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“木头大王”胡良兵再发《Science》子刊:透明木材产业化更进一步!

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

透明木材因其独特的层次结构、高比强度和良好的光学性能脱颖而出,具有广泛的应用前景,包括光电器件、建筑节能材料、太阳能电池和触摸板等。新材料的加工和成型往往伴随着复杂的工业问题,透明木材也不例外。传统的液相脱木素过程制造透明木材的方法需要消耗大量的化学物质和能量,液体废物难以回收利用。

为此,研究人员发现,用碱性H2O2水热溶液可以去除木质素生色基团实现脱色,而不是完全去除木质素结构。但是,该技术仍需要相对较大的化学、水和能量消耗。因此,以快速、可扩展、低成本和环境友好的方式制备透明木材仍然具有挑战性。

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近日,美国马里兰大学的胡良兵教授团队基于紫外线辅助光催化氧化方法,结合太阳辅助化学刷涂工艺,大大减少了化学和能量消耗以及加工时间,制造出一种高透射率(> 90%)、高雾度(> 60%)并在可见光波长范围内具有出色的透光效果的可图案化透明木材。相关成果以“Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood”为题在国际顶尖学术期刊《科学进展》(Science Advances)上发表。

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图1. 透明木材的制备过程、原理示意图和图案化制备的演示。

他们通过刷涂H2O2改变了木质素的分子结构,然后利用自然光进行紫外线(UV)照明,从而除去木质素的吸光生色基团。然后采用折射率匹配的环氧树脂渗入到木质结构的微孔中,实现透明木材的制备。天然木材的分层多孔结构,可促进H2O2溶液的快速渗透/扩散和紫外光捕获,最终显著降低其光吸收(< 4%)。木质素改性木材的拉伸强度(20.6 MPa)显著高于脱木质素的木材(0.4 MPa)。透明木材具有很高的透光率(高达~90%)、优异的拉伸强度(> 46  MPa),以及良好的透光效果(图1)。

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图2. 透明木材的结构和组分特征。

红外光谱显示,该方法在降解了木质素的发色基团的同时,仍保留了木质素的芳香族骨架。天然木材和木质素改性木材的木质素含量分别为~23.5%和~19.9%。木质素的芳香族骨架为后续的聚合物渗透提供坚固的支撑。得益于强大的机械性能,可以制备了长度约为1 m的超长木质素改性木材样品。

木质素改性木材通过真空渗透环氧树脂,在处理后保留了分级的、相互连接的多孔结构。透明木材的扫描电子显微镜图像显示环氧树脂渗透后形成了致密的结构,这有助于抑制光散射并提高透光率。

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图3. 天然木材和透明木材的光学和机械性能。

沿横向和纵向方向的透明木材均可以清楚地看见背景图像,显示出优异的光学性能(图2)。与天然木材的透光率(纵向<6%,横向<36%)相比,透明木材在可见光波长范围(400至800 nm)内具有约90%的高透光率。由于去除了木质素的吸光发色基团,透明木材(接近0%)在可见光波长下的吸收率也远低于天然木材(纵向<83%)。几乎所有的可见光都可以穿过透明木材。此外,透明木材保留了垂直排列的微通道。650 nm的红色单模激光可以沿木材通道的方向传播,表明透明木材具有优异的透光能力和各向异性的透光率。

透明木材在纵向和横向的拉伸强度分别为46.2 MPa和31.4 MPa,分别比天然木材的拉伸强度提高了1.8倍和44.8倍。与天然木材相比,透明木材的韧性也显著提高。

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图4. 可图案化的透明木材的制作过程。

传统的基于溶液的脱木质素方法通常需要将木材样品完全浸入在化学溶液中,使得材料难以进行选择性区域漂白。相比之下,化学刷涂结合紫外线照射技术,能够选择性地漂白指定区域的木材样品,制备出具有不同图案的透明木材。利用天然木材(6~36%)与透明木材(~90%)的不同透光率,还可以选择性地对透明木材进行精确的构图。首先,用刷子在天然木材样品上用H2O2作为一种“墨水”来绘制所需的图案。然后,这些区域被紫外线照射,变成白色。然后将环氧树脂渗透到木质素改性木材的微通道中,得到具有理想图案的透明木材(图4)。

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图5. 太阳能辅助化学刷涂工艺实现大规模制造透明木材。

利用太阳能紫外光作为木材脱色的驱动力,实现透明木材的大规模快速制造。图5的示意图展示了基于木材工业中成熟的旋转木材切割方法和太阳能辅助化学刷涂工艺,大规模制备透明木材。可以在1小时内通过太阳紫外线光照下迅速生产出三片长度为1 m的轻木。将环氧树脂渗透到上述木质素改性木材中之后,可以获得了400 mm×110 mm×1 mm的具有高透光率的透明木材。进一步,他们评估了透明木材生产过程的能耗、成本和化学排放量,并将其与基于氯化钠溶液的脱木素方法进行了比较。太阳能辅助化学刷涂方法制造的透明木材的能源(太阳能与电加热)和化学品成本(3.14比7.31美元/ kg)大大降低。透明木材产生的废液也少得多(30比960毫升),并且没有有毒气体(0比960毫升)。

综上所述,该研究展示了一种快速、经济、可持续的方法来制造可图案化的透明木材。在制备过程中,木质素的发色基团被去除,表现出优异的光学性能而不牺牲材料的机械强度。此外,选择性地处理木材样品的指定区域,赋予了透明木材优异的可设计图案化能力。与脱木素工艺相比,太阳能辅助化学刷涂具有更高的生产效率、更低的成本,并且更可持续和可控。这种透明木材结合了高效、可图案化和可扩展的生产方法,是节能建筑应用的一种有前途的候选材料。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabd7342

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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