木材胶合界面是木质基体与胶黏剂通过浸润、分子扩散、机械互锁、化学键合等多种作用机制形成的，结构和性能与木质基体和胶黏剂均存在差异且具有一定厚度的过渡区域。胶合界面作为木基复合材料的基本组成单元，广泛存在于各类木基复合材料中(雷德定等, 2012)。胶合界面理论指出，界面微观结构直接影响界面结合性能和复合材料的宏观力学性能。胶合界面微观结构主要包括胶黏剂在细胞腔和细胞壁内的渗透情况、界面区域内木材细胞压缩变形情况以及胶层或木材细胞壁内产生的微裂隙等，其中，胶黏剂在细胞腔中的分布对胶合界面微观结构的影响最大，测量参数主要包括平均渗透深度、有效渗透深度和渗透面积等(Kamke et al., 2007)。

扫描电子显微镜具有较高的放大倍数与景深(Harada et al., 1968)，不仅能获取胶黏剂在木材中的分布，还能清晰观察到胶黏剂与木材细胞的接触情况以及胶层或木材细胞壁中的微裂隙(Singh et al., 2008; Bolton et al., 1988; Hare et al., 1974; Sernek et al., 1999)，已成为表征胶合界面微观结构的主要手段之一。扫描电子显微镜传统制样方法是使用切片机对材料表面进行切割，为确保样品表面切割质量，样品通常需要经过软化、包埋等预处理。预处理会改变或破坏胶黏剂以及木材细胞的形貌，甚至可能使胶黏剂与木材剥离，不利于胶合界面微观结构的研究(Hass, 2012)；而且机械切割还会引入一些不可控的损伤，如细胞裂隙、细胞变形等，尤其是对于高压缩比的胶合试样；同时，预处理和机械切割都会使压缩的木材细胞产生一定的回弹(Laine et al., 2014)。因此，在木材胶合界面微观结构研究中，传统制样方法对界面微观结构的影响是复杂的，甚至是不可行的。

激光烧蚀(laster ablation)是一种新型的微细加工技术，其利用经聚焦的高功率密度激光束照射试样表面，产生足以使材料迅速熔化、汽化和烧蚀的温度，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现试件切割。与传统的机械加工方法相比，激光烧蚀具有高精度(一般为0.1~1.0 mm)、高效率的优点，且尤以紫外激光波长短、材料吸收率高、热影响区小、可聚焦光斑尺寸小等特点，近年来在微细加工领域得到广泛应用。紫外激光烧蚀是通过高负荷能量的紫外光子打断材料的化学键，使材料发生非热破坏，从而获得较高的加工精度和加工质量。在木质材料领域中，紫外激光烧蚀技术已应用于密实化木材(Laine et al., 2014)、高密度木塑复合材(Segerholm et al., 2012)、化学改性木材和热改性木材(Wålinder et al., 2009)等材料的加工，这些材料样品经紫外激光烧蚀技术处理后，可直接用于微观结构观察，并且样品结构保持得较为完整。可见，紫外激光烧蚀技术在木材胶合界面微观结构样品制备上也具有一定的可行性。

本研究针对电子显微镜检测胶合界面微观结构存在的样品制备问题，将激光烧蚀技术应用于木材胶合界面微观结构样品的制备，通过分析激光烧蚀技术对胶合界面样品表面及微观结构的影响，为木基复合材料样品微观结构检测等相关领域研究提供一种简单可行的样品制备方法。

柳杉(Cryptomeria fortunei)采自四川，平均径级30 cm，以原木髓心为中心，向树皮方向依次截取厚为35 mm的板材若干。将柳杉毛坯板窑干至含水率12%后，加工成规格为5 mm×25 mm× 100 mm的弦切板，挑选无明显缺陷的板块密封备用。

胶黏剂选用2种类型：热固型脲醛树脂(UF)，北京太尔公司生产，固含量55%，黏度398 mPa·s(20 ℃)，pH 8.5；常温固化型聚醋酸乙烯酯乳液(PVAc)，北京太尔公司生产，固含量39%，黏度436 mPa·s(20 ℃)，pH 6.5。

