《Journal of Cleaner Production》：Effect of densification on dimensional stability and water absorption behavior of pine
编辑推荐：
本研究系统探究致密化处理对松木水吸收行为及尺寸稳定性的影响。通过水吸收实验结合NMR、FT-IR、SEM等技术分析，发现致密化显著降低孔隙率（自然松木68% vs 致密化12%），使水吸收分阶段符合菲克模型（阶段I）和朗缪尔模型（阶段II），同时抑制尺寸膨胀（致密化后膨胀率减少40%）。研究结果为高性能木基材料应用提供理论支撑。
宁江|赵新涛|卢庆川|艾米丽·特雷彻|阿尔贝托·莱奥纳迪|李雪娇|李瑞|张中森|托马斯·詹姆斯·马罗
山东工业大学交通与车辆工程学院，淄博，255000，中国
摘要
利用来自生物来源的绿色和可再生材料对于减少环境污染至关重要。天然木材是一种清洁且可持续的材料。研究表明，压实技术可以显著提高木材的机械性能。然而，木材固有的亲水性和吸湿膨胀特性严重限制了压实木材在各种工程领域的应用。本研究旨在通过吸水实验来探讨天然木材和压实木材的吸水行为和尺寸稳定性。结果表明，压实木材的吸水行为与天然木材类似，分为三个阶段：第一阶段是水分子以结合水的形式在细胞壁中扩散（遵循菲克模型）；第二阶段是细胞壁中的多余水分以自由水的形式扩散到细胞腔内；第三阶段吸水行为偏离菲克模型，遵循朗缪尔模型。与天然木材相比，压实木材的平衡含水量显著降低，这归因于半纤维素含量的减少以及细胞间隙和腔体的缩小。此外，与天然木材不同，压实木材在第二阶段还会进一步膨胀，因为细胞腔体部分恢复。本研究采用了核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）以及X射线计算机断层扫描和衍射技术来阐明压实对木材尺寸稳定性和吸水行为的影响。
引言
木材是一种易于加工、可再生且环保的材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成（Acosta等人，2021；Wang等人，2024）。历史上，木材被广泛用作结构材料（Jiang等人，2018），并且是唯一真正可持续的资源（Ramage等人，2017），可以在工程应用中替代钢铁、水泥和传统聚合物复合材料，以解决温室气体排放和能源消耗问题（Bataille等人，2018）。天然森林中的大多数木材生长缓慢，但速生木材可以缓解木材供需之间的差距（Antczak等人，2021），其优点包括生长速度快、早期形成木材、产量高和成本低（Barton-Pudlik和Czaja，2018；Liu等人，2024；Weng等人，2023）。然而，像松木这样的速生木材（Li等人，2016）存在变形（即翘曲）和绝对强度低的问题，使其不适合大多数工程应用（Sun等人，2023）。为了解决这些问题，研究人员开发了多种木材改性技术，包括乙酰化、热处理和压实。其中，压实是提高木材性能最直接和有效的方法（Joffre等人，2017；Silveira等人，2018；Song等人，2018）。Jakob等人（2022）通过压实工艺成功改善了木材的绝对抗拉和抗弯性能。Alqrinawi等人（2024）使用压实方法将木材的抗弯强度提高了5.5倍。Hu等人（2018）发现，压实后的木材抗拉强度从46 MPa提高到了548 MPa。然而，吸水后，压实木材的厚度膨胀超过了40%，其抗拉强度下降了约40%。木材的固有收缩和膨胀特性对压实木材在潮湿环境中的服役稳定性构成了严重挑战，这将显著影响其机械性能和尺寸稳定性。因此，有必要研究压实木材的吸水机制和尺寸稳定性，以寻找提高其耐水性的方法。
