木竹材料細觀滲流研究進展

何盛，陳玉和，吳再興，胡玉安

(1. 國家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心，國家林業(yè)和草原局竹家居工程技術(shù)研究中心，浙江省竹子高效加工重點實驗室，杭州310012；2. 江西省林業(yè)科學(xué)院，南昌330032)

滲流是流體通過多孔介質(zhì)的流動，而細觀滲流是指在微細尺度上(100 μm以下)滲流的狀態(tài)[1]。木竹材料具有典型的多孔結(jié)構(gòu)特征，是天然的生物多孔材料[2-3]。從微觀構(gòu)造的尺度來看，其尺度(如各類細胞結(jié)構(gòu)形成的孔隙尺度)基本均在100 μm以下[4]，因此，木竹材內(nèi)部的流體滲透基本都屬于細觀滲流范疇。

細觀滲流研究內(nèi)容主要包括：多孔介質(zhì)本身的特性，如孔隙和裂縫的分布情況、孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔隙度和滲透率分布情況；多孔介質(zhì)與流體之間的關(guān)系，如表面潤濕性、吸附與解析特性[1]。通過解析木竹材內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔徑分布情況，結(jié)合木竹材流體滲透表征分析，揭示木竹材料細觀滲流規(guī)律，可以為木竹材料細觀滲流性能改良研究提供重要理論依據(jù)。

在木竹材細觀滲流研究領(lǐng)域，國內(nèi)外研究主要集中在流體滲透路徑、影響因素及改善方法方面，針對木材的研究較多，竹材方面較少。筆者結(jié)合木竹材多孔結(jié)構(gòu)特性，從多孔材料結(jié)構(gòu)表征角度，總結(jié)木竹材料孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔徑分布情況。在此基礎(chǔ)上，分析木竹材中流體滲透路徑、木竹材多孔特征與細觀滲流之間的關(guān)系。歸納木竹材多孔結(jié)構(gòu)特征及細觀滲流狀態(tài)表征方法。此外，綜述改善木竹材細觀滲流特性的主要方法，展望木竹材料細觀滲流研究發(fā)展方向，以期為木竹材的高效加工及高值化利用提供參考。

1 木竹材孔隙結(jié)構(gòu)及其表征

Siau[5]指出，對流體可滲透的材料，必是多孔體。木竹材料屬于多孔體，但其流體滲透性并不高[6]，這主要與木竹材復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。多孔材料細觀滲流研究表明，影響多孔介質(zhì)細觀滲流的因素包括多孔介質(zhì)本身的特性，如孔隙分布情況、孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔隙度[1]。因此，要揭示木竹材細觀滲流特性，需對木竹材孔隙構(gòu)造特征進行深入分析。

1.1 木竹材孔隙結(jié)構(gòu)

不同樹種具有其典型的微觀構(gòu)造特征，造成其孔隙結(jié)構(gòu)特征上存在差異。Schneider等[7]對多個樹種木材孔徑分布情況進行分析，將木材內(nèi)部孔隙根據(jù)孔徑大小劃分成三類，即< 0.1 μm(微孔)、0.1～5.0 μm(介孔)和>5 μm(大孔)。針葉材管胞直徑范圍在10～50 μm，樹脂道直徑范圍在30～150 μm，細胞壁上微孔直徑范圍在0.3～60.0 nm，而有效紋孔口直徑范圍在0.02～4.00 μm。闊葉材微觀構(gòu)造較針葉材更為復(fù)雜，其孔徑分布范圍更廣，早材導(dǎo)管孔徑直徑可達50～400 μm，晚材導(dǎo)管直徑相對更小，為20～50 μm。導(dǎo)管上具有互列紋孔，孔隙直徑也相對較大，可達5～170 μm。射線薄壁組織中多為橫臥長方體細胞，細胞尺度與纖維細胞相當(dāng)。纖維細胞腔直徑范圍在1～30 μm。闊葉材纖維細胞、射線薄壁細胞等組織上含大量小孔徑的紋孔，孔徑較針葉材紋孔小，也可作為流體滲透的輔助通道[4,8]。

a.橫截面; b.弦切面; c.互列紋孔放大圖像; d.導(dǎo)管穿孔; e.徑切面。注：圖中V為導(dǎo)管，SC為方形細胞(射線組織)，PC為橫臥細胞(射線組織)，AP為互列紋孔，VRP為導(dǎo)管上穿孔。圖1 闊葉材X射線顯微斷層掃描圖像[8]Fig. 1 X-ray microtomography dataset of hardwood

