用氧化石墨烯对木材进行改性，可以赋予其材料本身及其相关产品所特有的独特性能。然而，这些新获得性能的耐久性至关重要。
为了更好地了解这些特性，深入分析在氧化石墨烯改性影响下木材所发生的结构变化是很有意义的。
作为研究的一部分，对木材使用氧化石墨烯水分散液进行浸渍。对木材采用的两种浸渍方法：单真空法和无压超声法。
激光诱导击穿光谱法（LIBS）用于测定元素（主要是碳元素），并表征经氧化石墨烯浸渍的木材表层与天然木材在元素组成上的差异。
利用激光诱导击穿光谱法（LIBS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析法，对构成木材组织的聚合物结构变化进行了分析。同时，还运用三种显微技术（体视显微镜、共聚焦激光扫描显微镜和扫描电子显微镜）对木材表面进行成像。
激光诱导击穿光谱法（LIBS）的概念与作用
激光诱导击穿光谱法（LIBS）是一种微损检测方法，用于测定被测表面元素的空间分布。该方法无需对测试样本进行预先专业处理，就能快速、精确地测定被测材料二维表面元素的定性和定量组成。此方法的另一个优点是，几乎可以对所有物体（无论是固体、液体还是气体）进行分析。
激光脉冲与物质相互作用产生等离子体，该等离子体会发射出每种元素特有的辐射，这些辐射以发射谱线的形式呈现。激光诱导击穿光谱法（LIBS）有助于对包括木材在内的各种材料进行表征。
Cui等研究者提议将激光诱导击穿光谱法（LIBS）与人工神经网络（ANN）相结合，用于木材种类的识别与分类。该研究的作者指出，像非洲花梨木、巴西古夷苏木、榆木、落叶松、缅甸紫檀、刺猬紫檀、杨木和梧桐木等木材的区分，可基于通过激光光谱法获得的谱线构建的分类模型，以及依据训练集数据建立的计算模型来实现。
其他研究表明，将激光诱导击穿光谱法（LIBS）与电子鼻技术相结合，能有效地识别木材种类。
注：电子鼻又称气味扫描仪，它是模拟动物嗅觉器官开发出一种高科技产品，以特定的传感器和模式识别系统快速提供被测样品的整体信息。
激光诱导击穿光谱法（LIBS）对于木材浸渍质量控制也很有价值。Solo-Gabriele等研究者发现，无论木材质量如何（例如木材细胞中是否有节疤或水分），以及采用何种木材加工方式（例如使用清漆或油漆进行涂层），激光诱导击穿光谱法（LIBS）都能够识别木材中的浸渍情况。
在López等研究者开展的其他研究中，激光诱导击穿光谱法（LIBS）被用于测定木材上彩色装饰层的元素特征，这为了解世纪之交古迹修复方法提供了大量信息。
由于激光脉冲逐层传播，因此可以描绘出各元素在层中的深度分布情况。识别材料层不同深度处各元素光谱信号的差异，有助于确定材料改性的结构和分子机制。
Nasiłowska等研究者用氧化石墨烯（简称GO）对不锈钢丝线进行改性时，观察到源自GO的碳明显融入了原始材料的表层。
激光诱导击穿光谱法（LIBS）使该研究的作者能够观察到碳的光谱峰值差异，这种差异不仅存在于表层本身和原始材料中，还存在于连接这两层的中间层中。
石墨烯及其衍生物因其独特性质，备受科学界关注。众多研究表明，石墨烯和氧化石墨烯在设计功能性复合材料方面极具潜力，这些复合材料对众多行业都很有用。
此外，最新研究表明，氧化石墨烯有助于木材改性，以改善其性能或赋予其具有其他工程材料特性的新性能。Boudjellal等研究者展示了用氧化石墨烯对木材进行改性的结果，表明改性后的材料获得了抗静电性能。
在Łukawski等研究者开展的其他研究中，发现石墨烯材料能使木材表面具有超疏水性。
此外，Yan等研究者的研究表明，用氧化石墨烯对木材进行改性可抑制木材燃烧。研究人员还证实，氧化石墨烯可在燃烧过程中形成物理和化学屏障，从而阻断反应链，起到阻燃的效果。
研究过程中使用的材料与技术
测试使用的是尺寸为40×40×4毫米的欧洲赤松（Pinus sylvestris L.）样本。测试采用的是边材。当含水率为12%时，木材密度为600千克/立方米。
使用氧化石墨烯水分散液（由波兰绿山城市高级石墨烯制品公司生产）对木材进行浸渍，该分散液用水稀释，以获得浓度为0.08%的溶液。
氧化石墨烯薄片的直径为500 - 1000纳米。将氧化石墨烯在水中的悬浮液用PS - 40A超声波清洗机搅拌15分钟，以减少溶液中氧化石墨烯薄片的团聚。
将样品垂直叠放于溶液中，以此方式为浸渍做好准备。
为防止木材样本浮到溶液表面，给它们压上了玻璃珠。木材浸渍采用单真空和超声两种方式。真空浸渍在型号为1445 - 2的真空干燥器（搭配型号为 V - 700 的真空泵）中进行。浸渍条件如下：真空度190毫巴，时间30分钟，温度28 摄氏度。
