第1章 绪论
　　木材是树木生长过程中通过光合作用和生物化学作用形成的天然高分子聚合物的复合体，具有与生俱来的生态学属性，这一属性被人们广泛应用于制造家具、木结构建筑等方面。假如把纸张也计算在内，木材至少提供了 5000多种产品。木材与人联系紧密，其具有其他材料无法比拟的环境学特性：木材具有良好的视觉特性、触觉特性、听觉特性和调节特性；木材可以调节由其所构成空间的室内微气候，可进行生物生存和心理感觉的调节。木材具有的生物结构、*有的光泽、*特的颜色、千姿百态的花纹，给人一种自然美的感觉和艺术享受，有益于人们的休憩、娱乐和健康。接触和注视木材时，人们会具有稳静感和舒畅感。
　　木材是树木在天然环境中生长形成的一种绿色材料，是森林生态系统中储量巨大的生物质。树木在生长过程中，作为“生产者”（有生命部分）和环境（无生命部分）共处于一个生态系统之中。它们之间有着天然、密不可分的关联。树木被采伐后，其木质部就是木材。木材仍可被视为树木生命的延伸，因为木材保留着生长时形成的生物结构及色、气、质、纹等天然形成的品质。经比较环保“ 4R”守则（ reduce、reuse、recycle、recovery）的内涵和目的可发现，木材及木质材料的利用比相同场合下使用的同一用途的其他材料更符合“ 4R”守则。木材还具有与另外“ 2R”（replace、regrowth）响应的特点。所以，与其他材料相比，木材拥有与环境和谐、永续利用、节能减排、利于经济社会可持续发展的“多 R”特性。
　　reduce：木材易于加工，是一种硬度低、密度小、多孔性的植物纤维材料，具有良好的加工性能。对它可以进行任何形式的机械加工、功能性化学加工和表面装饰，在彼此及与其他材料之间容易进行良好的、多种形式的连接，可以成型为家具、各种各样的木材制品及木结构建筑等；应用高新技术和现代加工设备可以获得低消耗（资源、能量、加工费用等）、无污染和质量高的产品，在加工利用中达到资源用量少和成品效率高的要求。
　　reuse：使用多年的家具、木制品、木地板、木天棚及木壁板等，可以通过砂光、涂饰或简单修补等方法使之焕然一新，重复使用，这是其他一些材料所不能比拟的。由于木材极易进行各种修补性的加工，不但使原来的产品可以重复使用，而且可减少能源的消耗。
　　recycle：木质废弃物具有广泛的来源，主要有两大类。一类产生于加工产品、制品的全过程，主要有森林采伐剩余物、原木造材剩余物、木材加工剩余物（“三剩物”），也包括果壳、核等森林副产品的废弃物；另一类产生于人们生活中使用后被废弃的木质制品和木质纤维制品。如此多的木质废弃物，亟须全面回收、重制，以提高我国木材的综合利用率和综合利用的技术水平。随着科学技术的进步，我国相关领域的科技工作者和生产企业，针对木质废弃物的形态、尺寸等自身特点进行了多种途径的重制利用，推动了我国林产工业的迅速发展，创造了巨大的经济价值，减少了环境污染。
　　recovery：对木质废弃物而言， recovery 的内涵与 recycle 相似，只是更侧重于能源回收和经化学处理后再利用。
　　replace：以水溶性油漆代替溶剂油漆，以耐用的用具代替用完即弃的物品，尽量选用环保的代替品，如可天然分解的清洁剂和垃圾袋，并使用毒性较弱的化学物质。基于同一用途，在选择使用何种材料时，若比较加工或生产过程中所消耗的能源，木材往往具有明显的优势。
　　regrowth：通过植树造林，加强森林经营管理，增加木材的年生长量，成熟后既可采伐利用，也可实现木材资源的永续利用。木材是四大基础材料（钢铁、水泥、塑料、木材）中唯一一种可在自然界天然生长形成的有机材料，具有对环境友好、有益于人体健康等一系列优良的环境学品质，是人类生活中不可缺少的耐久性好的材料。而且，木材制品使用的生命周期很长，其废弃物可以经过不同的处理方法，按照环保“ 4R”的要求，可重复再用、循环使用，是响应环保守则的*选材料，并且在加工利用时还具有固碳、节能作用。