大多数关于吸水行为的文献都集中在天然木材上。天然木材中的水分主要以自由水和结合水的形式存在（Eitelberger等人，2011）。自由水存在于细胞腔和细胞间隙中，而结合水则与纤维素和半纤维素上的亲水基团（如羧基（-COOH）结合。当天然木材的含水量低于纤维饱和点（FSP）时，水分主要以结合水的形式存在于细胞壁中，其吸水行为可以用菲克模型描述（Lund Frandsen和Svensson，2007）。Brito等人（2019）发现朗缪尔模型能更好地模拟木材的长期吸水行为。Zhu等人（2025）的建模模拟建立了木材结构与渗透性之间的关系。关于压实木材的吸水动力学的研究仍然不足，因为大多数研究都集中在提高其机械性能上（Tang等人，2025；Alqrinawi等人，2024；Huang等人，2024）。与天然木材不同，压实木材的结构和成分通过化学处理和热压发生了变化，这将影响其吸水行为和尺寸稳定性。Wei等人（2019）观察到压实改变了木材的吸水速率和平衡含水量（EMC），但没有进行吸水分析并建立动力学模型。尽管压实木材容易膨胀，但其EMC远低于天然木材，因为压实改变了木材成分的比例和细胞壁的结构（Hu等人，2018）。Kuai等人（2024）报告称，压实木材在水中浸泡72小时后，压缩方向的尺寸膨胀率增加了43%。关于压实木材尺寸变化的研究主要集中在压缩方向上的变化。然而，压实引起的细胞壁收缩对其他两个方向尺寸变化的影响尚不清楚，这对于该材料在轨道交通、建筑和建筑材料等工程领域的应用具有重要意义。因此，研究压实木材的吸水行为和尺寸稳定性对其实际应用至关重要。
本研究系统地探讨了压实松木的尺寸稳定性和吸水动态，并定量构建了天然松木和压实松木在湿热条件下的水分扩散模型。采用核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）以及X射线计算机断层扫描和X射线衍射技术来分析压实过程中木材化学成分和细胞结构的变化。目的是为未来高性能木质材料的研究提供更坚实的理论基础，特别是评估压实木材的吸水性能。这将指导木质材料的安全使用，并扩展其在室内装饰、地板和可持续建筑结构组件等领域的应用，从而促进工程领域的绿色和可持续发展。
材料
本研究使用新西兰松木制备压实木材。处理木材时使用了氢氧化钠（>97%，中国西龙科技有限公司）和亚硫酸钠（>98%，中国国药化学试剂有限公司）。
木材压实
首先将天然松木样品放置在60°C的干燥箱中12小时。然后将干燥后的木材浸入沸腾的碱溶液（0.4M Na?SO?和2.5M NaOH）中数小时，随后浸入沸腾的去离子水中以去除残留物。
吸水行为
图2显示了在23°C、60°C和90°C下，天然松木（NW）和压实松木（DS1H至DS6H）在去离子水中的重量增加（M/t）随时间的变化。随着碱处理时间的增加，木材的饱和含水量可以从超过200%降低到约80%。吸水行为分为三个阶段：第一阶段吸水速率迅速增加，第二阶段吸水速率放缓并达到饱和。第三阶段重量增加达到饱和。
结论
本研究探讨了压实对天然松木尺寸稳定性和吸水行为的影响。主要结论如下：
(1)压实改变了松木的细胞结构和化学成分。压实松木的孔隙率（约12%）远低于天然松木（约68%），导致其储存自由水的能力降低。碱性处理部分去除了木质素和半纤维素，减少了结合水的吸附位点。
作者贡献声明
宁江：撰写——初稿，研究，概念化。赵新涛：研究，正式分析。卢庆川：研究。艾米丽·特雷彻：研究。阿尔贝托·莱奥纳迪：研究。李雪娇：研究。李瑞：研究。张中森：撰写——审阅与编辑。托马斯·詹姆斯·马罗：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（编号：12302182），山东省青年科技人才培育工程（编号：SDAST2024QTA082），山东省自然科学基金（编号：ZR2020QA040）。EPSRC项目EP/M02833X/1“牛津大学：实验设备升级”资助了Xradia Versa显微镜和数据分析及可视化设施。我们还要感谢Diamond Light的支持。
