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    木材你见得多了,透明的你见过吗?

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    本文来源 | 新材料研习社

     

    天然木材是一种低成本、纯天然、可再生且资源 丰富的材料。木材通常用作结构材料或作为纤维素/ 纤维素纤维的原料,如装饰材料、建筑原料、造纸、印刷以及包装材料。
     

     
    对于先进功能材料而言,未经改性的木材因自身机械性能较差、易燃烧、易变色等缺点制约了其高值化、功能化应用发展。木材除具有可再生、环境友好、绿色可生物降解等优点外,还具有其他独特的优势,包括多层次结构、多孔结构、完整性和多功能性等。木材通过改性被赋予热储能、热屏蔽、透明等新功能,使其可以集成到建筑材料、光电器件和传感器中,克服了传统意义上木材的缺点,应用更加广泛。
     
    采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧树脂、 聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇(PVA)等聚合物浸渍脱木质素木材可制备透明木材,该透明木材是一种具有高强度、高韧性、隔热性和优异的光透过率等特点的新兴材料,与其他透明建筑材料(如玻璃)相比,透明木材具有较低的热导率且可减少光的散射, 可以作为玻璃的替代物。
     

     
    透明木材的制备工艺
     
    木材本身是非透明的,这是由木材微尺度多孔结构、不同的化学成分在细胞壁上具有不同的折射率及存在强吸光化学成分等光学非均质性造成的。木质素对光具有强吸收和散射,使得天然木材在可见光范围内不透明。木材细胞壁由纤维素、半纤维素和木质素组成,折射率在 1.5 左右。去除木质素后,木材本 身的微观结构保持完整,可以使聚合物更易浸渍进入内部结构形成透明木材。将与纤维素折射率相接近的聚合物浸渍脱木质素木材后,细胞壁与聚合物之间 折射率失配大大降低,从而使木材表现出较高的透明度。
     

    透明木材制备方法及其应用

     
    透明木材的制备主要包括去除木质素和聚合物浸渍两个过程
     

    透明木材的制备工艺

     
    透明木材同步功能化应用
     
    木材经过透明化后,具有较高的耐冲击能力和延 展性、较低的导热率,可最大限度采集阳光。这使透 明木材可直接作为建筑材料,如制作窗户;聚合物浸 渍后,细胞壁与聚合物之间的折射率失配显著降低, 光可沿着木材生长方向传播而不受入射角影响,具有 突出的光引导作用,因此,透明木材可用作光电材 料;脱木质素木材具有较高的孔隙率,聚合物中掺杂 不同的荧光材料可赋予木材光致发光性能;脱木质素 木材的微观结构能够保持不变,因此可用作热储能材 料的载体。
     
    1、透明木材建筑材料
     
    建筑材料 (如钢、合金、玻璃) 具有优异机械性 能,但存在质量大、制造成本高的缺点,还会对环境造成不利的影响。透明木材除了具有较好的机械性 能外,还具有较高的透过率、较好的隔热性能等特 点,关键是具有生物可降解性和环境友好性。
     

    透明木材建筑材料

     
    2、透明木材发光材料
     
    含有荧光材料的功能光转换层是许多器件中必不可少的组成部分,如白色发光二极管 (LED)。荧光量子点掺杂型透明木材使得白色发光二极管获得了进 一步的发展。
     

    发光透明木材

     
    3、透明木材热储能材料
     
    基于相变材料 (PCMs) 的功能性承载材料正在快速发展,可应用于热能存储。介孔结构材料是PCMs 的理想承载材料,保证了热循环过程中的形状稳定性。
     
    透明木材基复合材料
     
    制备透明木材时可将一些功能化材料同步浸渍而赋予特殊功能外,还可以透明木材为基体,通过涂布或其他方式将无机或有机材料与之复合得到具有导电和磁性功能的材料。这些材料不仅具有透明木材优异的机械性能和透过率,还可以制备具有其他功能的柔性材料,进一步拓展了木材功能化方向和应用领域。
     
    1、透明木材基太阳能电池 
     
    太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片状电池,被一定强度的光照射时,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。透明木材具有较高的透光率和雾度,优异的机械性能且导热性低,因此可作为太阳能电池组装的基板。
     
    2、透明木材基导电材料
     

    近年来,质量轻、便携式电子设备的需求引起了 学者们对柔性导电材料的广泛关注。透明木材基导电膜是一种柔性导电材料,以透明木材为基材,将导电材料喷涂在柔性基材上制备的。该透明木材基导电膜能弯曲且柔韧,变形大而不影响其导电性能,具有一定的耐久性,在柔性智能可穿戴电子设备以及照明领域具有良好的应用前景。

     

    透明木材基导电复合材料

     
    透明木材优异的机械性能和较高的光透过率使其有可能替代玻璃成为新一代建筑材料,避免玻璃的不可回收对环境造成的问题。透明木材对光的引导作用,使其可应用于光电材料领域;独特的介孔结构, 使其在热储能领域的应用成为可能。
     
    不仅如此,透明木材作为基材可有效的与其他功能性材料复合制备柔性透明导电木膜、储能与导热材料等,因此透明木材在光电材料领域的应用具有良好的发展前景。
     
    然而, 木质部年轮沉积的色素不同,木质部不同位置木质素含量不同,影响透明木材透过率及机械性能;当制备大尺寸透明木材时,由于受到木质部纤维孔道尺寸的影响,使木材透明化不均匀;如果仅改变发色基团结构,可能会出现返黄现象。以上这些透明木材研究过程中遇到的问题亟待解决。

     

    来源:[1]徐永建,张娅倩,祝萌,殷学风.透明木材及其功能化研究进展[J/OL].中国造纸:1-7[2021-04-27].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1967.TS.20210425.1745.012.html.

     



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