竹材的微觀孔隙結(jié)構(gòu)較木材更為復(fù)雜。從解剖結(jié)構(gòu)上看，毛竹內(nèi)部不同組織細胞大小、形狀各不相同。以目前國內(nèi)利用最為廣泛的毛竹(Phyllostachysedulis)為例，在同一竹壁橫切面上，由外而內(nèi)維管束體積由小到大，到近竹黃面時又略變,而密度由密到疏，近竹黃面時又略變密。從毛竹維管束橫切面上看，構(gòu)成維管束的導(dǎo)管、篩管、纖維鞘以及圍繞維管束分布的薄壁細胞直徑差異明顯[9-11]，導(dǎo)管平均直徑在100 μm左右，篩管平均直徑在50 μm左右，薄壁細胞平均直徑約為47 μm，而纖維鞘細胞平均直徑更小，在20 μm左右[12]。細胞壁上紋孔孔徑在1 μm左右。纖維細胞壁厚腔窄，細胞直徑在10 μm左右，胞壁上有少量紋孔分布，孔徑約1 μm左右(圖2)[12-14]。

a. 維管束結(jié)構(gòu)(×600)； b. 導(dǎo)管(×1 500)； c. 薄壁細胞(×3 000)； d. 基本組織上紋孔(×10 000)； e. 纖維細胞上紋孔(×10 000)。圖2 毛竹掃描電鏡圖像[13]Fig. 2 SEM images of Moso bamboo

1.2 木竹材孔隙結(jié)構(gòu)表征方法

從多孔材料結(jié)構(gòu)表征角度分析，木竹材主要孔結(jié)構(gòu)參數(shù)有孔隙率、孔徑與孔徑分布、孔比表面積和孔形狀(包括孔外形、孔長度和孔曲率)等[15-16]。相關(guān)的表征方法很多，根據(jù)檢測目的不同，可分為直觀分析法、間接測試法及分形維數(shù)法三類。其中：直觀分析法包括顯微觀測法、斷面圖像分析法及鑄體薄片法；間接測試法包括壓汞法、氣體吸附法、小角度X射線衍射法、核磁共振法等。

1.2.1 直觀分析法

直觀分析法主要通過顯微觀測，結(jié)合圖像處理等手段，直觀分析木竹材微觀構(gòu)造對應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)特征，獲得孔隙形態(tài)、孔隙尺寸、孔隙連通性等直觀分析結(jié)果。其中，顯微分析法分為光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線顯微CT等，這些方法已被廣泛應(yīng)用于竹材或木材的顯微構(gòu)造觀察領(lǐng)域[17-20]。它可以提供全面的孔結(jié)構(gòu)信息，不僅可以觀察孔隙形狀，還可以根據(jù)放大倍數(shù)來直接測算孔隙率、孔徑及孔徑分布，但存在觀察視野小，只能看到局部信息的缺陷[21-22]。斷面圖像分析法主要基于顯微觀測獲得的孔隙結(jié)構(gòu)圖像信息，采用圖像處理方法計算孔隙率、孔徑等參數(shù)，具有簡便快速的特點[19]。例如，基于顯微CT獲取的木竹材孔隙構(gòu)造圖像，結(jié)合圖像重構(gòu)算法完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建，可應(yīng)用于材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)、尺寸分布和流體流動等研究中[23-24]。鑄體薄片法是指在真空狀態(tài)下，將染色樹脂或膠狀物加壓填充到多孔材料孔隙中，通過固化切片處理得到能夠用于在顯微鏡下觀測的二維薄片，從而實現(xiàn)孔隙特征識別、孔喉連通性分析[25]。目前該方法主要應(yīng)用于巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征分析領(lǐng)域，但在木竹材料孔隙結(jié)構(gòu)分析過程中亦可借鑒。如采用染液或彩色膠黏劑浸注至木竹材內(nèi)部，固化后切片用于顯微觀測，可直觀分析木竹材孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙連通性及流體在孔隙之間的流通特性。上述方法均可直觀地對多孔材料孔隙分布進行分析觀測，同時結(jié)合圖像分析技術(shù)也可實現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量表征。

