《Coatings》：Precision Harvesting Technologies for Tree Bark-Derived Bio-Based Polymers Toward Sustainable Coating Applications
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树皮源生物基聚合物作为涂料、表面防护、胶黏剂及功能膜领域的可再生材料展现出广阔前景。本综述旨在阐明采割过程如何影响原料质量与涂层性能。所讨论材料涵盖生漆（Raw Lacquer）、松脂衍生的松香（Rosin）、松节油（Turpentine）及树胶（Tree G
树皮源生物基聚合物作为涂料、表面防护、胶黏剂及功能膜领域的可再生材料展现出广阔前景。本综述旨在阐明采割过程如何影响原料质量与涂层性能。所讨论材料涵盖生漆（Raw Lacquer）、松脂衍生的松香（Rosin）、松节油（Turpentine）及树胶（Tree Gums）。关键采割因素如切口深度、采割频率、收集方式、环境条件及树木生理状态均可影响产量稳定性、杂质含量、酶活性、黏度、化学组成及批次一致性，进而影响成膜性、固化行为、附着力、阻隔性能、耐腐蚀性、水敏感性及耐久性。传统人工采割灵活但劳动密集、依赖技能且难以标准化。近年精准化与智能化采割技术，包括可控深度切割、低损伤切口、多传感器感知、自适应轨迹规划及封闭式收集，为提升采割效率、降低污染、保护树木健康及供应涂层级原料提供了新途径。本综述建立了原料特性、采割参数、原料质量与涂层膜性能之间的关联框架，并展望了可持续、自动化及低损伤采割的未来方向，以支撑高品质生物基涂层发展。
2 树皮源聚合物的结构特征与功能性组分
2.1 天然生漆
2.1.1 生漆的结构组成及成膜机理
天然生漆采割自漆树（Toxicodendron vernicifluum），以水包油（W/O）乳液形式存在。其主要化学组分包括漆酚（Urushiol，60%–65%）、水（20%–30%）、多糖（3%–7%）、不可溶性糖蛋白（1%–2%）、漆酶（Laccase，~0.2%）及微量蓝铜蛋白（~0.02%）。其中漆酚为主要成膜前体，漆酶启动氧化聚合反应，多糖与糖蛋白则贡献于乳液稳定性、界面调控及成膜过程。漆树液主要分布在次生韧皮部，乳管状树脂道的密度与尺寸随树龄及组织发育而变化，维持着分泌效率与树木机械保护之间的动态平衡。生漆的固化与成膜可理解为涉及乳液稳定性、酶促氧化、自由基生成、交联及最终涂层性能发展的序贯过程：首先，糖蛋白与多糖稳定W/O乳液并调控反应组分在油水界面的分布与传输；其次，在适宜湿度与氧气条件下，漆酶催化漆酚中儿茶酚基团的氧化，启动酶促固化；再次，该氧化产生反应性自由基物种，参与链增长与偶联反应，蓝铜蛋白有助于调控自由基浓度、抑制过度氧化；继而，自由基介导的反应导致漆酚分子逐步交联，形成致密三维聚合物网络，赋予漆膜优异的附着力、光泽、硬度、耐化学性、腐蚀防护、阻隔性能及长期耐久性。环境因素如温度、湿度、氧气扩散及季节变化均可影响酶活性、底物迁移率及聚合速率，通常在约70%–85%相对湿度下，生漆可于室温下完成酶促氧化聚合。
2.2 松香/松节油
2.2.1 松脂与松节油的结构组成及其成膜行为机制
松脂衍生的松香和松节油源自松属（Pinus）植物的油树脂。松脂主要由非挥发性树脂酸和挥发性萜烯组成，其中枞酸型（Abietic Acid-type）树脂酸为松香的主要结构组分。这些树脂酸含有疏水二萜骨架及反应性羧基，为酯化、氢化、歧化、聚合及成盐反应提供活性位点。松节油主要由挥发性单萜组成，可作为生物基溶剂或涂料配方中的反应性萜烯原料。松树油树脂通过纵向和径向树脂道合成与运输，树脂道内壁衬有分泌上皮细胞。采割参数包括切口深度、伤口面积、采割间隔、刺激剂使用、收集方式、季节、树龄、胸径（DBH）及采后处理均可改变树脂酸组成、挥发性萜烯含量、水分、杂质、黏度、颜色、酸值及氧化稳定性，进而影响涂料配方相容性、干燥动力学、膜均匀性、硬度发展、光泽、附着力、阻隔性能、耐腐蚀性及长期耐久性。通常10–30年生、胸径15–35 cm的松树具有相对成熟的树脂道网络，可支持更稳定的油树脂分泌。
2.3 树胶（阿拉伯胶、桃胶等）
2.3.1 树胶的结构组成及其成膜行为机制
