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好“玻璃”,木头造!

日期:2019-10-09 11:20 来源: 作者:

【中玻网】当前,能源紧缺问题日益严重,据统计建筑能耗占社会总能耗的40%左右,因此,建筑节能是缓解能源短缺,促进经济可持续发展的一项重要工作。用于门窗的玻璃是继水泥和钢材之后的第三大建筑材料,对建筑节能减排至关重要。除此之外,玻璃在汽车、日用品等社会生活诸多方面应用广泛。

  可是,玻璃和建筑能耗之间有什么关系呢?譬如夏天你打开空调,冬天打开暖气,由于玻璃热导率较高,隔热性较差,很大一部分冷气或者暖气就会通过窗玻璃耗散。除此之外,玻璃还具有易碎,不易加工等特点。开发一种同时具有高透光率和优异隔热性能的新型材料来替代玻璃,对于节能减排具有重要意义。

  那么,能不能有什么东西能够取代玻璃呢?

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  透明木材

  木材具有廉价易得的优势,也是古代建筑材料的选择,取代玻璃是个不错的方向。但是,玻璃的优势在于透明,木材是不透明的,怎么能取代玻璃呢?1992年,德国科学家Siegfried Fink就提出并实现了“透明木材”的想法,一直到2016年,以瑞典皇家理工学院教授Lars Berglund、美国马里兰大学胡良兵教授等人为代表的多个团队重新开启并引领“透明木材”的研究,一时引起广泛关注。

  木材之不透光,主要在于两点:1)木质素会吸收光;2)木材中大量微孔导致折射率比空气偏高。因此,常用的策略就是:1)提取木质素;2)填充折射率相匹配的聚合物。

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  精工细作

  早在2016年,胡良兵课题组就首次制备得到了两种高各向异性、高透光性的透明木材。他们借用造纸术中常用的化学处理工艺,将3 mm厚,50X50 mm大小的木片浸泡在含有NaOH和Na2SO3的沸水溶液中去除部分木质素,然后转入双氧水中,进一步去除残留的木质素。进一步,研究人员将透明的低粘度液体环氧树脂浸入木材中,并反复进行真空和去真空操作,让环氧树脂填充到微孔中,实现了透光率79.4%,雾度88.7%(550 nm波长)的透明木材。

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  这项技术主要依托成熟的工艺完成,成本完全可控。虽然如此,要想实现实际应用,还存在很多问题需要解决。譬如,如何进一步提高透光率,如何制造更大尺寸的材料,如何稳定地实现透光度、隔热性、力学性能等多项指标的同时达标等等。

  近日,胡良兵团队在降低透明木材的雾度方面又取得新进展。雾度是衡量透明材料的一个重要指标,雾度越大,材料对光的散射能力越强,人眼就越看不清。之前的研究中,透明木材的雾度一般都超过40%。这次,胡良兵研究团队在90%的高透光性前提下实现了10%的雾度,达到了透明木材雾度新纪录。

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  研究人员通过NaClO脱除木材中的木质素和部分半纤维素,再经过和聚合物渗透的方法制备得到一种透明的木材复合材料。这项研究的特色在于:

  1)木质素和半纤维素的去除,进一步增加了木材的多孔结构,促进聚合物的渗透,而且极大削弱了光在木材中的散射和反射,使透光率高达90%,雾度被降低至10%;

  2)该透明木材材料具有优异的隔热性能,其热导率仅为普通玻璃的1/3;

  3)此外,该复合材料还具有很好的韧性和延展性,有利于加工成板状材料。这种兼具高透光率、低热导率和较好机械性能的透明木材复合材料有望代替传统玻璃,成为潜在的建筑门窗材料。

  当然,除了建筑材料之外,透明木材还可以用于日常生活中的方方面面,以及电池、可穿戴电子器件等等领域。我们期待在这一领域,见到更多好成果,从好玩到好用不断突破!

  参考文献:

  1.Liangbing Hu et al.Highly Anisotropic,Highly Transparent Wood Composites.Adv.Mater.,2016.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201600427

  2.Liangbing Hu et al.Clear Wood towards High Performance Building Materials.ACSNano,2019.

  https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00089