1.2.2 間接測試法

壓汞法、氣體吸附法及核磁共振法采用間接測試方式實現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)表征，不能獲得直觀的孔隙結(jié)構(gòu)圖像。其中，以壓汞法和氣體吸附法為主的流體注入法以獲取孔隙特征及孔徑等統(tǒng)計數(shù)據(jù)為目的，實現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征。壓汞法在多孔材料大孔(孔徑大于50 nm)及中孔(孔徑為2～50 nm)的表征方面具有優(yōu)勢，木竹材中孔隙的孔徑基本都分布于大孔及中孔范圍內(nèi)。如木材中小管胞直徑范圍在0.1～5.0 μm，大管胞直徑可能大于5 μm，而管胞紋孔上塞緣直徑范圍一般在0.1～0.7 μm，因此，有研究人員利用壓汞法對木材微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行研究，獲得多種木材的孔隙率及孔徑分布分析結(jié)果[4,7,20]。氣體吸附法則主要針對微孔(孔徑小于2 nm)及中孔(孔徑2～50 nm)進行測試，獲得材料的孔隙率、孔徑分布、孔表面積、孔體積等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)[26]，可用于木竹材孔徑較小的孔隙特征分析。核磁共振法通過測定材料內(nèi)部流體流動反演孔隙結(jié)構(gòu)特征，可用于分析流體參數(shù)對材料內(nèi)部流體滲透特性的影響[27-28]。如高鑫等[29]利用核磁共振凍融分析技術(shù)測定木材細胞壁潤脹狀態(tài)吸著水含量與孔隙分布情況。同時，時域核磁共振技術(shù)還可用于吸水狀態(tài)下的木材孔隙分布，不同溫度下多尺度孔隙內(nèi)的水分運動以及多種濕度下的木材干燥/吸濕過程的水分遷移和孔徑變化。

1.2.3 分形維數(shù)法

直觀分析及間接測試法可實現(xiàn)木竹材孔隙基礎(chǔ)構(gòu)造參數(shù)(孔隙率、孔徑與孔徑分布、孔比表面積)的定性與定量表征，但在孔隙形態(tài)(孔的不規(guī)則度、孔隙相交程度、迂曲度)的表征方面還存在不足。如采用顯微觀測方式可獲得孔隙構(gòu)造與連通狀態(tài)的直觀圖像，但視野較小，無法對孔形態(tài)特征參數(shù)進行定量分析。間接測試方式多是基于部分假設(shè)來實現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)定量表征。如壓汞法是基于孔結(jié)構(gòu)的圓柱形直通道假設(shè)進行，忽略了孔的不規(guī)則度、孔的表面粗糙度或孔之間的相交程度。分形理論是基于分形幾何學(xué)而發(fā)展起來的一個重要理論，近年來在許多領(lǐng)域得到了有效的實際應(yīng)用。采用合適的方法或模型，結(jié)合分形理論可實現(xiàn)復(fù)雜的微觀孔隙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表征，進而分析多孔介質(zhì)中的流體運輸規(guī)律。其中，分形維數(shù)作為描述多孔材料分形結(jié)構(gòu)特征的最主要參量，可定量表征孔隙大小分布、孔隙表面粗糙程度及流體滲透彎曲程度等微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。因此，多孔材料分形維數(shù)的精確預(yù)測是描述材料內(nèi)部流體流動和傳輸特性的首要任務(wù)。

分形維數(shù)分為質(zhì)量、表面及迂曲度分形維數(shù)三類：質(zhì)量分形維數(shù)可表征材料內(nèi)部的孔隙度變化；表面分形維數(shù)可表征孔隙表面粗糙度；而迂曲度分形維數(shù)則可表征流體流動彎曲特性表征。常用的計算分形維數(shù)方法是利用理論模型計算或預(yù)測。如利用水分特征曲線或自發(fā)滲吸預(yù)測可獲得孔隙質(zhì)量分形維數(shù)。以Frenkel-Halsey-Hill(FHH)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合氣體吸附法測試結(jié)果，可計算多孔材料的表面分形維數(shù)。基于Koch曲線模型，可理論計算迂曲率分形維數(shù)。