树胶为植物受机械损伤或环境胁迫时分泌的以多糖为基础的天然生物聚合物，典型代表包括阿拉伯胶（Gum Arabic，Acacia spp.）和桃胶（Peach Gum，Prunus persica）。其主要通过韧皮部相关组织经自然裂隙或人工切口以高黏度水溶性胶体形式渗出，主要由多糖及少量蛋白质和矿物离子组成。树胶成膜主要由水分蒸发和物理自组装驱动而非酶促氧化聚合。脱水过程中，多糖链通过氢键、范德华力及离子相互作用缔合，形成从溶胶到凝胶最终到固膜的三维网络。该机制赋予树胶基涂料良好的水基体系相容性及亲水性基材附着力，但同样导致高吸水率、溶胀、湿态稳定性差及长期阻隔性能有限等缺陷，因此需通过交联、疏水改性或复合设计加以改进。
3 传统采割技术及其现存挑战
3.1 树皮源材料的传统人工采割技术
3.1.1 生漆
中国传统生漆采割几乎完全依赖劳动密集型手工作业。熟练工人使用专用采漆刀在树皮上制作浅槽或可控弧形切口，靶向富含乳管的区域以刺激漆液持续渗出。常见切口类型包括"V形"、"柳叶形"、"直线形"及"牛鼻形"等，其中"牛鼻形"因能最小化形成层损伤、促进伤口快速愈合而备受关注。采割通常在夏季进行，日内以清晨为适宜采割时段。研究表明，每棵树6个切口时平均日总产漆量最高可达18.3 g/树/天，约8天采割间隔下最高平均累积产漆量达66.53 g/树（图3）。然而这些数值为特定实验条件下的个案结果，其长期可持续性需结合伤口愈合、形成层损伤、漆组分、漆酶活性、黏度及涂层性能综合评估。
3.1.2 松香与松节油
传统松脂收集依靠人工树脂采割，通过树干上刻意刻制的沟槽刺激树脂从专门树脂道持续渗出。切口通常呈V形或纵向螺旋排列，切割深度严格控制于树皮层内以避免损伤形成层和木质部。老龄化工人和经验依赖导致产量、纯度及批次稳定性存在显著变异。
3.1.3 树胶（阿拉伯胶、桃胶）
树胶通常通过自然树皮裂隙或人工切口的手工采割获得。阿拉伯胶多在旱季采割以降低水分污染风险；桃胶则需在树表完全固化后收集。采割中需精确控制切口深度、伤口尺寸及采割间隔，过度损伤易导致微生物感染、降低再生能力甚至树木死亡。
3.2 传统采割的共性问题
传统方法依赖人工经验与体力劳动，存在生产效率低、产品一致性差及大规模供应受限等固有限制。关键参数如切口深度、切割角度、伤口间距、采割间隔及频率难以精确控制，直接影响树脂道、乳管状树脂道或树胶分泌组织的开放程度，进而影响分泌效率和材料质量。环境因子如温度、湿度、季节变化、树龄及生理状态显著影响产量和化学组成，但手工操作难以精确调控或记录这些变量，导致涂层级原料批次间不一致。
3.3 产业化与智能化升级限制
传统采割的工业化与智能化升级面临多重瓶颈：生物异质性（不同树种分泌组织结构、渗出物流变学、伤口愈合能力及污染敏感性差异显著）、野外适应性（不规则树干形态、不均匀树皮厚度、复杂地形）、经济可行性及维护能力等。生漆树的机械化受不均匀分布的漆酶敏感性分泌道、高黏度漆液、漆酚致敏性及严格污染控制要求所限；松脂系统虽相对更易实现半机械化，但物种差异、树脂道分布及刺激剂响应限制了大面积推广；树胶采割则因渗出强烈依赖于伤口条件、季节、湿度及水分胁迫而难以连续化作业。
4 先进采割技术与案例分析
4.1 精准控制与机器人自动化
精准控制与低损伤采割技术对提高树皮源生物聚合物材料产量稳定性和质量一致性、减少形成层损伤及维持树木长期活力至关重要。巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）的机械化采割为可控深度切割、轨迹规划、传感器辅助定位及低损伤切口设计提供了技术参考。研究表明，智能橡胶采割机器人可实现亚毫米级切割深度精度（如0.011 mm），树木损伤率约2%，优化螺旋切割角度25–30°可带来约15%–20%的产量提升（Xu et al.）。但需注意这些数据针对橡胶树，不可直接推广至生漆、松脂或树胶采割。
对于生漆树，自动采割需考虑切口深度、伤口间距、工具-树皮相互作用、漆液黏度、漆酶敏感性、漆酚致敏性及污染控制。轮廓跟随采割、三维激光重建、自适应深度控制及自动路径规划可能提高切口一致性并减少形成层损伤，但其可行性需经漆树特异性实验验证。松脂采割中，精准控制技术相对更易适用，应关注可控伤口形成、刺激剂调控、自适应采割间隔及密封或半密封收集。树胶采割则更适合可控创伤、优化收集间隔、湿度调控及微生物控制，而非连续螺旋切割。
