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木材你見得多了,透明的你見過嗎?

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本文來源 | 新材料研習社

 

天然木材是一種低成本、純天然、可再生且資源 豐富的材料。木材通常用作結構材料或作為纖維素/ 纖維素纖維的原料,如裝飾材料、建筑原料、造紙、印刷以及包裝材料。
 

 
對于先進功能材料而言,未經改性的木材因自身機械性能較差、易燃燒、易變色等缺點制約了其高值化、功能化應用發展。木材除具有可再生、環境友好、綠色可生物降解等優點外,還具有其他獨特的優勢,包括多層次結構、多孔結構、完整性和多功能性等。木材通過改性被賦予熱儲能、熱屏蔽、透明等新功能,使其可以集成到建筑材料、光電器件和傳感器中,克服了傳統意義上木材的缺點,應用更加廣泛。
 
采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環氧樹脂、 聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇(PVA)等聚合物浸漬脫木質素木材可制備透明木材,該透明木材是一種具有高強度、高韌性、隔熱性和優異的光透過率等特點的新興材料,與其他透明建筑材料(如玻璃)相比,透明木材具有較低的熱導率且可減少光的散射, 可以作為玻璃的替代物。
 

 
透明木材的制備工藝
 
木材本身是非透明的,這是由木材微尺度多孔結構、不同的化學成分在細胞壁上具有不同的折射率及存在強吸光化學成分等光學非均質性造成的。木質素對光具有強吸收和散射,使得天然木材在可見光范圍內不透明。木材細胞壁由纖維素、半纖維素和木質素組成,折射率在 1.5 左右。去除木質素后,木材本 身的微觀結構保持完整,可以使聚合物更易浸漬進入內部結構形成透明木材。將與纖維素折射率相接近的聚合物浸漬脫木質素木材后,細胞壁與聚合物之間 折射率失配大大降低,從而使木材表現出較高的透明度。
 

透明木材制備方法及其應用

 
透明木材的制備主要包括去除木質素和聚合物浸漬兩個過程
 

透明木材的制備工藝

 
透明木材同步功能化應用
 
木材經過透明化后,具有較高的耐沖擊能力和延 展性、較低的導熱率,可最大限度采集陽光。這使透 明木材可直接作為建筑材料,如制作窗戶;聚合物浸 漬后,細胞壁與聚合物之間的折射率失配顯著降低, 光可沿著木材生長方向傳播而不受入射角影響,具有 突出的光引導作用,因此,透明木材可用作光電材 料;脫木質素木材具有較高的孔隙率,聚合物中摻雜 不同的熒光材料可賦予木材光致發光性能;脫木質素 木材的微觀結構能夠保持不變,因此可用作熱儲能材 料的載體。
 
1、透明木材建筑材料
 
建筑材料 (如鋼、合金、玻璃) 具有優異機械性 能,但存在質量大、制造成本高的缺點,還會對環境造成不利的影響。透明木材除了具有較好的機械性 能外,還具有較高的透過率、較好的隔熱性能等特 點,關鍵是具有生物可降解性和環境友好性。
 

透明木材建筑材料

 
2、透明木材發光材料
 
含有熒光材料的功能光轉換層是許多器件中必不可少的組成部分,如白色發光二極管 (LED)。熒光量子點摻雜型透明木材使得白色發光二極管獲得了進 一步的發展。
 

發光透明木材

 
3、透明木材熱儲能材料
 
基于相變材料 (PCMs) 的功能性承載材料正在快速發展,可應用于熱能存儲。介孔結構材料是PCMs 的理想承載材料,保證了熱循環過程中的形狀穩定性。
 
透明木材基復合材料
 
制備透明木材時可將一些功能化材料同步浸漬而賦予特殊功能外,還可以透明木材為基體,通過涂布或其他方式將無機或有機材料與之復合得到具有導電和磁性功能的材料。這些材料不僅具有透明木材優異的機械性能和透過率,還可以制備具有其他功能的柔性材料,進一步拓展了木材功能化方向和應用領域。
 
1、透明木材基太陽能電池 
 
太陽能電池是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片狀電池,被一定強度的光照射時,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。透明木材具有較高的透光率和霧度,優異的機械性能且導熱性低,因此可作為太陽能電池組裝的基板。
 
2、透明木材基導電材料
 

近年來,質量輕、便攜式電子設備的需求引起了 學者們對柔性導電材料的廣泛關注。透明木材基導電膜是一種柔性導電材料,以透明木材為基材,將導電材料噴涂在柔性基材上制備的。該透明木材基導電膜能彎曲且柔韌,變形大而不影響其導電性能,具有一定的耐久性,在柔性智能可穿戴電子設備以及照明領域具有良好的應用前景。

 

透明木材基導電復合材料

 
透明木材優異的機械性能和較高的光透過率使其有可能替代玻璃成為新一代建筑材料,避免玻璃的不可回收對環境造成的問題。透明木材對光的引導作用,使其可應用于光電材料領域;獨特的介孔結構, 使其在熱儲能領域的應用成為可能。
 
不僅如此,透明木材作為基材可有效的與其他功能性材料復合制備柔性透明導電木膜、儲能與導熱材料等,因此透明木材在光電材料領域的應用具有良好的發展前景。
 
然而, 木質部年輪沉積的色素不同,木質部不同位置木質素含量不同,影響透明木材透過率及機械性能;當制備大尺寸透明木材時,由于受到木質部纖維孔道尺寸的影響,使木材透明化不均勻;如果僅改變發色基團結構,可能會出現返黃現象。以上這些透明木材研究過程中遇到的問題亟待解決。

 

來源:[1]徐永建,張婭倩,祝萌,殷學風.透明木材及其功能化研究進展[J/OL].中國造紙:1-7[2021-04-27].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1967.TS.20210425.1745.012.html.

 



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