随后，使反应腔内压力恢复至大气压，样品在溶液中再静置30分钟。之后将样品从氧化石墨烯分散液中取出并自然晾干。
无压浸渍是利用超声波浴进行的。浸渍过程在以下条件下开展：时长30分钟，温度22摄氏度。该过程结束后，样本在溶液中再放置30分钟。
将样品从氧化石墨烯分散液中取出，然后让其干燥。
木材样本编码如下：
•C —— 对照木材样本（未经过处理）
•GO —— 采用单真空法用氧化石墨烯浸渍的木材
•GOU —— 采用超声法用氧化石墨烯浸渍的木材
该研究使用了Nd:YAG激光器。其波长为1064纳米，脉冲能量为10毫焦，脉冲持续时间为4纳秒。利用中阶梯光栅（Echelle）光谱仪记录等离子体辐射。
该光谱仪能够在200 - 800纳米波长范围内，20纳秒至16毫秒的时间窗口内检测光谱。
地层光谱分析包括在同一位置进行越来越多次的激光发射，然后记录后续每次激光发射所产生的光谱数量。
聚焦透镜的焦距为150毫米。为避免在空气中意外发生激光击穿，透镜与木材的距离设定为140毫米。
样品照射的几何设置如下：激光束垂直于木材样品表面，即相对于表面法线计算的入射角为0度，而光谱采集方向与表面约成60度角，即相对于表面法线成30度角。
在假定的透镜与木材间距下，激光光斑在木材表面的焦点直径约为0.1 - 0.3毫米，具体取决于木材是晚材还是早材。激光能量密度为0.14焦/平方毫米。对于深度为10-15微米的烧蚀坑，烧蚀率在0.08 - 0.12立方毫米/脉冲到0.71 - 1.06立方毫米/脉冲之间。
由于在松木的解剖结构中，早材和晚材（年轮生长）之间有明显的分界，因此对早材和晚材层中的元素光谱分布进行了分析。
因为早材区和晚材区的细胞结构存在差异，因此春季（早材）和夏季（晚材）形成的木材区域层中所含氧化石墨烯，在数量和性质上都有可能存在差异。
为了在激光诱导击穿光谱法（LIBS）研究中识别木材样本，给木材样本设定了编码，这些编码也能区分早材区和晚材区：
•cb—— 对照样本，早材区
•cc—— 对照样本，晚材区
•GOb、GOUb—— 浸渍木材，早材区
•GOc、GOUc—— 浸渍木材，晚材区
激光诱导击穿光谱法（LIBS）数据采用多元因子分析（FA）处理。LIBS 对输入数据（即LIBS光谱集）进行正交线性变换，转换到一组新的变量中，这些变量被称为因子。
使用 Statistica v.10 PL 软件包对光谱进行处理。该方法能够展现木材样本不同深度所记录光谱之间的异同。
这可以用简单的二维图形形式呈现。一般来说，其解读方式如下：在二维图形中的代表各个激光诱导击穿光谱法（LIBS）的点彼此越靠近，产生该LIBS光谱的点处的化学成分相似度就越高。相反，如果光谱彼此距离较远，则表明它们的化学成分差异很大。
采用三种显微技术对样品表面进行成像。
对用氧化石墨烯浸渍的木材表面进行结构研究，所使用的设备如下：
•Zeiss Smart - Zoom 5体视显微镜。使用带有LED照明的PalnApo D 1.6×/0.1FWD 36毫米物镜，放大倍数为35倍。
•Zeiss LSM 800共聚焦激光扫描显微镜。分析参数：激光405纳米，针孔0.3 AU，增益478。
•扫描电子显微镜（SEM）。使用ETD - BSE背散射探测器获取图像。研究在10千伏的加速电压下进行。在成像之前，木材样品表面镀上一层 6.16纳米厚的金层。为此，使用了型号为EM ACE 600的溅射装置。在溅射过程中，放置样品的工作台旋转并倾斜120度。
在Thermo Scientific光谱仪上，运用全内反射（ATR）技术记录傅里叶变换红外光谱（FTIR），波数范围为400 - 4000 cm-¹，分辨率为4 cm-¹，扫描次数为64次。使用Omnic 9软件对光谱进行基线校正。
注：单位符号“cm-¹”是指波数（读作“厘米负一”，“每厘米”或“厘米-¹”）:波数是衡量振动频率的单位，指在每厘米距离内的振动次数。它是红外光谱中最常用的单位。
用于计算结晶度指数（TCI、LOI 和 HBI）的吸光度峰值，是通过连接ATR光谱中相应曲线最小值的局部基线来确定的。结晶度指数（CI）由三个参数确定：
•横向有序指数（LOI），通过1430 cm-¹ 和894 cm-¹处吸光度值的比率得出；
•氢键强度（HBI），由3350 cm-¹和1337 cm-¹处峰值的比率确定；
•总结晶度指数（TCI），根据1373 cm-¹和2900 cm-¹处的数据得出。
研究分析
