《Applied Sciences》：Experimental and Analytical Methods in Nanotechnology-Based Wood Surface Treatments: A Systematic Review
纳米技术在木材改性领域的应用日益广泛，显著提升了胶合层压木材（GLT）等木质建筑材料的耐久性、防火性能及生物稳定性，以及阻燃剂和防腐保鲜剂等相关化学产品的性能。尽管已有大量综述论文聚焦于材料性能与功能化策略，但针对该领域研究方法学的全面分析仍显不足。本综述旨在填补这一空白，系统考察纳米材料改性木材表面处理研究中的实验与分析方法。研究人员以木材、纳米技术及模拟工厂和施工现场工业化木材处理过程的表面应用为关键词，检索并筛选了Web of Science和Scopus数据库近十年内发表的科学文献。文献筛选遵循预设的纳入与排除标准，研究选择过程依据PRISMA（系统综述和荟萃分析优先报告条目）方法学进行，最终74篇符合纳入标准的研究被选入最终分析。提取的方法学特征经编码后采用基于频次的描述性统计进行分析。分析发现在所考察的研究中存在显著的方法学异质性。软木树种、TiO?和ZnO基纳米材料，以及刷涂或浸渍处理构成了最常见的研究配置。扫描电子显微镜（SEM）常与EDS和XRD分析联用，在纳米改性木材研究的分析框架中占据核心地位。相比之下，长期耐久性评估、生物抗性测试和防火性能评价则相对不足。综述还揭示了测试标准和统计方法使用方面的显著变异性。通过将研究方法与建筑材料的规范性要求相关联，本工作为纳米材料基木材防护系统的未来研究、标准化、认证和商业化实施提供了方法学框架。
1 引言
木材因其优异的强度-重量比、低环境影响以及在生物经济和碳储存战略中的重要作用，仍然是建筑和工程领域使用最广泛的可再生材料之一。然而， moisture-induced degradation（moisture-induced degradation）、生物侵蚀和风化作用限制了其在户外和结构应用中的长期性能，其中真菌腐朽和昆虫损害是最为关键的劣化机制，每年造成巨大的经济损失。为此，研究人员开发了多种延长木材使用寿命的策略，包括化学改性、热处理、涂层和防腐剂体系等。
在此基础上，传统木材保护方法日益得到表面工程策略的补充，旨在缓解最关键的环境影响，特别是紫外线辐射和与水分相关的风化过程，包括降雨暴露、水喷淋、水分吸收、湿度波动以及润湿-干燥循环，这些都是驱动风化的主要因素。在此背景下，研究逐渐转向多功能解决方案，包括纳米材料基涂层体系。
纳米技术因其独特性质而成为木材改性的有前景解决方案，纳米材料具有增强的反应活性以及渗透木材细胞壁多孔结构的能力。这种渗透能够实现表面化学改性和性能特征的改善，包括对水分和生物降解的抗性。纳米粒子作为木材防腐剂中的活性剂被广泛研究，可提供改进的递送效率、控释性能和基本化合物的增强稳定性。
近期研究还集中于开发用于木材保护的生物基、环保纳米结构体系，例如壳聚糖-纳米粒子包封精油，其提供抗菌和屏障功能，同时符合绿色化学原则。类似地，掺入石墨烯、粘土矿物和生物基聚合物等材料的纳米复合涂层已显示出改善的防火性能和热稳定性。石墨烯基体系尤其可作为有效的热和氧屏障，从而降低点火风险并增强燃烧过程中的炭形成。
表面工程的进步正推动多功能涂层的发展，如超疏水溶胶-凝胶体系，其显著增强木材表面的拒水性和耐久性。这一转变标志着向环保聚合物纳米复合材料的决定性迈进，生物基或混合阻燃体系替代了传统有毒选项，在降低环境影响的同时提升性能。
尽管纳米材料改性木材体系的研究日益增多，但对该领域使用的实验和分析方法学仍缺乏系统性分析。现有综述主要强调材料性能、功能改进或特定改性策略，而方法学一致性、测试标准和分析技术的比较评价仍有待深入探索。这一空白尤为重要，因为该领域应用的表征方法呈现多样性，包括形态学和微结构分析（SEM、TEM）、化学表征（FTIR、EDS）、热分析（TGA、DTG）、力学测试、耐久性评估和防火性能评价等。