目前，在木竹材科學(xué)領(lǐng)域，分形理論可在木材解剖學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、無損檢測及環(huán)境學(xué)中應(yīng)用[30]。費本華等[31]采用分形理論，對木材密度的徑向變化規(guī)律、木材干燥過程孔隙變化和木竹材斷裂斷口表面形態(tài)進行研究。將分形維數(shù)法應(yīng)用于木竹材細觀滲流研究，利用分形維數(shù)表征木竹材內(nèi)部孔隙不規(guī)則度、孔隙相交程度、迂曲度等結(jié)構(gòu)特征，對解析其細觀滲流規(guī)律具有重要的指導(dǎo)意義。

2 孔隙結(jié)構(gòu)與細觀滲流關(guān)系及改善方法

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)與細觀滲流關(guān)系

木竹材不同的微觀組織，對應(yīng)不同孔徑的孔隙，構(gòu)成木竹材復(fù)雜的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成木竹材重要的流體滲透通道。在闊葉材中，主要通過導(dǎo)管分子進行液體的縱向疏導(dǎo)。導(dǎo)管細胞縱向相連，導(dǎo)管細胞壁上具有穿孔，因此縱向相鄰導(dǎo)管細胞間的流體流通不需經(jīng)過紋孔，只有橫向?qū)Ч芗毎g的液體疏導(dǎo)才需通過紋孔進行[32]。在纖維細胞中，流體縱向疏導(dǎo)主要通過相鄰細胞間的紋孔進行。針葉材中相互串聯(lián)的管胞、管胞上紋孔、紋孔膜上微孔是液體縱向疏導(dǎo)主要途徑[33-34]，管胞兩端無穿孔，流體在相鄰管胞間通過紋孔進行疏導(dǎo)，因此，闊葉材普遍在液體的縱向疏導(dǎo)方面較針葉材更快，即針葉材中縱向流體滲透性差的樹種比闊葉材多[12]。在橫向疏導(dǎo)方面，闊葉材纖維細胞或針葉材軸向管胞上具緣紋孔是液體弦向疏導(dǎo)的主要路徑，而射線薄壁細胞則是徑向疏導(dǎo)的主要通道[34-36]，因此，木纖維與軸向管胞上具緣紋孔的多少、紋孔閉塞與否對木材的弦向滲透性起著至關(guān)重要的作用。射線薄壁細胞和射線管胞對應(yīng)的孔隙孔徑大小、射線薄壁細胞端部細胞壁上紋孔數(shù)量及開口尺寸則直接影響木材的徑向滲透性[37-39]。一般而言，闊葉材射線薄壁細胞含量較針葉材高，因此，其徑向液體滲透性高于針葉材。

竹材微觀構(gòu)造與木材不同，其液體滲透狀態(tài)也不同。竹材組織中沒有射線細胞，因此水分不能沿射線方向滲入。竹莖成熟后，由于膠狀物質(zhì)的沉積及侵填體的聚積，導(dǎo)管和篩管不再具有滲透性。筆者利用染料對竹材進行染色處理發(fā)現(xiàn)(圖3)，染液沿導(dǎo)管、薄壁細胞等大孔徑細胞的縱向滲透較快，橫向滲透主要通過導(dǎo)管、薄壁細胞及竹纖維細胞上的紋孔進行，速度緩慢；竹纖維細胞由于孔徑小，胞壁厚，且細胞壁上紋孔數(shù)量少、尺寸小，因此無論是縱向還是橫向滲透都非常緩慢。裘福庚[40]在對毛竹腔壁滲透性研究也發(fā)現(xiàn)，隨竹齡增大，竹材細胞壁木質(zhì)化纖維化程度增強，胞壁加厚，液體滲透阻力增大，毛竹液體滲透性顯著降低。

