《International Biodeterioration & Biodegradation》：Influence of microwave treatment on fungal decay, preservative performance, and mechanical integrity of
Eucalyptus globulus heartwood
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研究人员研究了微波（MW）处理强度对蓝桉（Eucalyptus globulus）心材在防腐浸注前后渗透性改善、力学完整性与生物耐久性之间平衡的影响。评估了三种MW处理配置：400 W/3 min、400 W/25 min和700 W/5 min，并以常规强制
研究人员研究了微波（MW）处理强度对蓝桉（Eucalyptus globulus）心材在防腐浸注前后渗透性改善、力学完整性与生物耐久性之间平衡的影响。评估了三种MW处理配置：400 W/3 min、400 W/25 min和700 W/5 min，并以常规强制空气干燥材为对照。测定了防腐剂（铜唑制剂Tanalith E 8001）保持量、抗流失性、三点弯曲力学性能（抗弯强度MOR和弹性模量MOE）以及白腐菌Trametes versicolor引起的质量损失。结果表明，温和MW处理（400W_3min）使防腐剂保持量提高74.6%，且未对弯曲强度、刚度及真菌抗性产生显著影响；而高强度处理（400W_25min和700W_5min）使保持量分别提高111.4%和114.3%，但导致木材密度下降、力学性能退化（MOR降低16.3%–22.1%，MOE降低10.9%–15.2%）以及未防腐处理时真菌质量损失显著增加（9.54%–18.84%）。防腐浸注后，MW处理组的真菌质量损失较对应未浸注组降低40.8%–91.3%，其中高强度MW处理组降幅最大。研究证实，MW处理主要通过改变木材解剖结构可及性发挥作用：单独使用时高强度处理增加真菌易感性，但作为防腐浸注的预处理时，相同的解剖结构改变可促进防腐剂渗透并显著提升生物耐久性。因此，最优MW处理条件应依据目标服役条件在结构完整性与防腐可处理性之间寻求平衡，而非单纯追求渗透性最大化。
研究背景：随着木结构建筑需求增长，硬木树种因高密度和优良力学性能而受到关注。蓝桉（Eucalyptus globulus）作为一种速生硬木，具有适合结构用途的高力学性能，被考虑用于正交胶合木（CLT）等工程木产品生产。然而，其心材渗透性低，导致干燥困难、胶合挑战和浸注性差，限制了更广泛应用。常规热改性虽可改善生物耐久性和尺寸稳定性，但往往伴随细胞壁聚合物降解，特别是半纤维素降解，从而降低弯曲强度、抗冲击性和韧性等关键力学性能。微波（MW）处理已被证明可有效提高不同树种木材的渗透性和可处理性，其主要与体积介电加热和内部蒸气压快速产生有关，可改变流体传输的解剖屏障并增加路径连通性。尽管文献一致报道MW处理的主要效应为渗透性增强，但仍存在关键科学空白：MW处理诱导的微观结构变化与硬木真菌定殖之间的直接联系尚未建立。迄今为止，研究主要集中于表征物理力学性能和渗透性增益，但增加孔隙率所需的改性程度也可能从根本上改变木材固有的抗真菌攻击能力。通过质量损失分析量化这一影响至关重要，因为MW技术的工业实施取决于确保增强的可处理性不会显著降低生物完整性。
研究假设与目的：基于MW处理对木材渗透性和解剖结构的已知效应，本研究假设MW诱导的改性可能通过促进真菌进入木材结构而增加木材对真菌腐朽的易感性。据此，本研究主要目的是确定不同MW处理强度（由不同功率和暴露时间配置定义）如何影响蓝桉心材对白腐菌Trametes versicolor腐朽的易感性。在此框架内，评估防腐处理木材试样以确定MW诱导的增强可处理性能否抵消真菌易感性的任何增加。随后进行力学测试以评估这些生物学和防腐相关响应是否可在保持弯曲强度和刚度的同时实现。