此外，关于纳米技术基木材处理的长期环境影响、健康安全和可扩展性的关注，凸显了标准化测试方法的必要性。应对这些挑战对于将实验室规模创新转化为可靠的、工业上可应用的木材保护技术至关重要。
本研究旨在系统分析和分类纳米改性木材涂层领域的当前研究方法。综述重点识别和量化文献中最常用的纳米材料、木材基材、应用方法和实验技术。此外，研究评价了物理化学、力学、生物学和耐久性相关测试方法的频次和范围，以及标准化测试程序的使用情况。特别关注报告实践和规范标准的应用。基于这一分析，识别了关键研究趋势、方法学空白和需要进一步发展的领域，以支持纳米技术基木材保护系统中更 robust、可重复和标准化的方法发展。
2 方法
为确保相关文献选择过程的透明性和可重复性，研究遵循PRISMA（系统综述和荟萃分析优先报告条目）指南。在Scopus和Web of Science等主要科学数据库中，使用与木材和纳米材料基表面处理相关的预设关键词进行了系统性检索。Web of Science的检索式为：TS = (wood) AND AK = (nanotechnology OR nanomaterial* OR nanoparticle*) AND TS = (surface* OR coating*) AND PY = (2016–2026)。Scopus在材料科学、化学、化学工程、工程和跨学科领域的检索式为：KEY (wood) AND TITLE-ABS-KEY (nanotechnology OR nanomaterial* OR nanoparticle*) AND TITLE-ABS-KEY (surface* OR coating*) AND PUBYEAR > 2015 AND PUBYEAR < 2027。
初始检索获得1505条记录。去除重复并应用选择标准后，470篇研究进入标题和摘要筛选阶段。在此阶段，排除了与纳米材料改性木材无关或缺乏实验重点的研究。最终74篇研究纳入最终分析。
从研究中提取的数据包括：物理化学和仪器分析方法的出现情况；力学和物理性能评估；耐久性测试，包括生物抗性和人工老化方法；人体安全测试；统计方法；以及分析出版物中使用的测试标准。附加变量包括用于浸渍的基材类型、处理技术、应用的纳米粒子以及研究中报告的测试标准。
对于方法描述不完整的情况，分析中仅纳入明确报告的数据。数据提取和编码在审阅出版物后手动进行，每个特征作为二元变量进行评估和编码：存在为1，不存在为0。
描述性统计分析使用MS Excel 2013进行。提取的数据使用频次分析进行综合，计算每个特征的出现计数（n）和在全部纳入文章（N = 74）中的相对频率（%）。此外，在R中进行了二元共现和相似性分析，用于评估分类变量之间的成对关联，包括处理材料、纳米粒子类型、应用方法和测试方法。
3 结果
3.1 木材表面处理的材料与应用
最常用的纳米粒子为TiO?（31%的出版物）和氧化锌（ZnO）（28%的出版物）。SiO?、银和铜基纳米添加剂分别在14%、12%和11%的综述文章中被报道。
纳米纤维素和木质素基纳米材料代表了较小但日益重要的生物基改性剂类别。纳米纤维素类别包括纳米纤化纤维素（NFC）、纤维素纳米晶体（CNCs）和硝化纤维素纳米粒子，这些材料在8%的出版物中被作为涂层配方和表面处理体系中的生物基纳米尺度添加剂。纳米木质素类别包括牛皮纸木质素、乙酰化木质素、有机溶剂木质素以及从不同生物质来源生产的木质素纳米粒子（LNPs）。
最常见的木材基材是软木（41%的文章），表明应用主要集中在建筑领域。硬木在26%的研究中被报道，而异域木材种占12%，代表了可能与家具和高价值产品相关的第二大应用领域。
