欧洲水青冈（Fagus sylvatica L.）聚乳酸前驱体低聚乳酸浸渍与热处理联合改性材的力学木性与材色

《Forests》：Mechanical Wood Properties and Color of Combined PLA- and Thermal-Treated Beech Wood (Fagus sylvatica L.)

　　

欧洲水青冈（Fagus sylvatica L.）经180 °C热处理、低聚乳酸（oligomeric lactic acid，OLA）浸渍后无催化剂聚合（120 或 160 °C），以及二者联合处理，以评价力学表现与材色变化。未处理水青冈变异较小：四点弯曲中破裂模量（modulus of rupture，MoR）平均 120.4 MPa，弯曲弹性模量（bending modulus of elasticity，MoEb）8.7 GPa；压缩强度 45.4 MPa，压缩弹性模量（compression modulus of elasticity，MoEc）2.48 GPa；Brinell–M?rath 侧硬度和端面硬度分别为 29.0 MPa 与 64.0 MPa。单独热处理在维持未处理材弯曲强度的同时显著提升强度性质。OLA 类处理普遍使 MoR、MoEb 和最大载荷挠度明显下降，试样脆性增加、变异性增大。材色测得处理依赖型显著变深，总色差（ΔE*）为 19.5～69.0。结果表明适度热改性可增强水青冈部分力学性能，而 OLA 浸渍尤其严苛固化条件下随固化进行造成明显力学劣化。

研究背景方面，欧洲水青冈（Fagus sylvatica L.）因解剖结构均一、导管开放而浸注性好、成本低且提取物少，是环境友好木材改性的重要硬阔叶材。热处理（thermal modification，TM）可提升尺寸稳定性与生物耐久性，但高温高时长效应对半纤维素降解，常带来弯曲强度、硬度等力学下降的权衡。乳酸酸（lactic acid，LA）体系通过低聚乳酸（oligomeric lactic acid，OLA）真空浸渍与热固化，可在细胞腔和细胞壁产生物理胀填，降低平衡含水率并改善耐久性；但无催化剂聚合常残留低分子量寡聚体，低温固化易淋失，高温固化又可能酸化降解木材聚合物。TM 与 LA 浸渍顺序会改变木材渗透性与化学环境，因此二者单独及联合作用下的力学与材色机制尚需系统评价。该论文发表于《Forests》，其意义在于补充同一材料体系中物理、水分关系和真菌耐久性的已有研究，从承载与表面性能角度判断联合改性是否仍具工程适用性。

关键技术方法上，研究人员使用来自单块窑干板材的欧洲水青冈样本，设未处理、180 °C 热处理、OLA 浸渍后 120 °C 或 160 °C 固化、以及热处理与 OLA 处理按序联合的样本队列。力学测试采用四点弯曲测 MoR 与 MoE_b，轴向压缩测压缩强度与 MoE_c，Brinell–M?rath 法测侧面与端面硬度；材色采用 CIE Lab* 系统在 D65 光源下测 L、a、b* 并计算总色差 ΔE*；统计用单因素方差分析与 Fisher 最小显著差（least significant difference，LSD）法，显著性水平 p < 0.05。

3.1. Bending Test（弯曲试验）部分，研究人员通过四点弯曲比较各处理样本，发现未处理材 MoR 120.4 MPa、MoE_b 8.7 GPa、最大挠度 9.60 mm；热处理未显著改变 MoR 但提高 MoE_b 至 11.5 GPa；OLA 高温聚合及联合处理样本 MoR 平均降 53.1%、MoE_b 降 26.2%、最大载荷挠度降 58.5%，且所有改性材柔顺性下降、断裂更脆。结论为 OLA 相关处理引起细胞壁化学改变与脆化，热处理则在本次条件下未损害弯曲强度。

3.2. Compression and Hardness Tests（压缩与硬度试验）部分，压缩结果显示热处理使压缩强度由 45.4 MPa 增至 67.9 MPa、MoE_c 增 35.1%；其余 OLA 与联合处理均显著降低压缩性能，OLA 处理平均使 MoE_c 降 53.1%、压缩强度降 50.7%，联合处理变异系数可达 62.6% 与 66.1%。硬度方面，未处理侧硬 29.0 MPa、端面硬 64.0 MPa；热处理端面硬度增 25.92%；OLA 160 °C 样本因过度软化无法在 500 N 下完成 Brinell–M?rath 压痕；联合处理端面硬度较未处理平均低 48.0%，侧硬也下降。结论为酸催化降解与聚合不完全使 LA 体系未显现硬度提升，反而软化并增大变异性。

3.3. Color Properties（材色性质）部分，研究人员在相同点位测处理前后 CIE Lab* 坐标，OLA 120 °C 总色差最小为 19.473，OLA 160 °C 最大为 69.044；热处理后色变属中度，LA 高温聚合及浸渍后热处理样本 L* 下降 76.0%–89.8%，a、b 亦明显偏移。结论为强酸与高温促进半纤维素及无定形纤维素降解、醌类与木质素转化，色变可作为处理烈度的表观指标。

讨论部分总结，研究人员指出 TM 通过木质素缩合与交联在适度条件下提升刚度和表面硬度的同时，若强度过高则因半纤维素热解转为有害；OLA 浸渍的力学成败取决于聚合程度，低温残留单体易淋失，高温则酸催化裂解细胞壁聚合物，联合处理并未产生正向协同，反而叠加酸化与热损伤，使压缩、硬度与弯曲韧性同步劣化，且变异放大不利于工程预测。材色加深与化学降解轨迹一致，说明外观变化可辅助判断处理严重度。

结论部分翻译如下：本研究考察了 180 °C 热处理、低聚乳酸（OLA）无催化剂聚合（120 与 160 °C）浸渍及其顺序联合对欧洲水青冈（Fagus sylvatica L.）力学性能与材色的影响。四点弯曲、压缩与 Brinell–M?rath 硬度显示，未处理材 MoR 120.4 ± 9.3 MPa、MoE_b 8.7 ± 0.7 GPa、压缩强度 45.4 ± 2.5 MPa、侧硬 29.0 ± 3.4 MPa、端面硬 64.0 ± 7.5 MPa。热处理力学响应最佳：弯曲强度无显著提升，但压缩强度升至 67.9 MPa、MoE_c 增 35.1%、端面硬增 25.9%。OLA 类处理致明显劣化，低温聚合亦不完全；LA 处理平均降压缩强度 50.7%、MoE_c 53.1%，联合处理变异系数达 62.6%、66.1% 与 87.9%，160 °C 聚合软化至无法测硬。材色总差由 120 °C 的 19.5 增至 160 °C 的 69.0。总体而言，OLA 浸渍虽有益吸湿与耐久，但酸催化降解与高温固化严重损害水青冈力学完整性；180 °C 热处理仅是所研处理中力学层面最均衡的策略。