将弦切板两两组合，参照胶黏剂厂家提供的胶合参数进行组坯。柳杉/UF胶合试样的压制工艺为双面涂胶量180 g·m^-2，热压温度110 ℃，加压时间5 min，为了研究热压压力对木材胶合界面微观结构的影响，选取0、0.4、0.8和1.2 MPa 4个压力水平。柳杉/PVAc胶合试样的压制工艺为双面涂胶量180 g·m^-2，室温加压，加压时间30 min，加压压力0.4 MPa。胶合后的柳杉/UF和柳杉/PVAc试样置于恒温恒湿箱(20 ℃、65%RH)中平衡调湿2周。以胶层为中心，在每个胶合试样上的同一位置分别截取尺寸为5 mm×5 mm×10 mm的试样2个，其中一个用于切片制样方法处理样品，另一个用于激光烧蚀方法处理样品。

将试样固定于轮转式切片机(型号：KD-2258)上，横截面朝向刀片，胶层垂直于刀片放置。切片前，将切割表面蘸湿，切片厚度调至30 μm。待切出完整的切片后，保留固定在切片机上的胶合试样，观察备用。

选用德国Lambda Physik公司LPX300型KrF准分子脉冲激光器，波长248 nm，烧蚀技术原理如图 1所示。首先将样品固定在进给台上，激光束通过透镜和掩膜板聚焦成直径约为1 mm的光斑，使光斑垂直照射在样品表面。激光束通过位敏触发脉冲发生器与进给台连通，进给台沿着x轴方向往复运动，直至试样被激光切断。保护好截断面，观察备用。试验采用的脉冲宽度为30 ns，脉冲频率为5~8 Hz，输出的脉冲能量为700~800 mJ。

图 1 激光烧蚀技术原理 Figure 1 Schematic diagram of laser irradiation technique

(型号：Hitachi-S4800)观察2种制备方法处理的胶合界面微观结构，观测电压为10 kV。首先用放大倍数200×和2 000×分别观察切片方法样品的表面加工质量、胶层区域和周边细胞形态；其次观察激光烧蚀样品的表面加工质量、胶黏剂分布、胶层形态及胶黏剂与细胞间的界面相容性，放大倍数依次为200×、800×、1 500×和2 000×；最后在2 000×放大倍数下观察不同压力下柳杉/UF胶合界面微观孔隙和裂隙的变化规律。

图 2为切片制样制备的柳杉/UF和柳杉/PVAc胶合界面微观结构。从图中可以看出，柳杉/UF胶合界面样品的加工质量较差，虽然样品在切割前经过水软化，但切割效果并不理想。具体表现为：样品表面毛刺较多，晚材管胞间出现裂缝，这些均为切片制样过程中造成的机械损伤，导致很难分辨胶黏剂在木材细胞中的分布位置和渗透路径；同时，靠近UF胶层附近的木材管胞发生较严重的扭曲变形，这是热压过程中在压力、水分和热共同作用下引起的；而且，远离胶层区域的木材管胞也出现轻微变形(图 2a)，说明细胞形貌除了受热压工艺影响外，还受机械切割的影响。此外，UF胶层区域出现断裂和刀痕，靠近胶层区域的木材细胞壁出现破碎(图 2c)，这是由于UF脆性较大(Stöckel et al., 2012)，不仅会损伤刀具，而且还加剧了机械切割对样品形貌的影响。综上说明，运用切片制样方法制备材质较硬较脆的胶合界面微观结构样品是非常困难的，一是很难保持胶层原有形态，二是很难保持胶黏剂与木材细胞壁之间的结合情况。

图 2 切片制样制备的柳杉/UF胶合界面(a、c)和柳杉/PVAc胶合界面(b、d)样品的微观结构 Figure 2 Micrographs of wood/UF bonding interphase (a, c) and wood/PVAc bonding interphase (b, d) by conventional microtoming technique

