微波预处理提升挪威云杉户外耐腐性及防腐剂固着效果研究

本文针对挪威云杉木材渗透性差、易腐朽的问题，研究了微波（MW）预处理对其防腐剂（BBA）保留量及户外耐久性的影响。研究发现，MW预处理（特别是MW 36能量级别）能显著提高BBA保留量（达40.79 kg/m3），并使木材在30个月户外暴露中保持完好（腐朽等级0），显著优于未处理对照组。该技术通过增强木材渗透性、改变木质素含量及结晶度，协同提升环保型水基防腐剂的效能，为减少传统有毒防腐剂依赖提供了绿色解决方案。

　　

木材作为一种可再生、可持续的建筑材料，因其环境友好性和优良性能而备受青睐。然而，木材在户外使用过程中，会面临生物（如腐朽真菌、昆虫）和非生物（如紫外线、湿度波动）因素的共同威胁，导致其降解，缩短使用寿命。其中，挪威云杉（Picea abies L. Karst.）是一种商业价值很高的树种，常用于建筑、室内装饰乃至小提琴音板的制作。但遗憾的是，挪威云杉，尤其是其心材，由于纹孔闭塞等原因，天然渗透性很低，这使得传统的防腐剂难以有效浸注，导致其耐腐性较差，容易被诸如Gloeophyllum abietinum等真菌侵蚀。因此，如何有效提升挪威云杉这类难处理木材的防腐剂浸注效果和长期户外耐久性，成为木材科学领域的一个重要挑战。

传统的木材防腐方法往往依赖于化学防腐剂，但一些高效防腐剂可能对环境不友好。寻求一种绿色、高效的预处理方法来改善木材的渗透性，从而增强环保型防腐剂的效能，成为研究的热点。微波（Microwave, MW）预处理技术作为一种物理改性方法，近年来显示出改善木材渗透性的巨大潜力。其原理是利用微波能量使木材内部水分迅速汽化，产生蒸汽压力，破坏木材内部的薄弱结构（如射线细胞和纹孔膜），从而形成新的流体通道，提高木材的渗透性。然而，此前的研究多集中于实验室条件下，微波预处理对木材在真实户外复杂环境下的长期耐久性影响如何，尚缺乏系统的评估。

为了回答这一问题，由Sauradipta Ganguly等人组成的研究团队在《Results in Materials》上发表了一项研究，系统探讨了微波预处理对挪威云杉木材硼酸-硼砂（Borax-Boric Acid, BBA）防腐剂保留量及其在30个月户外暴露条件下耐久性的影响。研究旨在验证微波预处理能否通过物理和化学结构的协同改变，有效提升环保型防腐剂BBA（一种相对安全但易流失的水基防腐剂）在难处理木材中的固着量和抗腐朽能力，从而为开发可持续的木材保护技术提供科学依据。

研究人员开展此项研究主要运用了几个关键技术方法：首先，他们选取了进口的挪威云杉木材，加工成特定尺寸的试件，并将其浸泡使其达到类似生材的含水率状态。核心处理是使用频率为2.45 GHz的微波设备，在五种不同的能量水平（MW 20至MW 36，对应能量密度700至1260 MJ/m³）下对试件进行预处理。随后，对所有处理组和对照组（包括未处理、仅用BBA处理）的试件，采用满细胞法进行BBA防腐剂的压力浸注，并计算防腐剂保留量。最后，将试件置于印度台拉登的户外试验场，进行为期30个月的实地暴露试验，模拟两种使用环境（EN 335标准下的3.2类，即户外露天；和2类，即户外遮荫），并定期根据视觉观察和刀具探测评估试件的腐朽等级。研究过程中还记录了当地的气候数据（温度、湿度、降雨量）以分析环境因素对腐朽进程的影响。数据分析采用了单因素方差分析（ANOVA）、Duncan事后检验以及Kruskal-Wallis非参数检验来评估处理组间的显著性差异。

研究结果如下：

1. 微波预处理显著提高防腐剂保留量

研究结果显示，微波预处理对BBA防腐剂的保留量有极其显著的提升效果。随着微波能量水平的增加，防腐剂保留量呈指数增长。未经微波预处理的对照组（CP）BBA保留量仅为7.90 kg/m³。而经过微波预处理的试件，保留量大幅增加，特别是在较高能量水平下：MW 28、MW 32和MW 36处理组的保留量分别达到23.60 kg/m³、31.22 kg/m³和40.79 kg/m³，分别是对照组的3倍、4倍和5倍以上。即使考虑了微波处理导致木材重量损失（Weight Percentage Loss, WPL, 约11-14%）的影响，校正后的保留量依然显著高于对照组。统计分析（Duncan检验）表明，各微波处理组与对照组之间存在显著差异（p<0.05）。防腐剂保留量与施加的微波能量之间表现出强烈的指数关系（R²值0.98-0.99）。这表明微波能量超过一定阈值（本研究中介于MW 24和MW 28之间）后，其对木材微观结构的破坏和渗透性的改善效果急剧增强，从而为防腐剂提供了更多的进入和存留空间。