圖3 竹材染液滲透路徑圖Fig. 3 Dye solution penetration route in bamboo

對天然多孔介質(zhì)而言，流體的輸送及儲存能力除了與微觀構(gòu)造對應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與孔隙體積、孔隙連通性等微觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。例如，迂曲度是影響多孔介質(zhì)有效流動和傳輸?shù)闹匾獏?shù)。它作為表征多孔介質(zhì)中流體滲透路徑平均長度的重要指標，受孔隙大小和形狀、孔隙度、孔隙連通性等因素影響[41]。從細胞微觀形態(tài)看，木竹材內(nèi)部孔隙多為圓筒狀或楔形，主要對應(yīng)圖4中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型孔隙。而在紋孔區(qū)域，則主要是與相鄰的細胞腔形成墨水瓶形孔隙，對應(yīng)圖4中Ⅶ、Ⅷ型孔隙。從孔隙連通性來看，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ屬于通孔，Ⅰ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ是半連通孔，而Ⅸ為閉孔[42]。在木竹材內(nèi)部，通孔及閉孔相對較少，半連通孔較多，大量半連通孔隙通過紋孔等結(jié)構(gòu)相互交織，形成迂曲的流體滲透路徑。在流體滲透過程中，形態(tài)孔隙、孔徑大小，細胞間相互連通的紋孔多少、紋孔的閉塞與否、紋孔膜微孔半徑和數(shù)量均會對木竹材細觀滲流狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，要了解木竹材細觀滲流狀態(tài)，需要對孔隙構(gòu)造特征進行深入系統(tǒng)的表征分析。

圖4 孔結(jié)構(gòu)模型示意圖[43]Fig. 4 Model of different pore structures

根據(jù)上述分析，木材與竹材不同顯微構(gòu)造對應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙大小，造成其細觀滲流性能不同。從滲流路徑看，木材內(nèi)部的流體滲透路徑包括縱向、徑向和弦向滲透。而在竹材內(nèi)部由于沒有射線組織，因此其流體滲透路徑主要分為縱向及橫向。同時，木材與竹材內(nèi)部細胞大小不同，構(gòu)成的流體滲透通道大小不同。相對而言，木材內(nèi)部各類細胞直徑差異相對較小，而竹材不同組織細胞差異較大，如導(dǎo)管及竹纖維細胞直徑差異顯著。此外，木竹材細胞上紋孔是流體橫向滲透的主要路徑。對木材而言，細胞壁上紋孔多少、紋孔閉塞與否、紋孔開口大小、紋孔緣上小孔大小等都是流體橫向滲透效率的重要影響因素。對于竹材而言，與大多數(shù)木材相比，竹材內(nèi)部不同組織細胞上紋孔數(shù)量差異較大，紋孔普遍較小，造成其流體橫向滲透速度慢。

2.2 木竹材細觀滲流改善方法

功能型復(fù)合材料開發(fā)是實現(xiàn)木竹材高附加值利用的有效途徑。木竹材在功能化處理時，處理效果與其細觀滲流性能密切相關(guān)。由于木竹材孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能處理劑很難快速均勻滲透，處理效果不理想。因此，研究人員針對有效改善木竹材細觀滲流性能的方法進行了深入研究?？傮w而言，這些處理方法可分生物、物理及化學(xué)法三類[43-44]。

2.2.1 生物法

生物處理方法是指利用酶、細菌及真菌等微生物侵蝕木竹材薄壁組織或紋孔膜，擴大木竹材流體的滲透通道[44]，以改善木竹材細觀滲流性能。Meyer[45]和De Groot等[46]利用酶處理木材后發(fā)現(xiàn)，處理材紋孔塞緣及紋孔塞會產(chǎn)生降解，這些破壞使紋孔膜上的微孔數(shù)量或孔徑增大，改善木材細觀滲流性能。鮑甫成等[43]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)細菌處理后，長白魚鱗云杉(Piceajezoensisvar.komarovii)邊材和部分心材受到短芽孢桿菌侵蝕，邊材細胞上大部分具緣紋孔被細菌降解后形成空洞。邊材的滲透性平均增加了29倍，心材增加了1.52倍。這點與Dunleavy等[47]的研究結(jié)果基本吻合，即細菌處理可有效改善邊材流體滲透性。真菌主要有木腐菌、變色菌和霉菌。木材受到木腐菌侵襲后，紋孔膜產(chǎn)生破壞，細胞壁降解嚴重，直接影響處理材強度。采用真菌處理方法提高木竹材滲透性時，可在木竹材上接種真菌孢子，真菌從細胞壁向內(nèi)部移動，菌絲穿透細胞壁上紋孔，或利用真菌分泌的酶，降解細胞壁紋孔膜，使紋孔膜產(chǎn)生破壞或增大紋孔塞緣上微孔的孔徑，從而改善處理材細觀滲流性能。Panek等[37-38,48]研究木霉菌等真菌處理云杉(Piceaabies)木材時發(fā)現(xiàn)，處理后邊材流體滲透性顯著提升，強度下降不明顯。從微觀結(jié)構(gòu)看，處理材在邊材紋孔部位產(chǎn)生破壞，而細胞壁及心材部位基本未產(chǎn)生破壞，因此該方法可用于提高木材邊材的流體滲透性。