主要技术方法：研究人员选取葡萄牙中部来源的蓝桉心材小清材试样64个，尺寸32 cm×2 cm×2 cm（纵向×径向×弦向），分为对照组和三种MW处理组（400W_3min、400W_25min、700W_5min），MW处理使用2.45 GHz微波炉。处理后进行铜唑防腐剂（Tanalith E 8001）浸注（真空80 kPa/30 min—压力1500 kPa/75 min—真空30 min），测定保持量和四周期加速流失率。力学性能按ISO 13061标准进行三点弯曲测试测定MOR和MOE，密度按ISO 13061-2测定。真菌腐朽试验按AWPA E?10程序使用白腐菌Trametes versicolor（Mad-534）进行12周培养，按AWPA E?30测定质量损失并分级。统计采用ANOVA和Tukey多重比较检验（5%显著性水平）。
研究结果：
3.1 MW处理：MW参数产生显著不同的处理条件。比功率从400 W处理的0.78 W cm?3增至700 W的1.37 W cm?3，差异主要体现在干燥动力学而非累计供给能量。400W_25min处理供给能量近乎400W_3min的十倍，但干燥速率仅从0.42增至0.53% min?1；而高强度处理（700W_5min）干燥速率达1.84% min?1，为温和暴露的三倍以上。单位能量比水分去除率在700 W处理中最高，约为温和条件的兩倍。结果表明，较高比功率与显著更大的干燥速率相关，而在400 W下延长暴露时间仅产生相对温和的增加。处理强度不能仅以累计供给能量解释：400W_25min处理主要作为干燥过程，而700W_5min代表最具侵蚀性的改性情景。高比功率与快速蒸气形成的组合可能在细胞网络内产生局部应力，增加纹孔变形、细胞壁分离和微裂隙形成的概率。
3.2 防腐剂保持量：MW处理显著影响防腐剂吸收和后续流失行为。对照组保持量最低（5.03 kg m?3），所有MW处理组显著更高（8.78–10.77 kg m?3）。400W_3min、400W_25min和700W_5min组保持量较对照组分别增加74.6%、111.4%和114.3%，证实了蓝桉心材的难渗透性。未处理试样流失率最高（2.15%），显著高于所有MW处理组（1.45%–1.59%），相对降低约26%–33%。由于所有组流失率均低于2.2%，这些差异不应解释为长期服役寿命改善的证据，而是表明MW处理后大幅提高的防腐剂吸收未伴随重复水暴露期间更大比例损失。MW暴露后较低流失率表明木材结构对防腐剂损失具有更大抵抗力，尽管本研究未直接表征防腐剂分布。
3.3 力学性能与木材密度：MW处理显著影响力学性能和密度，影响程度取决于处理强度。对照组刚度和强度最高，降低幅度随MW强度增加。400W_3min处理与对照材相比MOR和MOE无统计学差异（p>0.05），表明温和MW处理保持了木材力学完整性。400W_25min处理产生中等降低（MOR降低16.3%，MOE降低10.9%），而700W_5min处理降低最大（MOR降低22.1%，MOE降低15.2%）。木材密度呈类似趋势，两种最严重处理密度降低具统计学显著性，表明力学损失与结构内质量减少密切相关而非仅与化学降解有关。这种行为符合MW改性的典型权衡：低MW强度下创建的路径有限且力学性能保持；过度内部压力削弱细胞壁并降低木材密度，直接影响强度。
3.4 真菌腐朽试验结果：生物耐久性结果揭示MW改性与防腐处理之间的强关联。在无防腐处理条件下，真菌质量损失随MW处理强度递增。未处理对照组仅3.07%质量损失，证实蓝桉心材天然高耐久性；温和MW条件（400W_3min）表现统计学相似（2.36%），表明有限MW暴露未显著影响天然耐久性。然而，增加处理强度显著降低生物抗性，400W_25min和700W_5min质量损失分别达9.54%和18.84%。真菌降解增加与先前报道的MW处理木材解剖变化一致：高MW功率促进快速体积加热，产生升高的内部蒸气压，可能分离胞间层、损伤具缘纹孔并在细胞壁结构内产生微裂隙。尽管这些结构修饰显著改善木材渗透性，但也可能为真菌穿透和定殖创建优先路径。白腐菌通过细胞腔暴露表面向壁内部侵蚀降解，严重MW诱导结构修饰相关的更大暴露表面和互连路径可用性为增加的真菌降解提供了机制上合理的解释。