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      林草科普 | 你見過和玻璃一樣透明的木材嗎?

      媒體:林草國家創新聯盟  作者:林草科技秀 2021/10/30 13:54:03

      木材可以像玻璃一樣透明嗎?你見過透明的木材嗎?

      當大家第一眼看到下面這幅圖的時候,相信大家的第一反應是那塊透明的材料要么是玻璃要么是塑料。那么,你們的答案對嗎?

      先不著急,我們再看一下下面這幅圖中的材料,大家一眼就知道這是木材。

      如果告訴大家,上面那塊透明的材料是用木材研制出來的,我相信大家的表情一定是這樣子:木材還可以是透明的?

      眾所周知,木材是一種呈現各種顏色且完全不透明的材料,透明木材的研制顛覆了人們對傳統木材的認知。那透明木材是如何制備出來的呢?要想知道這個答案,必須先了解透明的本質。一種物質能夠透明,那么必須要求可見光可以在物質中發生傳播。反過來就可以很容易理解木材為什么不透明,那是因為可見光不可以木材內部發生傳播。

      為什么可見光不可以在木材內部發生傳播呢?木材主要是由纖維素、半纖維素、木質素及抽提物等組份構成的多孔材料,纖維素和半纖維素是一種無色的物質,而木質素自身含有雙鍵、羰基等發色基團(生色基團)和各種助色基團。當可見光照射到木材上面時,一部分可見光被木材表面反射掉;另一部分可見光則直接進入木材內部,進入木材內部的可見光一部分被木材內部細胞壁界面散射,另一部分被生色基團吸收掉(圖4a)。根據分子軌道躍遷理論,電子吸收可見光之后,從基態躍遷到激發態,但是它在激發態不穩定,只能保持極短的時間(10-8-10-5秒),當電子就躍遷返回更低能級時候,多余的能量就以光的形式釋放出來,從而賦予木材相應的顏色(圖4b)。

      正是由于反射、散射、躍遷等這幾種因素共同作用下,使得可見光無法在木材內部傳播,導致木材呈現各種顏色而不透明。

      那么,要想制備透明木材,應該怎么辦呢?必須要經歷兩個步驟,第一步(I),將木質素中吸收可見光的發色基團(或者全部木質素)以及抽提物從木材中脫除掉,得到只含有纖維素和半纖維素的白色木材骨架(圖5a和b)。這個骨架仍然不透明,那是因為骨架中含有空氣,而空氣和細胞壁中的纖維素屬于不同的物質,兩者折射率分別約為1.00和1.53,于是可見光在木材骨架內部細胞壁和空氣的界面發生散射。根據散射理論,材料在微觀尺度上存在界面(散射中心)時,當散射中心達到光波長數量級時,就會導致光在此處發生散射,只有散射中心的尺寸<<入射光波長時,材料內部才不會引起光散射,而木材內部導管、細胞腔等孔隙尺寸>>可見光的波長。

      為了消除散射,必須進行第二步(II),將折射率與纖維素相接近的樹脂通過真空輔助方式滲入木材骨架中,取代空氣,減弱可見光在界面處的強烈散射,樹脂固化后得到高透光率的透明木材。

      其實,早在1992年,透明木材就已經被德國研究人員Fink提出來了。Fink于1992年在《Holzforschung》雜志上發表了一篇題為《Transparent Wood  — A New Approach  in the Functional Study of Wood Structure》的文章,文章的目的在于將木材做成透明,以便于觀察木材的各個結構,限于當時的技術,Fink將木材中木質素等脫出掉之后,將木材在常壓下放入折射率與纖維素相近的小分子有機物中,讓小分子物質自行滲入脫除木質素的木材中,從而得到透明木材。該方法制備時間長,而且小分子物質滲入之后不能固化,使得該種材料得不到實際應用。直到2016年3月份,瑞士皇家理工學院的Lars Berglund教授在《Biomacromolecules》雜志上發表了一篇題為《Optically Transparent Wood from a Nanoporous Cellulosic

      Template:Combining Functional and Structural Performance》的文章,將木材中的木質素脫除掉再加入甲基丙烯酸甲酯,固化之后可得到透明木材。同年7月份,來自美國馬里蘭大學的Liangbing Hu教授在《Advanced Materials》雜志上發表了一篇題為《Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites》的文章,將木材中的木質素脫除掉再加入環氧樹脂單體和固化劑,固化之后也得到透明木材,從而引起了人們對透明木材的廣泛關注。

      在此后的幾年時間里,國內外的許多研究人員對透明木材進行大量的研究,制備了一系列包括應用于太陽能電池用透明木材、智能窗戶透明木材、清晰透明木材、美學透明木材等多種新型木基材料。

      目前,國內外制備的透明木材,不論是采用環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,嚴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域的應用。進一步,當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勢,但這種木材主要盛產美洲,在我國產量不大。速生木材是我國重要的經濟林樹種,生長快、產量高,如果能將速生木材用來制備透明木材,將其應用到更高附加值的領域中,對我國木材產業的發展將具有重要的意義,這也是我國木材科學和材料科學研究人員共同追求的目標。

      為突破這兩個方面的難題,木石塑復合材料及制品國家聯盟理事長單位中國林業科學研究院木材工業研究所唐啟恒副研究員從材料學的角度出發來解決問題。由于環氧樹脂分子結構中含有大量羥基官能團,使得人們可以通過高分子化學這把“手術刀”對其分子結構的進行改性,從而賦予其更多的性能。研究小組采用柔性聚氨酯預聚物對剛性環氧樹脂進行改性,從而制備出柔性的環氧樹脂,再將其浸漬入脫除木質素的速生楊木薄片骨架結構中,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,還可將其應用于柔性電子器件的透明電極、手機屏幕等領域中。

      為進一步拓寬透明木材的應用領域和加快透明木材的工業化進程,研究小組研制了40秒超快速制備透明木材技術,通過將聚乙二醇二丙烯酸酯浸入脫除木質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換成電信號和光信號,實現雙模式感應(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、高強度透明木(竹材)、量子點發光透明木(竹)材、超薄透明木材、超柔性透明木材等一系列新型木基復合材料,將透明木材應用于柔性光電子器件、高透光智能窗戶、機器人電子皮膚、液晶背光材料、光轉換層、建筑家具裝飾裝修、燈具照明等領域中,并且獲得多項國家授權發明專利。透明木(竹)材作為一種新型木基復合材料,憑借我國強大的木材加工產業優勢,必定發展越來越好。

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      主辦單位:中國林業機械協會木材加工機械分會
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