　　木材具有的“多 R”特性与环境保护的要求有着紧密相连的一致性，为木材和林产品的低碳加工、利用及发展低碳产业奠定了理论基础。面对我国工业化和经济发展的进程，必须以低碳经济的理念和视角重新审视以往的木材工业发展沿革、技术和生产状况，查找与“低碳技术”和“低碳产业”的差距，加强木材工业的加工工艺、加工设备和节能减排的一体化研究和综合实施，卓有成效地推动木材工业的低碳经济发展进程。
　　树木采伐后进行造材和制材，再由木材加工成家具等各种木制品或用于建筑材料等，无论是木材、木材制品还是其他形式，均是森林储碳作用的延伸，即将林木生长过程中所形成的碳，转变为木材或林产品的形式予以储存，它们储碳的生命周期因用途和使用场所而异，然后这些材料所储存的碳又会以各种形式回归到大气中。据资料记载，建筑用材可以储碳 30～50年甚至更长的时间；家具用材的储碳时间要比建筑用材短一些，为十几年到几十年；合成材尤其是合成板材的储碳时间为 10～25年；造纸材的储碳时间较短（但是由于废纸的循环利用，又可间接延长其储碳时间），一般为数月到数年，有的更长（如书籍用纸）；木材纤维及木材化工产品的储碳时间为 2～5 年。
　　木材作为生物质材料或制品的健康使用寿命越长，其储碳的生命周期就越长，也越发延长了大气二氧化碳（吸收）→森林碳汇木材（木制品）→固碳大气二氧化碳（排放）的循环链。抑制二氧化碳的排放，就是减少排入大气中的温室气体。可见，木材的储碳功能与保护生态环境安全密切关联。我国的森林资源比较贫乏，林木的碳储备总量不足。从维护生态平衡角度出发，须特别注意碳素的“储存库” —木材的科学保护与科学利用，以减少温室效应，维护生态安全。温室效应是由温室气体产生的，而二氧化碳是所有温室气体中数量昀大、影响昀直接的因素。树木生长中吸收的二氧化碳以木材的形式予以固定和储存，木材是林木生物量中储碳量昀大的生物质。保护和利用木材，对于减少二氧化碳排放具有十分重要的生态意义。
　　为了有效地延伸储碳周期和实现高附加值利用，须采取低碳工艺进行木材加工。例如，人们以木材为原料，以不同组合方式和加工工艺制成具有不同功能的木质复合材料。例如，木材-塑料复合材可提高原本木材的尺寸稳定性，木材-金属复合材可赋予木材电磁屏蔽功能，木材-无机物复合材可提高木材的阻燃性和抗生物危害性等。木质复合材不但可以使低质木材、小径材、废旧木材得以高效利用，而且具有鲜为人知的生态效应。木材、木质材料经复合加工后，能使碳素进行再次固定和封存，并且在整个加工过程中减少二氧化碳排放，从而减轻温室效应，这是对人类生存环境的贡献。
　　随着时代的发展，木材在清洁能源、环境修复、生物组织、柔性电子、深海测控、宇宙探秘等未来产业中已崭露头角并担任着日益重要的角色。在未来，智能操控将赋予木材高效、低能耗、环境和谐、快速应变等新的内涵，实现木材的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性，使木材在外场作用下具有感知、驱动和控制功能，也将使木材从更高的技术层次上为人类的文明进步服务。
　　主要参考文献
　　郭明辉，李坚，关鑫. 2012. 木材碳学[M]. 北京：科学出版社.
　　李坚. 2002. 木材科学[ M]. 北京：高等教育出版社.
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　　李坚，赵荣军. 2001. 木材与环境[ M]. 哈尔滨：东北林业大学出版社.
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　　刘一星. 2007. 木质环境学[M]. 北京：科学出版社 .
　　罗建举. 2008. 木材美学引论[M]. 南宁：广西科学技术出版社.
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　　武者利光. 1995. 自然界的涨落现象[M]. 东京：NHK 出版社.