防腐浸注后，相对于对应未处理试样，真菌质量损失在对照组降低42.8%、400W_3min组降低40.8%、400W_25min组降低84.2%、700W_5min组降低91.3%。值得注意的是，真菌质量损失最大降幅出现在无防腐处理时降解最严重的MW条件下。这些发现揭示了MW诱导结构修饰的双重作用：增强防腐浸注的解剖变化在足够强烈时也可能增加木材对真菌定殖的可及性。铜基防腐剂如Tanalith E通过多种机制抑制真菌代谢，包括破坏酶活性和干扰必需生理过程。一旦防腐剂均匀分布在木材结构内，尽管MW处理增加了解剖可及性，真菌建立和后续酶降解仍受到强烈抑制。
3.5 综合分析：综合结果揭示MW处理主要改变结构可及性而非直接增强对T. versicolor真菌的耐久性。根据处理强度可识别三个不同响应域。低强度（400W_3min）：渗透性改善而无力学性能和生物抗性的统计学显著损失，代表阈值区域。图5进一步显示弯曲性能降低与MW干燥速率相关：随干燥速率增加，MOR和MOE逐渐降低，决定系数（R2）分别为0.5809和0.7243。尽管这些关系中等，表明较快水分去除趋于产生更大机械退化。MOE的较强相关性表明木材刚度对干燥动力学比弯曲强度更敏感。中等和高处理强度（400W_25min和700W_5min）：木材密度、弯曲强度、刚度和生物耐久性同时降低，与渐进性更大结构修饰一致。然而，防腐浸注后解释根本改变：更强烈MW处理导致更高防腐剂保持量，浸注后显示最大相对真菌抗性改善。这表明MW处理不应仅作为改性技术评估，而应作为优化后续保护工艺的预处理。总体而言，MW处理效果强烈取决于其预期应用：单独使用时严重MW暴露增加解剖可及性并因此增加真菌易感性；相反，当后续进行防腐浸注时，相同的解剖变化通过改善防腐剂分布和显著增强生物耐久性而变得有利。因此，最优MW条件不应仅由渗透性增强或保持力学性能定义，而应由实现结构完整性与防腐可处理性之间最适合目标服役条件的平衡来定义。这种综合方法表明，当MW处理与防腐浸注结合时，渗透性增强与机械退化之间的表观权衡可以缓解，为改善难渗透硬木耐久性同时限制力学性能损失提供了实用策略。结合防腐剂渗透分析与扫描电子显微镜（SEM）的进一步研究可提供关于MW诱导内部裂纹、其作为真菌菌丝路径的潜在作用以及与铜基防腐剂化合物分布关系的额外见解。
讨论与结论总结：本研究调查了微波处理强度如何影响蓝桉心材试样在防腐浸注前后渗透性改善、力学完整性与生物耐久性之间的平衡。结果表明，温和MW处理（400W_3min）增加防腐剂吸收而未显著影响弯曲强度、刚度或真菌抗性，代表可在保持木材力学性能和天然耐久性的同时增强渗透性的实用加工阈值。随着处理强度增加，潜在机制发生转变：400W_25min和700W_5min配置与木材密度降低、力学退化和对Trametes versicolor易感性增加相关，证实了第一个假设——当木材未受保护时，MW处理产生的微观结构不连续性促进真菌定殖。在这些条件下，MW处理不再仅作为浸注性增强技术，还作为木材细胞网络的结构改性。相反，防腐浸注从根本上改变了这一响应：最初增加真菌易感性的相同解剖修饰通过促进更深防腐剂渗透和更有效保护而变得有利。因此，在MW改性最严重的试样中观察到生物耐久性的最大改善，证实了第二个假设——MW处理作为预处理而非独立木材改性过程时最为有效。结果进一步表明，最优MW加工条件不是仅由最大渗透性定义，而是由结构保持与化学可及性之间实现适当平衡来定义。过度严重处理损害力学可靠性，而改性不足限制防腐剂渗透。因此，应根据材料预期服役条件选择MW加工参数，而非单纯最大化能量输入或干燥速率。从工程角度看，本研究结果支持将MW处理与防腐浸注整合用于难渗透硬木的工业可行性。正确校准后，这种组合方法可在保持可接受力学性能的同时实现生物耐久性的显著改善，为扩大难渗透硬木树种的结构应用提供了有效策略。未来研究应通过评估实际服役条件下的长期耐久性来扩展本实验室研究，包括户外暴露试验、风化-腐朽联合实验、循环水分加载以及防腐剂分布和MW诱导微观结构损伤的高级显微表征。
