神奇的透明木材

什么是透明木材？

透明木材是木材经过脱色和透明化处理后得到的材料，它通常是用脱木质素的木质纳米纤维素为骨架浸渍透明树脂制备而成。木材的不透明主要有两个原因导致，其一是木材中的木质素含有大量有色组分，这些组分让木材能够发色；其二是木材细胞壁物质的折射率和木材孔隙中空气的折射率相差较大，这使得光线传播时会在木材内部构造界面处发生折射、散射和反射，以至于不能穿过木材。

透明木材：有望替代玻璃，成为“未来之窗”美国森林产品实验室（ForestProductsLaboratory）与马里兰大学、科罗拉多大学合作，开发出了一种透明的木材。轻质木材经过一系列的处理，可以具有与玻璃相近的透光度，并且相较于玻璃，有更好的隔热性能与韧性，或将替代玻璃，成为未来最有潜力的半透明建筑材料。

目前，玻璃是建筑窗户最常用的材料。但是玻璃易于传导热量、尤其是单层玻璃。夏季，室外的热量大量地向室内辐射，使建筑产生较高的制冷能耗；冬季，建筑内部的热量容易通过玻璃散逸至室外，增加建筑的制热能耗。另外，玻璃的生产也带来了沉重的碳足迹：每年制造玻璃产生的碳排放量约25000吨。

研究员发现，巴尔杉木（世界上最轻的木材之一）在室温下经氧化剂与聚乙烯醇（PVA）的处理后，木材可变得如玻璃一般透明。这种透明木材的热学性能更加符合时下可持续性发展的需求。透明木材的导热系数不足玻璃的五分之一。当运用在建筑中时，尤其在特别寒冷的地区中，可以大大减少建筑制热所消耗的能源。

另外，透明木材在力学性能上具有玻璃不具备的优势。它比玻璃更轻，可以承受强烈的冲击，因为纤维素结构与聚合物填料相结合可提供更大的韧性，它的韧性（3.03MJm−3）比标准玻璃（0.003MJm−3）高3个数量级。这意味着它能够在变形前承受很大的应力，并且不会破碎，而是弯折。这很大程度避免了对人的伤害。

根据论文所述，一种具体的制备透明木材的方法如下。首先脱木质素：将木材浸入NaClO溶液中，后以去离子水漂洗，经冻干得到白色的木片；然后制备透明木材：将干燥的白色木片浸入PVA溶液，并在高压下通过脱气使木片膨胀，后将木材加以干燥、固化。最终得到透明木材。

目前阶段，透明木材雾度（约为15%）仍比玻璃高。但对于天窗等利用散射光即可满足需求的位置，透明木材有其用武之地。马里兰大学研究人员最新研究出雾度更低、接近于商用玻璃透明度的透明木材，也进一步缩小了两种材料的使用效果差距。

目前，国内外制备的透明木材，不论是采用环氧树脂还是聚甲基丙烯酸甲酯，均为刚性材料，制备得到的透明木材刚性很强，严重限制了这种新型材料在可穿戴器件、可弯曲屏幕、柔性显示等高附加值光电子领域的应用。进一步，当前国外制备透明木材通常采用轻木为原材料，轻木虽然具有天然的优势，但这种木材主要盛产美洲，在我国产量不大。速生木材是我国重要的经济林树种，生长快、产量高，如果能将速生木材用来制备透明木材，将其应用到更高附加值的领域中，对我国木材产业的发展将具有重要的意义，这也是我国木材科学和材料科学研究人员共同追求的目标。

为突破这两个方面的难题，木石塑复合材料及制品国家联盟理事长单位中国林业科学研究院木材工业研究所唐启恒副研究员从材料学的角度出发来解决问题。由于环氧树脂分子结构中含有大量羟基官能团，使得人们可以通过高分子化学这把“手术刀”对其分子结构的进行改性，从而赋予其更多的性能。研究小组采用柔性聚氨酯预聚物对刚性环氧树脂进行改性，从而制备出柔性的环氧树脂，再将其浸渍入脱除木质素的速生杨木薄片骨架结构中，固化得到具有良好柔性的透明木材，于是研究小组提出“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时，还可将其应用于柔性电子器件的透明电极、手机屏幕等领域中。

为进一步拓宽透明木材的应用领域和加快透明木材的工业化进程，研究小组研制了40秒超快速制备透明木材技术，通过将聚乙二醇二丙烯酸酯浸入脱除木质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，并以此薄膜开发出可感知疼痛的透明木材电子皮肤，该材料可将外界压力转换成电信号和光信号，实现双模式感应（DOI：10.1016/j.cej.2021.132152）

研究小组长期以来采用各种树种木材、竹材为原料，对透明木质类材料开展大量研究，研制出25秒超快速固化透明木（竹）材、大幅面透明木（竹）材、高强度透明木（竹材）、量子点发光透明木（竹）材、超薄透明木材、超柔性透明木材等一系列新型木基复合材料，将透明木材应用于柔性光电子器件、高透光智能窗