胡良兵团队再发力!《自然 通讯》:美学透明木材,建材新选择!

如今,为减轻能源消耗和环境污染,开发绿色节能材料迫在眉睫。由于木材具有含量丰富、可再生、成本低等优势,木材及其衍生物被视为一种优异的绿色节能建筑材料。最新开发的透明木质复合材料具有重量轻、透光率高、导热系数低和机械强度好等优点。同时,还可以有效的收集阳光,有助于节能和舒适的室内照明。

然而,制造透明木质复合材料的方法一般都是去除大部分吸光材料(木质素和提取物)或色素成分,木质素只保留约80%。利用密集的化学处理严重破坏木材的原始结构,以确保有效的聚合物渗透。此外,之前的研究通常集中在光学、机械和热学性质的形态和各向异性上,很少讨论交替的结构、木材原始的年生长模式的自然美感以及通过有效过程进行可扩展的制造。

胡良兵团队再发力!《自然 通讯》:美学透明木材,建材新选择!

近日,美国马里兰大学的胡良兵教授(通讯作者)团队报道了一种新型的可扩展的美学透明木材(美学木材)。该美学木材基于空间和环氧树脂渗透选择性去木质素的过程,具有综合的美学特征(完整的木材图案等)、出色的光学性能(平均透射率约为80%,除雾度约为93%)、良好的紫外线屏蔽能力和低导热性(0.24 W m-1K-1)。此外,该美学木材的快速制造工艺和机械强度(高的纵向拉伸强度为91.95 MPa、韧性为2.73 MJ m-3)促进了良好的扩展能力(320 mm×170 mm×0.6 mm),同时节省了大量时间和能量。因此,该美学木材在节能建筑材料(玻璃天花板、屋顶、透明装饰和室内面板等)应用中具有巨大潜力。

制造方法

基于天然木材的周期性和各向异性,作者展示了两种不同的类型:

(1)具有垂直于木材平面对齐的微通道类型(美学木材-R);

(2)具有与木材平面平行的通道类型(美学木材-L)。

美学木材不仅有木材的原始美学,而且还有良好的光学和机械性能。通过横截面切割天然木材获得的美学木材-R,由于早材(EW)和晚材(LW)之间存在明显的微观结构差异,因此年轮可见。在空间选择性除去木质素后,EW区几乎变成了白色,而LW区保留了部分木质素。在将折射率匹配的聚合物/环氧树脂填充到木材骨架中,制备美学木材。制造的美学木材-R不仅保留了木纹,而且具有很高的平均透明度(在600 nm处为80%)。

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图1、美学木材的制造、微观结构和外观

 

形态和化学特征

软木材通常依靠气管运输水,如松树和花旗松。花旗松的中孔结构如图2a所示,其EW(1.4〜2.6 μm)比LW(5〜10 μm)更多孔、细胞壁也更薄。作者利用酸性NaClO2方法的脱去木质素,从散装木材中部分除去有色成分(主要是木质素和提取物)。木材宏观颜色的演变,表明表面存在的有色化合物被清除。处理2 h后,实现空间选择性的脱去木质素:EW几乎变成了白色,而LW保持了良好的图案。其中,重量损失为13.5 wt%。需注意,将LW完全转化为白色需要花费更多的时间,相应的重量损失约为〜35 wt%。此外,由于EW(284.6 kg m-3)和LW(846 kg m-3间存在明显的密度差,长时间处理后不能维持脱去木质素后结构的完整性,从而导致较差的机械性能。

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图2、美学木材的形态和化学特征

 

可伸缩性和机械性能

作者用四分之一切片切割策略构建具有直纹的美学木材-L。利用该工艺使美学木材-L有出色的结构完整性,而且可以大规模生产。需注意,在不损害其美学特征和其它性能下,更厚的美学木材在建筑应用中可以提供更好的承重性能。所获得的美学木材-L(厚度为0.6 mm)在600 nm下的总透射率为87%,除雾度为65%。在渗透后,美学木材沿木材生长方向显示出大量对齐的致密微通道。虽然LW的内腔比EW的内腔小得多,但它们的密度都很高,同时相同的通道和孔完全充满了聚合物(胶水作用)。拉曼光谱成像发现浸渍聚合物分布在木质细胞的细胞角(CC)、复合中间层(CML)、细胞壁(CW)和内腔。根据拉曼光谱,发现聚合物很好地渗透到木材细胞中,与木质支架中的纤维素形成了牢固的界面。

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图3、美学木材的可伸缩性

 

光学特性和图案设计

作者分别在EW和LW区域选择了8个位置,并分别测量了透射率。LW区域的透射率(平均68%)低于EW区域(平均86%),但剩余的图案仅略微降低了美学木材在可见光区的整体平均透射率。在处理2 h后,美学木材(2 mm厚)能够屏蔽几乎100%的UVC(200-275 nm)和UVB(275-320 nm)光谱以及大部分UVA(320-400 nm)光谱。因此,处理后的美学木材在200-400 nm内具有良好的紫外线吸收性能,在600 nm处具有较高的平均透明度(80%),对可见光的反射率较低。此外,通过堆叠多层美学木材可以实现更多类型的图案。

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图4、美学木材的光学特性和图案设计

 

隔热性能

该美学木材可以在博物馆或画廊中用作图案天花板,以展示其美学效果,并有可能替代玻璃天花板。同时,美学木材还具有出色的隔热性能,因此可以提高能源效率。美学木材在径向(垂直于木材生长方向)上显示出0.24 W m-1 K-1的导热率,低于在轴向上的导热率(0.41 W m-1 K-1)。此外,普通窗户玻璃的各向同性热导率为1 W m-1 K-1,从隔热的角度出发,非常需要美观的木材。因此,美学木材结合了各向异性热传输与低热导率,对于节能建筑十分有利。

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图5、美学木材的导光效果和隔热性能

 

全文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17513-w

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