南林陈楚楚《Small》：高透光率、低雾度环保型透明木材，可用于节能建筑材料！

近年来，通过自上而下法天然木材转化为具有优异机械和光学性能的透明木基材料，并进一步扩展其在水处理、光电子、传感和节能建筑等领域的应用研究受到了广泛关注。木材来源于天然可再生资源，在机械支撑和热屏蔽方面是使用最广泛的建筑材料之一。近期，南京林业大学陈楚楚课题组与加拿大英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授提出，在不引入任何透明高分子聚合物及胶黏剂的前提下，以脱基质所得木材纤维素骨架为基材，通过纤维素表面氧化及正交层压设计，构建了一种近似各向同性的环保型无胶自粘合透明层合木。与普通玻璃相比，这种透明木材的导热率显著降低（≈0.27 W m−1 K−1），同时兼具高透光率（≈85.4%）与低雾度（≈20%），及近似各向同性的高力学强度（其中，湿强度达128 MPa），预期可作为一种环保型透明材料用于节能建筑领域。

图1 透明木材的制备

在不引入任何透明高分子聚合物的前提下，制备所得透明木（单层DATW，多层M-DATW）具有良好的透光性能，其透光率达85%，雾度低至约20%。得益于正交层压设计，得到的M-DATW表现出近似于各向同性的光学性能。

图2.  透明木材光学性能

由于木材的天然各向异性，单层透明木（DATW）沿纤维轴向（L方向）的拉伸强度为126.4 MPa，而垂直于纤维轴向（R方向）的拉伸强度仅为29.5 MPa。如图3所示，通过正交层压设计及微纤丝间的无胶自粘合效应，制备的多层透明木（M-DATW）在力学强度方面表现出近似的各向同性（L方向为157.6 MPa；R方向为138.2 MPa）。

图3. 透明木材力学性能（干态）

由于存在丰富的亲水性羟基，耐水性是纤维素材料在实际应用中需考虑的重要因素之一。因此，将木材样品浸入水中以研究其耐水性。如图4所示，通过层压设计获得的M-DATW在L方向上的湿强度为128.3 MPa，在R方向上的湿强度为112.5 MPa，表现出优异的耐水性。除此之外，M-DATW在浸水7天后仍能保持较好结构稳定性，未出现任何破裂或界面剥离现象。

图4. 透明木材力学性能（湿态）及耐水性

为了进一步评估M-DATW的节能效应，使用M-DATW和玻璃分别作为窗户搭建模型房屋（图5），并将其置于模拟的太阳光下，监测室内外温度。结果表明，在持续光照环境下，当室外温度为43℃时，使用M-DATW作为窗户的模拟房屋室内温度为27.1℃，而使用玻璃窗的模拟房屋内部温度高达34.2℃，说明本研究所得透明层合木具有较好的隔热能力，有利于降低室内能耗，具备一定的节能效应。

图5. 透明木材作为节能窗的模拟实验

该研究工作以题为“Insulative Biobased Glaze from Wood Laminates Obtained by Self-Adhesion”的论文发表于期刊《Small》，第一作者/通讯作者分别为南京林业大学材料科学与工程学院陈楚楚副教授与加拿大英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授，该研究受到国家自然科学基金等项目的资助。

参考文献：

Chuchu Chen, Tong Zhou, Zhangmin Wan, Zhaoyang Xu, Yongcan Jin, Dagang Li,and Orlando J. Rojas. Insulative Biobased Glaze from Wood Laminates Obtained by Self-Adhesion, Small 2023, 2301472.  

DOI: 10.1002/smll.202301472

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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