竹材在高湿环境下的应用具有重要指导意义。

　　

竹材作为一种生长迅速、可再生的生物质材料，在建筑、家具和绿色复合材料领域具有广泛应用潜力。然而，其固有的亲水性和富含淀粉、糖类等营养成分的细胞壁结构，使其在潮湿环境中易吸湿膨胀、变形，并成为霉菌滋生的温床。这种缺陷不仅缩短了竹制品的使用寿命，也限制了其在户外或高湿度环境中的应用。传统改善竹材性能的方法如乙酰化、树脂浸渍或热处理，虽有一定效果，但常涉及有毒化学品、高能耗或复杂工艺，面临环境友好性不足的挑战。因此，开发绿色、低成本的改性技术成为竹材高效利用的关键。

近期，物理预处理技术如超声波处理因其非化学、低能耗的特性受到关注。超声波通过空化效应、声流和微射流等物理作用，能够破坏植物细胞壁结构，促进物质传输，从而可能改变材料的微观结构和性能。尽管已有研究探讨超声波对竹材渗透性的改善作用，但其对尺寸稳定性和防霉性的系统影响机制尚不明确。为此，发表于《Ultrasonics Sonochemistry》的研究论文《Water-based ultrasonic pretreatment enhances moso bamboo dimensional stability and mildew resistance》通过多尺度表征，深入揭示了水基超声波预处理对毛竹（Phyllostachys edulis）性能的优化效果与机理。

本研究采用的关键技术方法包括：扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构变化，X射线衍射（XRD）分析纤维素结晶度，衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）表征化学基团，荧光显微镜测量细胞壁双壁厚度，以及X射线衍射法测定微纤丝角（MFA）。此外，通过湿热环境下的吸湿率、径向膨胀率测试评估尺寸稳定性，并选用黑曲霉（Aspergillus niger）和橘青霉（Penicillium citrinum）进行防霉性能实验。实验样本为4年生毛竹竹秆，经自然气干后加工成标准试件，随机分组后进行不同时长（0~60分钟）的超声波预处理（频率33±1 kHz，功率360 W），并以未处理组作为对照。

3.1. 物理与微观结构对超声波预处理的响应

研究结果显示，随着超声处理时间的延长，竹材质量损失率逐渐增加（0.2%~0.8%），绝干密度降低（0.02~0.06 g/cm³），热水提取物含量显著下降（6%~7%）。SEM观察发现，超声处理导致竹材纹孔膜破裂和薄壁细胞壁变薄（双壁厚度分布范围从6.5~13.5 μm缩小至5.5~12.5 μm）。这些变化表明超声波空化作用有效去除了细胞壁中的无定形成分（如半纤维素），并破坏了微观结构，为后续性能改善奠定了基础。

3.2. 对纤维素结晶度、化学官能团和微纤丝角的影响

XRD分析表明，超声处理使纤维素结晶度（CrI）从52.2%提升至约60.6%（10分钟处理组），且纤维素I晶型未发生改变。FTIR光谱显示，处理后竹材的O-H、C-H等特征峰强度减弱，但未出现新化学键，说明超声主要改变了成分相对含量而非化学结构。同时，微纤丝角（MFA）从20.4°降至18.6°，表明纤维素微纤丝排列更为有序，细胞壁刚性增强。

3.3. 吸湿尺寸稳定性的提升

尽管超声处理后竹材的吸湿率略有上升（约0.6%），但其径向膨胀率显著降低（从0.67%降至0.44%~0.58%）。这一看似矛盾的现象归因于无定形组分的去除和结晶度的提高，限制了水分引起的尺寸变形，同时微结构疏松为水分吸附提供了更多通道。

3.4. 防霉性能表现

防霉实验表明，超声处理对黑曲霉和橘青霉均有显著抑制效果。黑曲霉感染率从63.7%降至44.7%（30分钟处理），橘青霉感染率从92.5%降至9.6%（60分钟处理）。质量损失率也相应大幅降低。研究指出，营养成分（如淀粉和半纤维素）的移除以及细胞壁结构的强化，共同降低了霉菌的附着和降解能力。

3.5. 机理总结

超声预处理通过空化效应破坏竹材微观结构，促进提取物溶出，并诱导纤维素重排，最终实现尺寸稳定性和防霉性的协同提升。该过程无需化学添加剂，符合绿色加工理念。

综上所述，本研究系统阐明了水基超声波预处理对毛竹性能的优化机制，为竹材在高湿环境下的耐久性应用提供了新思路。未来研究可进一步优化工艺参数，或结合其他改性技术，以全面提升竹材的力学性能与长期耐久性。