木材作为一种可持续的天然高分子材料，长期在家具、建筑、能源供应及室内装饰等领域得到广泛应用。当前木质材料的功能化主要依赖于脱木质素与真空浸渍技术。然而，脱木质素过程易引起木材细胞壁多孔结构的塌陷，导致其固有机械性能下降，且所使用的木质素溶解溶剂常带来环境污染问题。此外，工业中主流的真空压力浸渍工艺虽可实现深度处理，但需依赖昂贵的高压灭菌设备（单台约20–50万美元）并消耗大量能源（25–40 kWh）。该过程中气‑液置换会破坏细胞壁原有的力学平衡，引发木材变形；同时，由于渗透不均，生产时常需超额使用20%–40%的改性试剂，进一步推高了功能化木材的成本与能耗。

相比于整体深度处理，针对木材表面进行改性已足以实现阻燃、抗真菌、疏水等多种功能需求。表面改性策略可避免传统深度加工对内部结构的破坏与应力分布不均的问题，从而提升改性效率并降低生产成本。然而，木质素中苯丙烷单元构成的三维网络及其本征疏水性，严重阻碍了改性试剂在木材界面的均匀分布与有效结合。其芳香环结构产生的空间位阻效应不仅降低了功能分子的接枝效率，还易引起改性层中分子聚集。为克服这一木质纤维素固有的界面障碍，有必要设计选择性活化木质素芳香环、提升表面反应活性的定向活化策略，以实现高效、均匀的表面功能化。

基于此，东北林业大学甘文涛教授与张杨副教授团队合作，提出一种简便高效的表面活化方法：采用紫外线辅助过氧化氢处理，实现木材表面的光辅助氧化。该处理使木材细胞壁中木质素的羟基数量显著增加，结合其内部定向排列的纤维素纳米纤维所产生的强毛细作用力，可实现功能前驱体的自驱动纳米级输运与均匀修饰。经聚磷酸铵活化后的木材表现出优异的防火与防霉性能：平均热释放率降低39%，点火时间延长至原来的1.71倍，并对常见霉菌具有完全抗性。技术经济分析表明，该表面活化功能木材的制备过程能耗降低92.5%，试剂成本减少76.8%，市场盈利能力较传统浸渍法提升169.1%。生命周期评估结果显示，该策略的碳排放量较真空压力浸渍法低43%。此外，该表面活化方法亦适用于荧光团纳米修饰与石墨浸渍，可赋予木材荧光特性与光热转换功能。这种低成本、高效率、可定制的表面活化策略，为多功能木质材料的低碳制造提供了重要进展。相关成果以“An Efficient, Low-Cost Surface Activation toward Multifunctional Wood Manufacturing”为题，发表在ACS Nano上。

重要图文

图1|多功能木材的表面活化概念。（a）APP活化木材制备示意图。天然木材表面的木质素在紫外线光辅助作用下发生氧化反应，从而生成具有高润湿性的表面活化木材。该改性剂通过氢键作用迅速且高效地吸附在表面的纤维素纳米纤维上，从而制得多功能木材。（b）天然木材、表面活化木材、APP活化木材和FS活化木材的照片及对应的横截面图像。（c）与三种传统木材改性方法相比，表面活化木材在设备成本、承载能力、工艺复杂性、能耗、通用性和加工时间方面的比较。

图2|表面活化木材的活化过程及形态特征。（a）紫外线辅助过氧化氢光催化氧化木材表面活化过程的示意图。（b）紫外线辅助过氧化氢光助氧化过程在木材表面的摄影演示。（c）随着活化时间从1小时增加到5小时，活化深度的变化情况。（d）通过活化处理获得的核壳结构表面活化木材。（e）天然木材及其细胞壁微观结构的横截面SEM图像。（f）表面活化木材及其细胞壁微观结构的横截面SEM图像。（g）活化前后木材中纤维素、半纤维素和木质素的成分百分比变化表明木质素含量降低。（h）天然木材和表面活化木材的FTIR光谱表明，活化后木质素的芳香环结构保持完整，这表明活化过程不会破坏木质素的基本结构。（i）活化前羟基的ToF-SIMS分析。（j）对活化后羟基的ToF-SIMS分析显示，活化木材中的羟基数量比天然木材增加了1.7倍。