在30篇文章（41%）中，纳米粒子合成在木材处理之前进行。最常用的应用方法是刷涂和浸渍，分别在32%和27%的文章中被报道。真空技术排名第三，占15%的出版物。其他处理方法如压力浸渍和逐层（LbL）组装使用频率较低。
3.2 物理化学和仪器分析方法
最常用的光谱学方法是FTIR（28%的文章）和UV-Vis（DRS）（22%）。最广泛使用的基于X射线的方法是EDS（EDX）和XRD，分别在38%和26%的文章中被报道。
最常用的显微技术是扫描电子显微镜（SEM），在57%的文章中被报道，包括其高分辨率变体FE-SEM。这些技术主要用于检查木材基材上的表面形貌、涂层分布和纳米粒子分散。透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）在约24%的研究中被报道，主要用于纳米粒子和涂层体系的纳米尺度结构表征。
此外，原子力显微镜（AFM）、光学显微镜（OM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）也有使用，虽然频率较低。热重分析（TGA）在19%的文章中被报道，用于评价纳米改性木材涂层及其组分的热稳定性和分解行为。动态光散射（DLS）是粒子尺寸、分散和胶体稳定性相关性质中最常用的技术，在12%的文章中被报道。
3.3 纳米技术基木材表面处理性能
3.3.1 力学和物理性能
最常研究的参数是接触角，在32%的文章中被报道，主要用于评价纳米改性木材涂层的表面润湿性和疏水或亲水特性。水分吸收在11%的综述研究中被评估，用于量化处理木材体系在浸渍或暴露条件下的整体吸水率。吸湿性在7%的文章中被报道，用于描述不同相对湿度条件下的水分吸附行为。
根据CIELAB系统的颜色参数在38%的综述文章中被研究，主要用于量化纳米改性涂层随时间的亮度（L*）、色度坐标（a*、b*）和总色差（ΔE）的变化。
3.3.2 耐久性测试
关于纳米涂层生物耐久性，最常报道的测试是腐朽菌抗性（15%的文章）。还进行了霉菌抗性（9%的文章）和木材纳米改性处理抗菌性能（8%）的研究。有限数量的研究调查了昆虫抗性，表明该领域存在研究空白（3%的文章）。
最常见的老化因素是UV暴露（36%的文章）和浸出（16%）。一些研究还评估了纳米涂层在湿度波动、高温暴露和自然风化条件下的耐久性（每项约8%的文章）。
3.4 人体安全测试与环境影响
基于纳米技术的木材处理安全评估研究仅在五篇综述文章中被报道（7%），表明该领域存在重要的研究空白。主要暴露场景包括工人在制备涂层配方过程中纳米粒子的吸入、机械加工操作中的吸入或意外摄入，以及从浸渍木材表面的手-口转移。
3.5 测试标准与纳米材料标准化
规范性测试程序在超过54%的综述文章中被报道。应用标准化方法最常见的领域是颜色和光泽评价（14%的文章）。真菌耐久性评估的标准化程序在11%的文章中被报道。标准化老化和人工风化程序也在11%的综述文章中被报道。
2005年，ISO技术委员会（TC）229—纳米技术成立，以支持纳米技术领域的标准化。然而，综述研究显示ISO/TC 229制定的纳米技术特定标准的实施有限。
3.6 统计方法
选择统计方法强烈依赖于实验设计和研究因素的数量。大多数分析文章中，结果使用描述性统计报告，主要是平均值和标准偏差。然而，许多研究中统计程序的详细方法描述有限或缺失。
方差分析（ANOVA）是综述文献中最常报道的推断统计方法。在许多情况下，它被通称为"ANOVA"，未指定模型结构或实验设计。事后比较在ANOVA显示显著差异时进行，最常用的是Tukey HSD检验，其次是Duncan多重范围检验。
4 共现分析与讨论
4.1 木材表面处理的材料与应用
共现分析表明，二氧化钛（TiO?）作为最常被研究的纳米材料，主要与纳米粒子合成、刷涂和浸渍处理相关联。ZnO体系最常与刷涂应用相关联。在所有处理方法中，刷涂作为不同纳米粒子体系中最常用的技术出现。与之相反，纳米木质素和纳米纤维素显示出明显的不同应用特征，这些材料主要与纳米粒子合成而非传统木材处理方法相关联。