2.2.2 物理法

物理法改善木材滲透性包括微波處理、冷凍或真空凍干、激光或機械刻痕、蒸汽爆破及超聲波等方法。利用微波處理改善木材滲透性，主要是因為微波產(chǎn)生的蒸汽壓沖破壞了木材的部分薄弱細胞，如射線薄壁細胞，以及部分厚壁細胞紋孔膜。處理材孔體積顯著增加，孔徑明顯增大[49-50]。冷凍處理是指在低溫條件下，將處理材細胞腔中的自由水冷凍成冰，體積產(chǎn)生一定程度的膨脹，形成對木材細胞壁的擠壓作用，導(dǎo)致具緣紋孔的紋孔膜破壞，處理材滲透性得到改善。張耀麗等[51]采用該方法處理尾巨桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)木材時發(fā)現(xiàn)，冷凍處理后，處理材大部分射線細胞產(chǎn)生破壞，木纖維具緣紋孔紋孔膜上可觀察到裂紋，這些微觀結(jié)構(gòu)破壞可以增加流體滲透路徑，從而提高木材的細觀滲流性能。真空凍干原理是將所需干燥的含水物料預(yù)先凍結(jié)到共晶點以下，然后讓固態(tài)水在真空環(huán)境下直接升華，實現(xiàn)處理材脫水干燥。處理過程中，水分從凍結(jié)態(tài)升華時對細胞壁產(chǎn)生擠壓作用，射線薄壁細胞產(chǎn)生破壞，閉塞紋孔會出現(xiàn)不同程度打開，造成木竹材內(nèi)部孔隙率的增大[52]。蒸汽爆破法是利用高溫蒸汽軟化木材，通過瞬時降壓，使木材內(nèi)外產(chǎn)生蒸汽壓力差，使木材最薄弱的紋孔膜、薄壁組織及紋孔塞產(chǎn)生破壞[53]。這些變化可增強木材的流體滲透性能，有利于木材干燥及功能劑浸注處理。激光或機械刻痕是指用激光或刀具在木材表面刻出裂縫，切斷木材表面的纖維，增加木材的液體滲透通道，可應(yīng)用于木材防腐處理[54]。超聲波處理是利用木材的多孔性，處理過程中在木材內(nèi)部產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，空穴氣泡崩潰時對木材纖維形成爆破和超聲波的機械作用，使木材纖維表面產(chǎn)生微小破壞，有利于木材內(nèi)部的流體滲透[55]。

2.2.3 化學(xué)法

化學(xué)處理基本原理是通過化學(xué)藥劑，置換紋孔膜中的抽提物質(zhì)或降解紋孔膜，擴大紋孔膜塞緣之間的開口，使木竹材內(nèi)部流體流通孔徑增大[44]。呂建雄等[56]通過酒精置換方式，使長白魚鱗云杉氣體滲透性顯著增加。其原理是處理后木材中絕大多數(shù)紋孔處于開放的中間位置，利于流體滲透。采用苯-乙醇溶液對長白魚鱗云杉進行浸提處理，其細觀滲流性能改善的原因是紋孔膜微孔內(nèi)抽提物減少，流體滲透通道增加。利用超臨界流體的高擴散性及高溶解性，可溶解影響木竹材中抽提物，進而改善其流體滲透效率。如Demessie 等[57]采用超臨界CO2處理花旗松(Pseudotsugamenziesii)木材，在溶解木材部分抽提物的同時，破壞花旗松心材的閉塞紋孔，處理材流體滲透性能得到顯著改善。筆者采用堿液處理竹束發(fā)現(xiàn)，處理后竹材顯微構(gòu)造發(fā)生變化，竹束內(nèi)部孔體積增大，孔徑40 nm左右的孔隙增多，孔徑增大。竹束纖維細胞剝離可增加液體滲透通道，縮短滲透路徑，提升滲透效率，改善竹束細觀滲流性能[58]。

