综述：当前形势：超临界二氧化碳在木材工业中的应用

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Current Landscape: Use of Supercritical CO2 in the Wood Industry

木材作为可再生能源和工业材料，其脱水与树脂提取工艺正逐步从高能耗传统方法转向更高效环保的超临界二氧化碳（scCO?）技术。本文综述了scCO?在木材脱水、树脂提取及浸渍改性中的应用，指出其通过调节压力（10-30 MPa）和温度（40-60°C）可显著降低木材 moisture content（MC）至8%-20%，同时保持结构稳定性。实验表明scCO?处理木材的效率可达93%-94%（脱水）和8.53 g/100g（树脂提取），且无传统热干燥的收缩开裂问题。

　　木材作为人类文明发展的重要材料，其应用范围早已超越了传统的建筑领域，广泛渗透到医药、农业食品、化妆品等多个行业中。随着全球对可持续发展和绿色技术的关注日益增加，如何在不损害木材天然特性的前提下，提高其加工效率与质量，成为当前研究的重点。特别是在木材处理过程中，传统的高能耗方法往往伴随着环境污染和资源浪费，因此寻找更加环保、高效的替代方案具有重要意义。近年来，超临界二氧化碳（scCO?）作为一种独特的绿色溶剂，因其无毒、可循环利用以及在不同条件下可调节的溶解能力，被越来越多地应用于木材的脱水和树脂提取等过程。

超临界流体技术的发展源于其独特的物理和化学性质。当流体处于超临界状态时，即其温度和压力均超过临界点，此时它既非气体也非液体，而是一种具有独特性质的流体状态。这种状态下的流体具备高扩散性、低粘度和可调节的溶剂能力，使得其在多种材料处理中表现出优越的性能。例如，在气凝胶、金属氧化物及其复合材料、非金属材料、食品和药品的加工中，scCO?都展现出了其独特的应用潜力。此外，它还被用于太阳能电池的制造过程中，成为一种绿色且高效的加工手段。

在木材处理方面，scCO?的潜力尤为突出。传统方法通常需要高温、高压或化学溶剂的使用，不仅消耗大量能源，还可能对木材的结构造成破坏。相比之下，scCO?处理技术能够在较低的温度和压力下实现木材的高效脱水，同时减少木材在干燥过程中的变形和应力。这一特性对于木材在建筑行业中的应用至关重要，因为木材的含水率（MC）直接影响其物理性能和使用寿命。例如，绿色辐射松（Radiata Pine）的含水率通常高达100%至200%，若不经过适当的处理，其结构稳定性会受到严重影响。通过scCO?的脱水处理，可以将木材的含水率降低至8%至20%，从而确保其在实际应用中具备良好的耐久性和尺寸稳定性。

木材中的水分主要分为两种类型：一种是被细胞壁中的纤维素、半纤维素和木质素等大分子结构所束缚的水分，称为结合水；另一种是存在于木材大孔隙中的自由水，称为毛细水。结合水由于与细胞壁分子之间的氢键作用，其去除较为困难，而毛细水则可以通过物理机制如毛细作用或毛细冷凝被迅速排出。scCO?作为一种超临界流体，能够有效地渗透到木材的微观结构中，从而实现对结合水和毛细水的高效去除。此外，由于scCO?在高压下具有极高的扩散能力，它可以在较短时间内完成脱水过程，同时减少对木材结构的破坏。

在实际研究中，不同研究团队对scCO?在木材脱水和树脂提取方面的应用进行了深入探索。例如，Dawson等人发现，当使用20 MPa的scCO?处理绿色辐射松时，其脱水效率可达93%至94%。这一过程在50°C的温度下进行，通过周期性的加压和减压操作，能够在短时间内显著降低木材的含水率，而不会导致木材出现明显的收缩或干燥应力。这种处理方式不仅提高了木材的加工效率，还降低了对环境的影响，使得木材在建筑行业中更具可持续性。

除了脱水，scCO?在树脂提取方面的应用也取得了显著进展。传统的树脂提取方法如索氏提取和蒸汽蒸馏，虽然能够有效分离木材中的挥发性成分，但往往伴随着较高的能耗和复杂的操作流程。相比之下，scCO?提取技术能够在相对温和的条件下实现高效的树脂提取，同时避免对木材造成破坏。例如，Bertaud等人通过在20 MPa和60°C的条件下对辐射松木粉进行处理，成功提取了高达8.53 g/100 g的树脂。这一过程不仅提高了树脂的纯度，还使得提取后的木材能够保留其结构完整性，为后续的加工和应用提供了更好的基础。

值得注意的是，scCO?在树脂提取和木材脱水方面可以实现分离操作。这意味着在某些情况下，可以先对木材进行脱水处理，然后再进行树脂提取，从而避免两者之间的相互干扰。例如，Zheng等人在10 MPa和40°C的条件下成功完成了对辐射松的脱水处理，而Bertaud等人则在30 MPa和60°C的条件下进行了树脂提取实验。这种分离处理的方式不仅提高了操作的灵活性，还为木材的多功能化利用提供了新的可能性。

此外，scCO?在木材改性中的应用也值得关注。通过将特定的化合物（如蜡或树脂）注入木材内部，可以显著提高其耐久性和防护性能。这种技术被称为渗透处理，通常通过在高压下将化合物溶解在CO?中，然后将其推入木材内部，最后在减压过程中让化合物从溶液中析出并固化在木材内部。这种方法在保护木材免受环境因素影响方面表现出色，例如通过注入含有大量生物大分子的树蜡，可以有效提升木材的抗虫性和抗菌性。Lucas等人尝试使用scCO?将乙基乙酸酯和癸醛等有机化合物注入辐射松中，以提高其在特定应用中的性能。他们的研究表明，在较低的压力和温度条件下，如7.5 MPa和接近35°C的温度，以及中等的溶剂流速，可以实现更优的渗透效果和保留率。

在实际应用中，scCO?处理技术的优势显而易见。首先，它是一种无毒、可循环利用的绿色溶剂，能够减少传统方法对环境的污染。其次，由于其高扩散性和低粘度，scCO?能够快速渗透到木材的微观结构中，从而实现高效的脱水和树脂提取。此外，该技术能够在较低的温度和压力下进行，避免了高温处理可能带来的木材结构损伤。最后，scCO?处理后的木材能够保持较好的尺寸稳定性和物理性能，这对于建筑行业中的木材加工和使用至关重要。

从研究结果来看，scCO?处理技术在木材脱水和树脂提取方面的应用已经取得了显著进展。不同研究团队通过调整实验参数，如压力、温度和处理时间，成功实现了不同种类木材的高效处理。例如，Dawson等人发现，在10–20 MPa的压力范围内，结合40–50°C的温度，可以实现高达93%–94%的脱水效率，同时保持木材的结构完整性。而Bertaud等人则通过提高压力至30 MPa，并在60°C的条件下，成功实现了树脂的高效提取，其提取效率可达8.53 g/100 g。这些实验结果表明，scCO?处理技术不仅适用于辐射松，还可能适用于其他类型的木材，如核桃和竹子。

总体而言，scCO?处理技术在木材加工中的应用前景广阔。它不仅能够有效降低木材的含水率，提高其在建筑行业的适用性，还能够实现树脂的高效提取，为木材的高附加值利用提供了可能。此外，该技术在木材改性和渗透处理方面的应用也展现出良好的潜力，使得木材在多种工业场景中具有更广泛的应用价值。随着相关研究的不断深入和技术的进一步优化，scCO?有望成为木材加工领域的一种主流绿色技术，推动行业向更加环保和高效的方向发展。