最常出现的配对是软木-TiO?，表明其作为木材纳米改性研究中主要纳米粒子的角色。研究结果揭示研究努力高度集中于软木基材，其与纳米材料合成、刷涂、浸渍和真空浸渍处理最频繁相关。
4.2 测试与仪器方法
最常见的分析配置是SEM和EDS的联合使用，反映了形态学和元素表征的互补性质。其他常用的方法对包括SEM-XRD、EDS-XRD、ATR-FTIR-SEM、TGA-SEM、UV-Vis-SEM和SEM-TEM。
刷涂处理与UV暴露测试和颜色参数测量（CIELAB）的组合是最频繁的关联，表明研究主要集中于评估纳米改性处理的外观相关性能。UV暴露与颜色、UV暴露与润湿性组合之外，未识别出耐久性测试和评估性能之间的明确聚类。
5 从科学研究到商业应用
5.1 监管要求与基本产品特性
纳米技术基木材处理产品的商业实施不仅需要有效的处理技术开发，还需要符合监管建筑产品的法规框架。在欧洲联盟，建筑材料评估通过协调标准和法规框架进行，这些框架规定了所需的性能和安全参数。
纳米处理用于建筑行业最可能的应用包括防水液体施用涂层和阻燃组合物。此类产品必须符合相关欧洲评估文件中的要求。
5.2 进一步研究与开发工作框架
5.2.1 TRL 1—基础原理观察与报告
TRL 1阶段的研究集中于识别和理解纳米材料的基本物理化学性质及其对未来木材保护应用的潜在相关性。根据OECD安全与可持续设计（SSbD）框架，早期纳米材料研究应解决功能性、安全性和可持续性三个关键方面。
5.2.2 TRL 2—技术概念或应用构想
在TRL 2阶段，基础研究阶段产生的知识被转化为初步的技术概念和潜在应用情景，包括识别有前景的纳米材料、目标木材产品、预期使用条件和市场应用。
5.2.3 TRL 3—关键功能的分析和实验概念验证
TRL 3阶段实验验证与拟议技术概念相关的关键功能。对于纳米材料基木材保护系统，概念验证研究集中于与预期应用相关的最关键功能特性。
5.2.4 TRL 4—实验室环境中的组件功能验证
在TRL 4阶段，概念验证研究中证明的个体功能被整合到实验室规模的产品原型中，以验证不同组件是否按预期协同工作。主要目标是建立所开发材料系统的基础性能。
5.2.5 TRL 5—相关环境中关键功能验证
TRL 5阶段在代表预期应用的相关服务条件下评估TRL 3和TRL 4中测试的关键功能。对于木材保护系统，相关环境通常由服务期间预期的主要劣化因素定义。
5.2.6 TRL 6—相关环境中元素关键功能模型验证
在TRL 6阶段，使用代表拟议最终应用的代表性产品模型评估所开发的纳米材料基木材保护技术，这些模型在材料、尺寸、制造程序和处理技术方面与最终应用密切相似。
5.2.7 TRL 7–9—验证、认证和商业部署
TRL 7–9旨在证明所开发的技术能够成功制造、认证并分发给最终用户。TRL 7在操作条件下使用全尺寸或近全尺寸产品模型展示所开发技术的性能。TRL 8技术被认为技术上完整并准备上市。TRL 9在技术成功实施并在真实服务条件下运行时被实现。
6 结论
本研究分析了纳米改性木材涂层和相关测试方法的当前研究现状。主要结论包括：约半数综述研究使用了测试物理、机械和耐久性能的标准参考，特别是在颜色和光泽评价、真菌耐久性以及老化和耐候性方面。然而，标准化测试程序在其他领域的应用较少。纳米材料测试方法的标准化仍在发展中。只有少量研究涉及纳米材料基木材处理的安全性和生物耐久性，表明该领域存在重大研究空白。
共现分析揭示了有限的几种主要木材类型-纳米材料-处理组合，并识别了纳米材料基木材改性研究中最常用的分析方法。软木是最常处理基材，主要与通过刷涂和浸渍应用的TiO?和ZnO基纳米材料相关联。以SEM为中心的特征分析策略代表了最常用的分析框架。结果进一步表明研究强烈聚焦于颜色稳定性和润湿性，而全面的长期耐久性评估仍然相对稀缺，为未来的研究提供了重要机遇。