2. 户外暴露证实微波预处理增强木材耐久性

经过30个月的户外暴露，微波预处理结合BBA处理的木材表现出卓越的耐腐朽性能。

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  户外露天条件（使用等级3.2）： 接受较高微波能量（MW 28, MW 32, MW 36）预处理的试件，在整个30个月的暴露期内始终保持完好，腐朽评级为0，没有任何可见的真菌侵蚀迹象。而未经微波预处理仅用BBA处理的试件（CP）和完全未处理的试件（C），在第一个检查周期（6个月）就出现了轻微的真菌侵染，随着时间推移，腐朽程度加剧，在30个月时，C组和CP组的平均腐朽评级分别达到了3（严重侵蚀）和2（中度侵蚀）。较低微波能量（MW 20, MW 24）处理的试件在前期（18个月内）表现良好，但在后期（30个月时）出现了轻微的真菌生长（评级为1）。
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  户外遮荫条件（使用等级2）： 在遮荫环境下，由于避免了阳光直射和雨淋，所有试件的腐朽进程均慢于露天条件。但趋势与露天条件一致：高能量微波处理组（MW 24, MW 28, MW 32, MW 36）始终保持评级为0，完好无损；MW 20组在30个月时出现轻微霉菌；对照组C和CP则分别达到评级2和2，显示出明显的腐朽。

Kruskal-Wallis非参数检验结果进一步证实，高能量微波预处理组（MW 28, MW 32, MW 36）与未处理对照组（C）在露天和遮荫条件下的腐朽评级均存在极显著差异（p<0.01）。这表明微波预处理显著提高了挪威云杉木材在户外环境下的生物耐久性。

3. 气候因素与腐朽进程密切相关

研究期间记录的气候数据表明，环境条件对木材腐朽的启动和发展有重要影响。高湿度、多雨的周期（如周期II和IV）为真菌生长创造了有利条件，这也解释了未处理对照组在这些时期腐朽加剧的现象。然而，即使在这些不利条件下，高能量微波预处理的试件依然保持了高度的稳定性，凸显了其抗环境应力（如湿度波动）的能力。

结论与讨论

本研究得出结论，微波预处理是一种极具前景的绿色技术，能有效解决挪威云杉等难处理木材渗透性差的问题，并显著提升环保型水基防腐剂BBA的保留量和分布均匀性，从而极大延长木材在户外使用环境下的服务寿命。其积极作用源于三方面的协同效应：

1. 1.
   物理结构改变： 微波能量使木材内部水分汽化产生压力，破坏纹孔膜等微观结构，形成新的渗透通道，极大改善了防腐剂的注入和分布。
2. 2.
   高防腐剂负载： 显著提高的BBA保留量（最高达40.79 kg/m³）为木材提供了强大的化学保护屏障。
3. 3.
   潜在的化学改性： 引用近期研究指出，微波处理可能导致木材化学成分发生变化，如相对木质素含量增加、纤维素结晶度提高。木质素本身具有一定的抗真菌活性，而结晶度提高可能增强木材的疏水性，使其更耐湿，从而减少真菌可利用的养分和水分。

值得注意的是，微波预处理的效果存在能量阈值。低于此阈值（如MW 20, MW 24），改善效果有限；而高于此阈值（MW 28及以上），则能产生持久且显著的保护作用。本研究首次通过长期的实地暴露试验，验证了微波预处理在真实户外环境下对木材耐久性的提升效果，弥补了实验室测试的不足。

该研究的成功，为木材工业提供了一种可持续的方案，通过物理改性（微波）与相对环保的化学处理（BBA）相结合，有望减少对高毒性、高持久性传统防腐剂的依赖，符合当前环保法规和可持续发展目标。未来研究可进一步优化微波处理参数以平衡其对木材力学性能的影响，探讨该技术在其他难处理树种上的适用性，并进行更长期、不同气候区的耐久性评估及经济可行性分析，以推动该技术的商业化应用。