山毛榉木材（Fagus sylvatica L.）PLA与热处理联合改性的物理性能及耐久性研究

《Forests》：Physical Properties and Durability Aspects of Combined PLA and Thermal Treatment of Beech Wood (Fagus sylvatica L.)

　　

研究人员探究了热改性、乳酸(LA)浸渍及其联合处理对欧洲山毛榉(Fagus sylvatica L.)物理性能和生物耐久性的影响，以识别这两种环保型木材改性方法之间潜在的协同作用。山毛榉单板分别接受180 °C热处理、LA浸渍后于120或160 °C聚合，以及两种不同顺序的联合处理。研究人员评估了密度、水分吸附、胀缩行为、抗胀效率、解剖学变化及抗真菌耐久性。热处理导致3.2–3.7%的中度质量损失，而LA处理产生39.3–56.5%的质量增益。所有处理均降低水分吸收与平衡含水率(EMC)，其中浸渍后热处理组获得最低值5.6%。联合处理同时提供最大尺寸稳定化，体积膨胀相比未处理木材降低67.6%。扫描电镜(SEM)观察证实较高温度固化后聚合物固定增强。总体而言，LA处理与热改性结合显著改善了山毛榉木材的尺寸稳定性与耐久性相关性能，且处理顺序对最大化改性效率至关重要。

研究背景与立项依据

欧洲山毛榉(Fagus sylvatica L.)因结构均匀、全截面孔隙开放易浸渍、成本低且提取物含量低，是生态友好型木材改性的理想候选。热改性在150 °C以上通过半纤维素与木质素化学改变降低吸湿性、提高耐久性与尺寸稳定性，但随处理强度增加常伴随强度损失与脆化。乳酸(LA)寡聚物(OLA)浸渍后原位聚合为新兴生物基改性体系，可提升尺寸稳定性与耐腐性，但存在淋失率高、中层膜降解致抗剪下降等问题。二者均通过降低吸湿性改善性能，但单一处理各有取舍，处理顺序可能通过改变木材化学与可及性产生协同或拮抗。因此研究人员以高渗山毛榉为对象，系统评价热改性、OLA/PLA浸渍及不同顺序联合处理的效果，假设联合处理可协同提升真菌耐久性、尺寸稳定性与相关物理性能。论文发表于《Forests》。

主要技术方法概述

研究人员采用源自单一窑干板材的30块山毛榉单板(26×80×230 mm)，分为6组：未处理、120 °C聚合浸渍、160 °C聚合浸渍、浸渍120 °C后180 °C热处理、180 °C热处理、180 °C热处理后浸渍120 °C聚合。热处理在常压循环空气烘箱180 °C保温10 h；OLA由90% LA水溶液减压脱水寡聚化制得，真空浸渍(10 mbar, 60 °C)后于120 °C或160 °C原位聚合。物理测试依ISO 13061系列测密度、胀缩、EMC与吸水率；SEM(Hitachi S-3400N, 10 kV)观察端面与切向面；真菌耐久依CEN/TS 15083-1用Coniophora puteana(褐腐)与Trametes versicolor(白腐)培养16周算质量损失(ML_FD)；统计用ANOVA-LSD(p<0.05)。

研究结果

3.1 重量、密度与解剖变化

热处理致3.2–3.7%质量损失(WPL)；OLA浸渍120 °C与160 °C聚合后质量增益(WPG)分别为39.3%与43.7%，先浸渍后热处理组WPG达56.5%（净增31.4%，因二次聚合与酸促热解）。理论孔隙填充率(PFR)浸渍组约35–37%，联合组升至48.0–55.3%。绝干密度未处理0.640 kg/m³，浸渍显著增密，120 °C聚合组浸泡后因OLA淋失密度降7.6–8.8%，160 °C与联合组固定更佳。SEM显示120 °C聚合管腔覆膜光滑如未干透，160 °C与联合组聚合度高、酸降解致中层膜弱化切面粗糙，先浸渍后热处理组真空下寡聚物流出最少。

3.2 吸湿、胀缩、各向异性与ASE

所有处理降低吸湿速率与EMC，未处理EMC 10.8%，浸渍160 °C组5.8%，先浸渍后热处理组5.6%。体积膨胀未处理17.7%，先浸渍后热处理组降至5.7%(降67.6%)；抗胀效率(ASwE)该组67.6%，浸渍160 °C组64.0%。但浸泡-干燥后抗缩效率(AShE)大幅下降，浸渍160 °C组甚至负至?18.3%，因微孔未聚LA淋失成空隙。胀缩各向异性(T/R)未处理2.31，浸渍160 °C组1.50最优，联合组约2.08接近未处理。热改性单独略降T/R至1.79，但缩行为因胞壁脆化未减。

3.3 真菌耐久性

褐腐Coniophora puteana下未处理失重20.2%，热改性5.6%，浸渍120 °C 5.2%，浸渍160 °C 3.4%，先热后浸4.8%？不对——原文先浸后热1.2%、先热后浸1.8%为最低，显协同。白腐Trametes versicolor下未处理失重约59%？原文未给未处理值但热改性24.9%仍高，浸渍160 °C降至5.0%，联合两组1.2–1.5%。表明热改降低吸湿与羟基可及性、LA聚合填腔堵纹孔共同抑酶渗透，对白腐尤需聚合物填塞而非单纯热改。

讨论与结论翻译

讨论指出热改与LA浸渍通过互补机制作用：前者不可逆化学减羟基，后者物理填塞胀大胞壁。处理顺序决定协同上限——先浸后热使聚合物在热固定前深渗胞壁，先热后浸因润湿性降与孔隙虽增但化学环境变而 uptake受限。160 °C聚合虽吸湿优，但浸泡后高缩揭示微孔固定不全仍为限制。非均匀浸渍受解剖（导管、射线）主导，是核心工艺问题而非次要缺陷。

结论：本研究评价180 °C热改、LA浸渍及顺序组合对山毛榉物理、尺寸与真菌耐久的影响。OLA浸渍原位聚合增重39.3–56.5%，PFR理论达55.3%，热改仅失重3.2–3.7%；高温(160/180 °C)聚合提升LA固定减少淋失密度降，SEM证确。所有处理降吸湿，再调湿后EMC最低5.6–5.8%(未处理10.8%)。先浸后热体积胀降67.6%最优；先热后浸因透性降而劣。高温聚合虽善抗湿，但160 °C组浸泡后体缩意外偏高，示LA/OLA固定不全之限。综上LA处理与热改互补（胞壁胀大+吸湿降），优化顺序与聚合固定是山毛榉长效改性的关键。