与柳杉/UF胶合界面相比，切片制样制备的柳杉/PVAc样品表面毛刺明显减少(图 2b)，且由于PVAc良好的延展性和韧性(Konnerth et al., 2006)，胶层及其周边的管胞无破碎现象(图 2d)。尽管刀具产生的机械力会使这种塑性胶黏剂出现撕扯现象，细胞壁上出现轻微毛刺且部分细胞产生变形，但对观察与分析界面微观结构的影响程度不大。

与切片制样相比，激光烧蚀制备的样品能清晰观察到胶合界面完整且细微的结构，如图 3所示。在低倍下观察胶合界面样品时，表面几乎未发现毛刺，柳杉/UF胶合界面在压力、水分和热共同作用下，早材管胞扭曲变形而晚材管胞未发生变形(图 3a)，不受热作用的柳杉/PVAc胶合界面中的早材管胞和晚材管胞均未观察到变形(图 3b)，说明激光烧蚀方法基本不会破坏木材细胞的固有形态。当样品放大至较高倍数观察时，可以清晰观察到2种胶黏剂在木材细胞中的分布，渗透路径主要有裸露在胶合表面上且受到加工损伤的管胞及其相邻管胞、木射线(图 3c、d、e、f)。此外，2种样品的胶层区域均有孔洞，并且胶黏剂与细胞壁之间也有缝隙存在。与柳杉/PVAc胶合界面相比，柳杉/UF胶合界面上胶层区域的孔洞数量较多但尺寸较小，UF与细胞壁之间的缝隙较多(图 3g、h)，说明UF与细胞壁之间的界面相容性弱于PVAc，这与木材细胞壁的表面自由能(35~45 mN·m^-1)小于UF的表面自由能(61~75 mN·m^-1)而等于甚至大于PVAc的表面自由能(37 mN·m^-1)(李凯夫等，2003)有关。

图 3 激光烧蚀制备的柳杉/UF胶合界面(a、c、e、g)和柳杉/PVAc胶合界面(b、d、f、h)样品的微观结构 Figure 3 Micrographs of wood/UF bonding interphase (a, c, e, g) and wood/PVAc bonding interphase (b, d, f, h) by laser ablation technique

虽然胶合样品在激光烧蚀时并没有受到机械力影响，但样品表面仍可观察到非常明显且呈同方向排列的划痕，主要出现在胶黏剂分布区域及晚材部位。这是因为一些微小的木材碎屑或胶黏剂颗粒受到激光照射吸收能量后，以较高的速度从样品表面喷射出去，使得样品表面产生喷射痕迹(Stehr et al., 1998)。对比2种胶合样品，柳杉/UF样品上的划痕明显多于柳杉/PVAc样品(图 3a、b)，柳杉/UF胶合界面上胶层与细胞壁上的划痕同样明显，UF与细胞壁几乎处于一个平面且比较平整(图 3g)，而柳杉/PVAc胶合界面上的细胞壁划痕明显，但胶层区域无明显划痕，且PVAc呈凸起状(图 3h)，说明PVAc具有较好的弹性或可能发生了蠕变。

除划痕缺陷外，激光烧蚀还会导致早材管胞破坏且在细胞腔内残留细胞壁碎屑。图 3显示，无论是柳杉/UF样品还是柳杉/PVAc样品，在离胶层一定距离的早材管胞均发生了部分破碎，但胶层附近且经胶黏剂填充的早材细胞形态还保持得比较完整。尽管激光烧蚀会产生如划痕、管胞壁破碎等缺陷，但并不影响胶合界面微观结构的观察，如胶黏剂在木材细胞中的分布、胶层区域的形貌以及胶黏剂与细胞壁之间的界面相容性等，说明激光烧蚀方法不仅适用于制备材质较软较韧的胶黏剂形成的胶合界面，还适用于制备材质较硬较脆的胶黏剂形成的胶合界面。