根據(jù)上述分析，木竹材細觀滲流性能改善方法主要從木竹材細觀滲流控制因素出發(fā)，圍繞微觀結(jié)構(gòu)變化進行。不管是采用化學(xué)或生物處理方法改變木竹材化學(xué)成分，進而破壞顯微構(gòu)造，或是采用物理方法單純改變木竹材細胞結(jié)構(gòu)、破壞組織構(gòu)造之間的連接，其原理均是通過上述處理改變木竹材內(nèi)部孔隙構(gòu)造特征。通過增加處理材孔隙數(shù)量使木竹材細觀滲流通道增加，通過增大孔隙直徑降低滲透壓力，提高滲透速度。

3 展 望

木竹材細觀滲流性能受控于其復(fù)雜的多尺度微觀孔隙結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)表征木竹材孔隙結(jié)構(gòu)特征，對解析木竹材細觀滲流性能具有重要意義，同時為探索木竹材細觀滲流性能改善方法提供理論基礎(chǔ)。筆者從多孔結(jié)構(gòu)角度，綜述了木竹材細觀滲流性能研究進展。目前，雖然在該領(lǐng)域研究已取得較大突破，但要實現(xiàn)對木竹材細觀滲流規(guī)律的全面解析，還應(yīng)從以下幾個方面進行重點研究：

1)在木材科學(xué)研究領(lǐng)域，對木竹材顯微構(gòu)造特征的解析已較為明確，但針對顯微構(gòu)造對應(yīng)孔隙特征的研究相對較少。同時，如何將顯微構(gòu)造特征與木竹材孔隙結(jié)構(gòu)特征結(jié)合起來，從多孔構(gòu)造特征角度解析木竹材特性，目前尚缺乏相關(guān)的研究。后續(xù)研究應(yīng)將孔隙結(jié)構(gòu)特征與木竹材顯微構(gòu)造相結(jié)合，從多孔結(jié)構(gòu)角度，揭示木竹材細觀滲流規(guī)律。

2)在木竹材孔隙結(jié)構(gòu)表征方面，目前利用各類測試手段可實現(xiàn)木竹材孔隙結(jié)構(gòu)的定性、半定量或定量表征。但單一的測試手段難以完全反映孔隙結(jié)構(gòu)的特征。應(yīng)借鑒其他類型多孔材料研究領(lǐng)域的研究方法，開展多技術(shù)聯(lián)合測試，實現(xiàn)木竹材微觀孔隙結(jié)構(gòu)的全面系統(tǒng)表征。此外，除常規(guī)的孔隙尺度分析外，還應(yīng)對孔隙構(gòu)造、孔隙連通性、流體在孔隙內(nèi)部流通效率進行深入研究。

3)改善木竹材滲透性相關(guān)研究較多，在改善效果分析方面，大部分研究通過觀察處理材顯微結(jié)構(gòu)變化、測試吸液量間接表征滲透性改善效果，缺乏可視化的直觀分析研究。后續(xù)應(yīng)從木竹材孔隙結(jié)構(gòu)變化角度出發(fā)，加強流體滲透可視化研究，實現(xiàn)細觀滲透性能改善效果的全面表征。

4)加強與木竹材加工利用相關(guān)的細觀滲流性能的研究工作。如在木竹材改性處理研究過程中，利用細觀滲流研究方法，分析竹木材改性處理效果。結(jié)合細觀滲流研究結(jié)果，解析不同處理條件下處理材性能差異產(chǎn)生的根本原因。