图3|表面光助氧化机制及吸附能力验证。（a）木材中木质素的光助氧化机制示意图及相应的化学基团转化情况。（b）天然木材与表面活化木材对荧光素钠溶液的吸附能力对比，表明在相同时间段内，活化木材的吸附高度约高出5倍。（c）示意图说明了由于活化后羟基含量增加，木材腔内显著增强的毛细力原理。（d）活化前后APP在木材上的吸附动力学曲线，表明表面活化木材的吸附系数和吸附量均翻倍。（e）时间依赖性水接触角测量揭示了表面活化木材的润湿性显著改善。（f）分子动力学模拟展示了活化木材对水溶液吸附能力的提高，这归因于基本木质素单元上羟基含量的增加。

图4|APP活化木材的防火性能。（a）天然木材、VPI木材和APP活化木材在长时间丁烷火炬燃烧下的火焰阻燃图像。（b）在外部热通量为30 kW m^-2时，通过锥形燃烧仪测试得出的APP活化木材和天然木材的热释放速率曲线。（c）在外部热通量为30 kW m^-2时，天然木材和APP活化木材的热释放率（以重量为基准）。（d）tig、（e）平均热释放速率和（f）在外部热通量为30 kW m^-2时的EHC。（g）垂直燃烧测试表明，APP活化木材达到了V-0等级。限制氧指数测试表明，APP活化木材的氧指数值达到50%，这表明其具有出色的防火性能。

图5|APP活化木材的抗霉性能。（a）对黑曲霉、柠檬黄曲霉和绿曲霉在天然木材与APP活化木材上的侵染情况进行对比分析，结果显示APP活化木材对这三种霉菌均具有有效的抗性。（b）霉菌侵染样本的扫描电子显微镜图像显示，黑曲霉、柠檬黄曲霉和绿曲霉在天然木材上均能正常生长，而在APP活化木材上则完全受到抑制。（c）天然木材和APP活化木材上黑曲霉、柠檬黄曲霉和绿曲霉的霉菌侵染面积随时间的变化情况。（d）VPI木材和APP活化木材对黑曲霉、柠檬黄曲霉和绿曲霉的霉菌控制效果。（e）示意图展示了APP的抗菌机制以及APP活化木材的抗霉原理。

图6|APP活化木材的TEA与LCA评估。（a）真空压力浸渍过程示意图；（b）表面活化过程示意图。（c）APP活化木材与VPI木材的热解分析结果。（d）在等质量条件下，APP活化木材与VPI木材的环境影响。

图7|木材的表面纳米改性能够实现多种功能化应用。（a）通过荧光素钠浸渍获得的FS活化木材的照片。（b）FS活化木材的横截面表面荧光图像。（c）在不同激发波长下FS活化木材的发射光谱云图。（d）FS活化木材的CIE色彩图。（e）通过表面荧光剂涂层实现的图案化处理效果。（f）通过荧光剂刷涂获得的带有装饰图案的建筑模型，展示了在紫外线照射下的荧光效果。（g）由荧光木材制成的工艺书写笔。（h）通过石墨浸渍获得的石墨活化木材的照片。（i）与氙灯模拟太阳辐射相比，天然木材和石墨活化木材的光热效应的对比评估表明，石墨活化木材在300秒内光热转换效率提高了1.6倍。（j）在氙灯模拟太阳辐射条件下，水泥和石墨活化木材建筑模型的室内供暖性能的对比评估。

研究结论

本研究提出了一种基于光辅助氧化及后续自驱动浸渍的多功能木材表面活化策略。氧化处理使木质素表面羟基数量显著增加，结合木材内部定向排列的纤维素纳米纤维所产生的毛细力，可自发驱动功能前驱体均匀渗透，从而实现高效的多功能木材制备。所得经聚磷酸铵（APP）活化的木材展现出优异的防火与防霉性能：平均热释放率降低39%，点火时间延长至原样的1.71倍，并对黑曲霉、柠檬青霉及绿青霉等常见霉菌的抑制率达到100%。技术经济分析（TEA）表明，该表面活化功能木材的制备工艺能耗降低92.5%，试剂用量减少76.8%，市场盈利能力较传统浸渍法提升169.1%。生命周期评价（LCA）结果显示，该策略的碳排放量仅为真空压力浸渍法的43%，且在多个环境影响类别中表现更优。此外，该策略具有良好拓展性，可通过荧光团纳米修饰与石墨浸渍分别提升木材的荧光性能与光热转换效率，其中光热转换效率提高至原基础的1.6倍。该表面活化方法成本低、效率高、适用性强，为多功能木质材料的低碳制造提供了重要推动，在可持续工程材料、装饰美学及节能建筑等领域具有广阔应用前景。

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12508