从上述结果可知，激光烧蚀制备的胶合界面可观察到胶层中的孔洞以及胶黏剂与细胞壁之间的缝隙。为了进一步证实界面固有的微观结构并说明激光烧蚀方法是能满足界面微观缺陷观察的制样手段，本研究以界面相容性较弱的柳杉/UF胶合样品为对象，观察激光烧蚀方法处理后不同压力压制的胶合界面微细结构的变化。由图 4可知，当压力为0 MPa时，UF胶层区域以及胶黏剂与细胞壁之间存在非常明显的孔洞和缝隙(图 4a)；当压力为0.4 MPa时，胶层附近的细胞开始出现变形，胶层区域以及胶黏剂与细胞壁之间仍存在孔洞和缝隙，但数量和尺寸明显减小(图 4b)；当压力为0.8 MPa时，几乎未观察到胶层上的孔洞，胶黏剂与细胞壁之间的接触较为紧密(图 4c)；当压力增至1.2 MPa时，细胞发生严重变形，木材细胞壁开始出现细微裂纹，胶黏剂与细胞壁之间也开始出现裂缝(图 4d)。由此可见，不同压力形成的胶合界面的微观结构有明显差异，并且这些微细结构随着压力增加呈现规律性变化，进一步说明了激光烧蚀方法不会影响胶合界面微观结构的观察，并且非常适用于观察界面的固有缺陷，如胶层孔洞、胶黏剂与细胞壁之间的缝隙甚至细胞壁上的裂隙等。

图 4 不同压力下的柳杉/UF胶合界面微观结构 Figure 4 Micrographs of wood/UF bonding interphase under different pressures a. 0 MPa; b. 0.4 MPa; c. 0.8 MPa; d. 1.2 MPa.

传统切片制样方法是基于实体木材提出的，在胶合界面微观结构样品的制备上具有局限性。因为胶合界面样品是两相材料，尤其当胶黏剂呈现脆性且与木材固有力学性质相差较大时，容易损坏刀具，加剧机械切割对样品表面质量的破坏程度。在制备材质较硬较脆的界面样品时，切片制样方法显得尤为困难，因此找到一种适用于所有类型胶合界面且操作简单的制备方法能为深入研究界面的形貌和性质提供前提。

与切片制样方法相比，激光烧蚀方法不需任何预处理，且对样品尺寸没有限制，所耗时长与样品尺寸及其密度呈正比，因此其适用性非常广，不仅适用于不同胶黏剂种类形成的实木类胶合界面的制备，在其他木基复合材料如纤维板、刨花板等二元甚至多元复合材料的不同种类的界面也具有很大的潜在应用性。但是，在加工材质较疏软的组织如早材细胞时，激光烧蚀方法会损坏部分组织，这与激光的调节参数有关。建议在今后的研究中，进一步调整激光烧蚀参数，包括脉冲宽度、脉冲频率、输出能量密度等，优选出对样品损坏程度较小的参数，为激光烧蚀技术在木材科学领域的应用提供技术指导。

1) 切片制样方法制备出的样品观察效果较差，样品表面出现毛刺和划痕，木材管胞发生变形甚至破碎。柳杉/UF样品胶层发生断裂，并且胶层附近的管胞出现破碎现象，既不利于观察胶层形态，也不利于检测胶黏剂与细胞壁之间的结合。柳杉/PVAc样品胶层有撕扯现象，但对于观察和分析界面结构的影响程度不大。

2) 激光烧蚀方法不仅适用于制备材质较软较韧的胶合界面，还适合加工材质较硬较脆的胶合界面，制样时产生的一些不可避免的缺陷，并不影响木材胶合界面微观结构的观察。从2种胶合样品上不仅能清晰辨识胶黏剂在木材细胞中的分布，还能观察到界面上的一些微细缺陷，如胶层中的孔洞、胶黏剂与细胞壁之间的缝隙甚至细胞壁中的裂隙等，为界面微观结构研究提供了一种简单可行的制样方法。

3) 激光烧蚀方法还适用于研究不同压力下胶合界面微观缺陷的变化规律，随着压力增加，胶层上的孔洞以及胶黏剂与细胞壁之间的缝隙数量逐渐减少，尺寸逐渐减小；但当压力增至1.2 MPa时，木材细胞壁开始出现细微裂纹，胶黏剂与细胞壁之间也开始出现裂隙。