在研究过程中了解到，松树是一种年生长相对均匀的树种。然而，始终要考虑到，年生长宽度并非理想状态。激光束聚焦在木材较深层时，可能会超出早材区域，从而捕捉到晚材这一第二区域的信号。
在激光束产生的等离子体辐射中识别出的光谱，主要由碳化合物以及含镁和氧等元素的杂质主导。
在对照木材样本（C）中，近表层的元素含量（主要是碳）在晚材中更高，这是由于细胞壁中木质纤维素占比更大所导致的规律。对于采用真空法用氧化石墨烯浸渍的木材（GO），近表层所检测元素的含量（主要也是碳）在早材中占优，这表明构成木材的细胞中较大的空隙被氧化石墨烯薄片填充。
采用超声法用氧化石墨烯浸渍的木材（GOU），其近表层的碳、镁和氧含量低于采用真空浸渍法处理的木材。
对激光诱导击穿光谱法（LIBS）因子分析（FA）的结果进行了解读，可以看出，在亮木纹理和暗木纹理处获取的光谱之间差异较小，这表明它们的化学成分相似。
来自浸渍木材（Gob）、浸渍木材（Goc）、浸渍木材早材区（GOUb）、浸渍木材晚材区（GOUc）样本的光谱，以及未浸渍的对照样本（早材区cb和晚材区cc）的光谱位置，也显示出其化学成分上的某些差异。
使用扫描电子显微镜对浸渍木材和无压超声处理木材进行的结构研究表明，木材表面存在氧化石墨烯薄片。
氧化石墨烯薄片形成簇状结构和表面起伏。在显微图像中可以看到单个的氧化石墨烯薄片。未经处理的木材表面平整，无明显异物。
通过体视显微镜也观察到了浸渍木材表面氧化石墨烯薄片的存在。早材区和晚材区颜色变深。氧化石墨烯改变了木材表面的天然颜色，使其变为灰色。在浸渍木材表面可见沉积的氧化石墨烯小簇，呈现为黑点（用黑色箭头标记）。
此外，通过此次研究还发现了正如López等研究者之前得出的调查结论，即激光诱导击穿光谱法（LIBS）技术可用于清除木材表面的涂层。
通过共聚焦显微镜成像的木材结构表明，由于激光烧蚀，木材表面发生了变化。
由于20个激光脉冲局部作用于样品表面，形成了弹坑（受损木材表面）深度，而且在早材区相比在晚材区更为明显。
这意味着，早材区较薄的木材细胞壁层比晚材区的细胞壁更容易受损。考虑到晚材样品的弹坑直径通常约为100微米，早材样品约为300微米，我们可以得到初步结果，经过20次激光照射后，晚材松木的平均总（有效）烧蚀体积为0.4 立方毫米，早材约为8.8立方毫米（计算中我们假定弹坑为圆柱形）。
对测量所得的傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行比较，以展示采用单真空法用氧化石墨烯浸渍的木材（GO）而发生的变化。
由于木材中纤维素含量较高，因此对木材用氧化石墨烯浸渍后结构变化的分析与纤维素参数相关。对与结晶和无定形结构相关的区域（峰值）进行了比较；在此基础上，确定了所使用的氧化石墨烯对木材结构的影响。
横向有序指数（LOI）参数代表纤维素中有序排列的区域，在这种情况下，它可能表明氧化石墨烯薄片的排列方向与纤维素链垂直。所有样品的氢键强度（HBI）参数均未发生变化，这表明在施加氧化石墨烯层后并未形成氢键。
表面改性是在22/28摄氏度下进行的，所以对于松木基材（对照样品）来说，这些条件较为温和。这样的沉积方法可能不会对表面产生显著影响。
研究结论要点
总之，通过此次研究并对相关的数据结果进行了分析，可以总结出以下要点：
（1）本研究采用激光诱导击穿光谱法（LIBS）技术，主要识别了用氧化石墨烯浸渍的木材中的碳和氧元素。所使用的方法使我们能够表征因木材浸渍方法不同，各元素产生的信号强度存在差异。
（2）在早材细胞区域的近表层，识别出了来自碳和氧元素的更高强度信号。在采用无压超声法浸渍的木材表面，所测元素的信号强度较低，这可能表明木材近表层细胞结构中正在发生分解过程。
（3）尽管在激光诱导击穿光谱法（LIBS）技术研究中，无压浸渍木材的信号强度较低，但在傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究中，在2500 - 3600 cm-¹范围内注意到吸光度略有增加。
（4）可以假定，这些变化是由于氧化石墨烯层沉积在木材表面（-OH和- CH2基团的作用）所致。显微镜检查表明，木材表层细胞中存在氧化石墨烯薄片。
注：羟基（oxhydryl）是一种常见的极性基团，化学式为-OH；亚甲基(-CH2-) 作为基团连接在更大的分子中，赋予分子特定的性质。
基于这些研究，可以明确的是与傅里叶变换红外光谱（FTIR）方法相关联的激光诱导击穿光谱法（LIBS）技术可用于识别经各种浸渍方法处理后木材表层发生的变化。