　　第2章 木材超分子聚集体
　　木材作为绿色、低碳的天然生物质材料，具有可再生、可降解的环境友好特性。“双碳”目标背景下，木材作为天然的负碳材料，被视为替代塑料、钢材等高碳排放材料的昀佳选择之一。木材作为材料应用的根基在于揭示其结构与性能的关系，木材构效关系研究是木材科学理论研究和木材高效利用的基础。木材多层级结构的研究从宏观向微纳米级和分子水平深入，对木材分子层面的认知是深入挖掘其应用潜力的关键。这对于拓展木材应用领域，推动木材从传统应用材料向高附加值材料发展具有重要意义。木材是由多种分子聚集而成的天然高分子聚合物，微纳米级和分子尺度上的研究，不能局限于单一组分、单一分子，而应当聚焦在多分子间组装与互作而成的聚集体结构。本章归纳总结了超分子科学在木材科学领域的应用现状，提出了“木材超分子科学”的概念，从定义、框架、研究意义、研究内容和产业应用等方面进行阐述，并对木材超分子科学的发展趋势进行展望，以期从超分子科学角度发展木材科学。
　　2.1超分子科学
　　“超分子”这一术语是在 20世纪 30 年代中期被提出的，描述由配合物形成的高度组织的实体。从普遍意义上讲，任何分子的集合都存在相互作用，所以常常将物质聚集态这一结构层次称为“超分子”。超分子科学是在超分子化学基础上发展而来的，“超分子化学”概念昀先由诺贝尔化学奖获得者、法国科学家 Jean-Marie Lehn 提出，他指出：“基于共价键存在着分子化学领域，基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学”。超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的具有一定结构和功能分子聚集体的化学，其与物理学、材料科学、生命科学、信息科学、环境科学、纳米科学等学科交叉融合而发展成为超分子科学。超分子科学被认为是 21世纪新概念和新技术的重要源头之一，主要研究范畴包括分子间非共价键的弱相互作用（如氢键、配位键、静电作用、范德瓦耳斯力、亲水 /疏水相互作用等），几种作用力协同效应下分子聚集体的自组装，以及超分子组装体结构与功能之间的关系。
　　2.2木材科学领域的超分子科学
　　木材作为天然高分子材料，无论是树木生长过程还是木材加工利用过程，都离不开非共价键的作用。非共价键作用存在于木材科学中的方方面面，包括木材中的超分子结构、超分子组装、超分子调控及木材超分子智能化体系。因此，非共价键对木材的性质和加工性能具有重要的影响。
　　2.2.1 木材中的超分子聚集体
　　木材主要依靠高分子物质间的非共价键相互作用形成宏观组织，因此木材超分子聚集体结构贯穿于木材的多尺度结构中。木材的主要成分 —纤维素的超分子结构主要包括纤维素生物合成后葡萄糖分子的翻转、构象排列，葡萄糖分子内和分子间氢键形成的高度结晶结构，纤维素分子链中结晶和无定形态共存的两相结构，高分子链聚集成为基本纤丝并在木材细胞壁中进一步交联排列成的微纤丝。纤维素的微纤丝与木质素、半纤维素依靠分子间相互作用结合形成聚集体薄层，如图 2.1所示，许多薄层围绕木材细胞腔逐层缠绕、沉积，再聚集形成木材细胞壁，多个木材细胞相互连接从而形成了木材组织结构。
　　图 2.1 细胞壁中层同心层状结构的原子力显微镜照片（ a）和从木材细胞壁中分离出的聚集体薄层（b） a图单位为 nm。b图：Z. 样品厚度方向； X. 样品长度方向；聚集体薄层厚度约为 10nm；“十”字形标志之间的白色直线是测量聚集体薄层厚度时，原子力显微镜探针的扫描路径（下同）
　　木材科学通常将木材细胞壁分为胞间层（ ML）、初生壁（P）和次生壁（ S），而从超分子科学的角度出发，木材细胞壁可以看作由大量聚集体薄层聚集形成的实体结构，因此可认为木材细胞壁的基本组成单元是聚集体薄层。