机器人与自动化采集平台进一步扩展了操作效率和可扩展性。多传感器融合技术——融合机器视觉、激光雷达（LiDAR）、惯性测量单元（IMU）及力反馈模块——实现树干识别、表面重建及自适应轨迹校正。模块化机器人系统通常由移动底盘、关节式机械臂和智能末端执行器组成，可在复杂林地条件下自主执行定位、切口和汁液收集任务（图5），但需针对材料特性进行专门设计。
4.2 多传感器融合与自适应控制技术
在异质性森林环境中，单传感器系统往往不足以捕捉采割过程的完整作业状态。典型配置集成激光雷达、立体视觉、惯性测量单元、力/扭矩传感器及环境监测模块（温度、湿度等），实现森林地形、单株树木形态及实时采割条件的多尺度感知（图6）。自适应优化算法进一步通过动态路径规划和采割策略调整增强系统级决策，基于树干几何、组织分布和历史产量记录生成个体化切割轨迹，并连续更新切割速度、螺旋角和切口深度等操作参数。然而，这些技术的适用性因材料而异：生漆需精确低损伤切口控制及严格污染控制；松脂更适合半机械化切口控制及密封收集；树胶则需控制创伤、优化收集间隔和湿度调节。
4.3 绿色高效辅助采割技术
绿色高效采割技术旨在提高树脂、乳胶和生漆的产量和收集效率，同时最小化树木损伤。本综述中"绿色"采割的评判标准包括：减少形成层和维管组织损伤、降低原料收集损失、减少高浓度化学刺激剂使用、降低挥发性有机化合物排放及延长采割树木生产寿命。封闭式通道收集装置可引导渗出物流入导管或密封收集袋，减少污染、氧化和环境暴露。在漆树和树脂松树中，低强度切割与封闭收集相结合的策略有助于平衡产量提升与树木保护。数字化管理系统可实现切口深度、切割频率、刺激策略、收集时间、渗出物产量、伤口状况及树木健康状态等参数的实时监测和可追溯生产。
5 采割技术的当前挑战
5.1 切口深度控制、杂质含量与膜均匀性
精确切口深度控制是树皮源聚合物材料采割的关键挑战。不规则树干曲率、不均匀树皮厚度、变异硬度及异质性分泌组织分布使稳定切割困难。切口过浅难以开放足够分泌组织，降低渗出物流量和产量；过度切割则损伤形成层或木质部，增加树皮碎屑和粉尘污染。对于涂层应用，切口深度误差直接影响杂质含量、黏度和膜均匀性，杂质可能干扰分散、降低膜平滑度并导致针孔、厚度不均或界面薄弱区域。
5.2 采割间隔调控、酶活性与固化行为
采割间隔是连接采割操作与涂层性能的关键参数。间隔过短可能增加伤口应激、降低伤口愈合能力并扰乱分泌组织生理平衡。生漆采割中，频繁切割可能改变漆酶活性、水分含量、漆酚组成和乳液稳定性；松脂和树胶系统中，采割间隔也影响树脂酸组成、挥发性萜烯含量、多糖结构、黏度和流变行为。这些变化直接影响固化和干燥行为：生漆中漆酶活性控制漆酚氧化，漆酚组成影响交联密度和最终膜性能；松脂衍生涂层中，挥发物含量和树脂酸组成影响干燥动力学、成膜性和氧化稳定性；树胶基涂层中，多糖组成和黏度影响水分蒸发、凝胶形成和膜连续性。
5.3 收集方式、污染/水分控制与阻隔性能
收集方式强烈影响树皮源原料的污染、水分含量和采后稳定性。传统开放式收集虽简单，但使渗出物暴露于树皮碎屑、粉尘、雨水、昆虫、微生物、氧气及温度波动中。对于涂层应用，收集相关的污染和水分变化与阻隔性能直接相关：杂质和过量水分可能产生微缺陷、降低膜致密性并增加水、氧气和腐蚀性离子的渗透途径，从而削弱耐水性、氧气阻隔性能、腐蚀防护和耐久性。因此，封闭式或半封闭式收集、洁净容器、可控排水及快速采后处理对涂层级原料质量至关重要。
6 发展趋势与展望
树皮源生物基聚合物的采割技术应从产量导向转向质量和涂层性能导向。本综述建立了采割参数、原料质量、树木健康和最终涂层行为之间的关联框架。三个途径需特别关注：切口深度控制杂质含量和黏度，影响膜均匀性；采割间隔影响酶活性和化学组成，调控固化或干燥行为；收集方式决定污染和水分水平，影响阻隔性能和耐久性。未来工作应建立切口深度、伤口间距、采割间隔、收集洁净度、杂质含量、水分含量、黏度、酶活性、组成及批次一致性等指标的标准化体系，并将其与附着力、光泽、硬度、阻隔性能、耐腐蚀性和老化耐久性相关联。长期多点位试验需评估产量稳定性、形成层损伤、伤口恢复、生产寿命和组成变异。物种特异性模型、智能传感、封闭收集、生命周期评估、技术经济分析及数据库将提升可重复性。
