神奇的透明木材

什么是透明木材？

透明木材是木材經(jīng)過脫色和透明化處理后得到的材料，它通常是用脫木質(zhì)素的木質(zhì)納米纖維素為骨架浸漬透明樹脂制備而成。木材的不透明主要有兩個原因?qū)е?，其一是木材中的木質(zhì)素含有大量有色組分，這些組分讓木材能夠發(fā)色；其二是木材細(xì)胞壁物質(zhì)的折射率和木材孔隙中空氣的折射率相差較大，這使得光線傳播時會在木材內(nèi)部構(gòu)造界面處發(fā)生折射、散射和反射，以至于不能穿過木材。

透明木材：有望替代玻璃，成為“未來之窗”美國森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室（ForestProductsLaboratory）與馬里蘭大學(xué)、科羅拉多大學(xué)合作，開發(fā)出了一種透明的木材。輕質(zhì)木材經(jīng)過一系列的處理，可以具有與玻璃相近的透光度，并且相較于玻璃，有更好的隔熱性能與韌性，或?qū)⑻娲Ａ?，成為未來最有潛力的半透明建筑材料?/p>

目前，玻璃是建筑窗戶最常用的材料。但是玻璃易于傳導(dǎo)熱量、尤其是單層玻璃。夏季，室外的熱量大量地向室內(nèi)輻射，使建筑產(chǎn)生較高的制冷能耗；冬季，建筑內(nèi)部的熱量容易通過玻璃散逸至室外，增加建筑的制熱能耗。另外，玻璃的生產(chǎn)也帶來了沉重的碳足跡：每年制造玻璃產(chǎn)生的碳排放量約25000噸。

研究員發(fā)現(xiàn)，巴爾杉木（世界上最輕的木材之一）在室溫下經(jīng)氧化劑與聚乙烯醇（PVA）的處理后，木材可變得如玻璃一般透明。這種透明木材的熱學(xué)性能更加符合時下可持續(xù)性發(fā)展的需求。透明木材的導(dǎo)熱系數(shù)不足玻璃的五分之一。當(dāng)運(yùn)用在建筑中時，尤其在特別寒冷的地區(qū)中，可以大大減少建筑制熱所消耗的能源。

另外，透明木材在力學(xué)性能上具有玻璃不具備的優(yōu)勢。它比玻璃更輕，可以承受強(qiáng)烈的沖擊，因?yàn)槔w維素結(jié)構(gòu)與聚合物填料相結(jié)合可提供更大的韌性，它的韌性（3.03MJm?3）比標(biāo)準(zhǔn)玻璃（0.003MJm?3）高3個數(shù)量級。這意味著它能夠在變形前承受很大的應(yīng)力，并且不會破碎，而是彎折。這很大程度避免了對人的傷害。

根據(jù)論文所述，一種具體的制備透明木材的方法如下。首先脫木質(zhì)素：將木材浸入NaClO溶液中，后以去離子水漂洗，經(jīng)凍干得到白色的木片；然后制備透明木材：將干燥的白色木片浸入PVA溶液，并在高壓下通過脫氣使木片膨脹，后將木材加以干燥、固化。最終得到透明木材。

目前階段，透明木材霧度（約為15%）仍比玻璃高。但對于天窗等利用散射光即可滿足需求的位置，透明木材有其用武之地。馬里蘭大學(xué)研究人員最新研究出霧度更低、接近于商用玻璃透明度的透明木材，也進(jìn)一步縮小了兩種材料的使用效果差距。

目前，國內(nèi)外制備的透明木材，不論是采用環(huán)氧樹脂還是聚甲基丙烯酸甲酯，均為剛性材料，制備得到的透明木材剛性很強(qiáng)，嚴(yán)重限制了這種新型材料在可穿戴器件、可彎曲屏幕、柔性顯示等高附加值光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。進(jìn)一步，當(dāng)前國外制備透明木材通常采用輕木為原材料，輕木雖然具有天然的優(yōu)勢，但這種木材主要盛產(chǎn)美洲，在我國產(chǎn)量不大。速生木材是我國重要的經(jīng)濟(jì)林樹種，生長快、產(chǎn)量高，如果能將速生木材用來制備透明木材，將其應(yīng)用到更高附加值的領(lǐng)域中，對我國木材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將具有重要的意義，這也是我國木材科學(xué)和材料科學(xué)研究人員共同追求的目標(biāo)。

為突破這兩個方面的難題，木石塑復(fù)合材料及制品國家聯(lián)盟理事長單位中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所唐啟恒副研究員從材料學(xué)的角度出發(fā)來解決問題。由于環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基官能團(tuán)，使得人們可以通過高分子化學(xué)這把“手術(shù)刀”對其分子結(jié)構(gòu)的進(jìn)行改性，從而賦予其更多的性能。研究小組采用柔性聚氨酯預(yù)聚物對剛性環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，從而制備出柔性的環(huán)氧樹脂，再將其浸漬入脫除木質(zhì)素的速生楊木薄片骨架結(jié)構(gòu)中，固化得到具有良好柔性的透明木材，于是研究小組提出“柔性透明木材”的概念（Nanoscale，2018,10,4344-4353）。如果柔性透明木材制成很薄的薄膜時，還可將其應(yīng)用于柔性電子器件的透明電極、手機(jī)屏幕等領(lǐng)域中。

為進(jìn)一步拓寬透明木材的應(yīng)用領(lǐng)域和加快透明木材的工業(yè)化進(jìn)程，研究小組研制了40秒超快速制備透明木材技術(shù)，通過將聚乙二醇二丙烯酸酯浸入脫除木質(zhì)素速生木薄片骨架中，紫外照射40秒，即可固化制成超柔性透明木材薄膜，并以此薄膜開發(fā)出可感知疼痛的透明木材電子皮膚，該材料可將外界壓力轉(zhuǎn)換成電信號和光信號，實(shí)現(xiàn)雙模式感應(yīng)（DOI：10.1016/j.cej.2021.132152）

研究小組長期以來采用各種樹種木材、竹材為原料，對透明木質(zhì)類材料開展大量研究，研制出25秒超快速固化透明木（竹）材、大幅面透明木（竹）材、高強(qiáng)度透明木（竹材）、量子點(diǎn)發(fā)光透明木（竹）材、超薄透明木材、超柔性透明木材等一系列新型木基復(fù)合材料，將透明木材應(yīng)用于柔性光電子器件、高透光智能窗