超声波预处理对杉木和巨桉×尾叶桉理化特性及干燥行为的协同调控机制研究

本研究针对速生人工林木材干燥效率低、渗透性差等瓶颈问题，创新性地采用超声波预处理技术（320 W, 40 kHz），系统探究了1-5小时处理对杉木（Cunninghamia lanceolata）和巨桉×尾叶桉（Eucalyptus grandis×urophylla）的协同结构调控效应。通过多尺度表征发现，超声处理通过破坏纹孔膜、增加大中孔比例（最高达58.9%），使气体渗透性提升63%（径向）和60%（切向），并显著提高干燥速率（10-13%）和扩散系数（De）。研究为优化超声波参数提供了理论依据，对提升速生材工业利用价值具有重要意义。

　　

木材干燥是木材加工过程中的关键环节，直接影响最终产品的尺寸稳定性和经济价值。然而，木材固有的低渗透性成为制约干燥效率的核心瓶颈——高孔隙度并不等同于良好的流体渗透性，这主要受纹孔膜完整性、细胞壁超微结构等解剖特征调控。传统改善方法如生物处理、化学改性等存在环境负担或工艺复杂等问题，而超声波技术凭借其空化效应（cavitation）、微射流等物理机制，在食品脱水、生物质处理等领域展现出独特优势，但在木材干燥领域的多尺度协同调控机制尚不明确。

为此，Jing Qian团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表研究，选取代表性针叶材杉木和阔叶材巨桉×尾叶桉，采用320W/40kHz超声波处理1-5小时，通过多尺度表征技术揭示超声预处理对木材结构-性能的协同调控规律。研究创新性地整合了衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、汞侵入孔隙测定法（MIP）等技术，结合干燥动力学实验，系统评估了超声处理对两类木材的理化性质、孔隙演化和干燥行为的差异化影响。

物理、化学、形态和微观结构响应

超声处理使杉木和桉木的质量损失率分别提升至2.3%和1.2%，FTIR显示游离羟基（3340 cm^-1）减少而木质素特征峰（1596 cm^-1）增强。细胞壁双壁厚度呈现"下降-稳定-再下降"趋势，杉木早材和晚材纤维分别减薄30.7%和34.1%。微纤丝角（MFA）在杉木中增加89.2%，而桉木呈现先降后升的波动模式。XRD证实纤维素结晶类型未变，但结晶度指数（CrI）下降2.7-3.3%，表明超声主要破坏结晶区与非晶区的氢键网络。

吸湿尺寸稳定性和肖氏硬度

平衡含水率（EMC）在75%湿度下最高降低1.9%，径向膨胀率从1.3%降至0.1%。肖氏硬度（Shore D）三维各向异性下降，其中杉木径向硬度降幅达21.3%，桉木为24.1%，这与细胞壁基质松散化和木质素重组密切相关。

孔隙演化和气体渗透性

SEM显示超声处理逐步破坏纹孔膜，300分钟后完全开放。MIP分析表明大孔（≥20.5μm）比例提升至58.9%，总孔隙率增加5%（杉木）和7%（桉木），但5小时处理会导致结构坍塌。气体渗透系数（K_G）在杉木径向提升63%，切向提升60%；桉木相应提升42%和33%，证实超声有效改善流体传输通道。

干燥性能

优化处理时间（杉木2小时，桉木4小时）使干燥速率提高10-13%，扩散系数（D_e）提升9.4-11.1%。值得注意的是，自由水迁移显著改善，而结合水响应较弱。体积收缩率最高降低3.4%，表明超声处理能缓解干燥应力。

该研究首次系统阐明超声波处理对针阔叶材的多尺度协同调控机制：通过空化效应选择性破坏纹孔膜、优化孔隙结构，同时保持纤维素骨架完整性，实现渗透性与干燥效率的同步提升。研究提出的"时间-结构-性能"关联模型，为速生材的超声波改性工艺优化提供了精准调控依据，对推动绿色木材加工技术发展具有重要实践价值。特别值得注意的是，5小时过度处理导致的性能衰减现象，提示工业生产中需建立物种特异性的参数优化体系。这些发现不仅丰富了木材物理改性理论，也为开发低能耗、高效率的干燥装备奠定了技术基础。