透明木基功能化復(fù)合材料的應(yīng)用研究進(jìn)展
隨著能源的日益短缺和環(huán)境污染問題的逐漸加重,如何高效地開發(fā)利用生物質(zhì)資源替代難降解或不可降解材料迫在眉
近年來,透明木基復(fù)合材料成為木材改性的熱門研究話題。透明木材是一種既具備木材低導(dǎo)熱性、高模量和高強(qiáng)度等優(yōu)良特性,同時(shí)還具有透明光學(xué)性能的新型材
1 透明木基復(fù)合材料的功能化處理
1.1 透明化處理
原木在未處理前并不透明,且一般呈現(xiàn)棕黃色。木材呈現(xiàn)一定的顏色主要是由于進(jìn)入木材內(nèi)部的光被木材內(nèi)部的一些物質(zhì)吸收,一般被稱為光吸收。光吸收是指當(dāng)入射光進(jìn)入介質(zhì)材料內(nèi)部時(shí),由于分子結(jié)構(gòu)及組成的原因,在通道中傳遞受阻,而滯留在材料內(nèi)被吸
圖1 木材原生細(xì)胞壁的物質(zhì)組成和脫木素后物質(zhì)組成示意
Fig. 1 Schematic diagram of material composition of cell wall of primary wood and after delignificatio
1992年,F(xiàn)ink等
當(dāng)與纖維素折射率相近的樹脂被注入到脫木素木材中后,木材界面間的光散射減小,進(jìn)入木材的光線大部分可以通過木材,從而導(dǎo)致木材有了一定的光學(xué)透明
圖2 光線在原木(左)和透明木(右)細(xì)胞中的傳播路線
Fig. 2 Route map of light propagation in cells of log (left) and transparent wood (right)
1.2 功能化處理
目前,透明木基功能化復(fù)合材料的制備方法有很多,功能化的實(shí)現(xiàn)主要是將不同的功能化納米粒子摻雜到上述浸漬樹脂中,隨著樹脂浸漬過程一起浸漬到脫木素木材內(nèi)部,從而實(shí)現(xiàn)木材的功能
圖3 制備透明木基功能化復(fù)合材料的示意
Fig. 3 Diagram of preparing transparent wood-based functional composites
采用不同功能材料制備出來的透明木基復(fù)合材料具有不同的功能性,如保溫隔熱、光致發(fā)光、光致變色、電致發(fā)光、磁性發(fā)光等。除此之外,這些透明木基復(fù)合材料在可見光區(qū)還具有較高的透光率。因此,天然木材的功能化研究在很大程度上拓寬了其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。速生木材生長速度快,蓄積量大,更多地選取速生木材作為木基功能化復(fù)合材料的原料不僅能解決資源短缺的問題,還能實(shí)現(xiàn)木材的高值化利用。
2 透明木基功能化復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1 節(jié)能建筑材料
木材是一種傳統(tǒng)的建筑材料,貫穿在人們的日常生活中,但由于木材光學(xué)及機(jī)械性能的不足限制了其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決能源匱乏及經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展引起的環(huán)境污染等問題,近年來復(fù)合型建筑材料成為研究熱點(diǎn)。
在實(shí)際生活中,以熱的形式散失的能量居多。據(jù)統(tǒng)計(jì),建筑物通過窗戶散失的能量約占建筑物能量消耗的30%。國內(nèi)外的實(shí)踐證明,提高建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能,特別是提高窗戶保溫性能是減少建筑物熱量散失最經(jīng)濟(jì)有效的方法。透明木基復(fù)合材料還具有高霧度的特點(diǎn)。霧度即透明或半透明材料的內(nèi)部或表面由于光漫射造成的云霧狀或渾濁的外觀,為散射光通量與透過材料的光通量之比。用標(biāo)準(zhǔn)光源的一束平行光垂直照射到透明或半透明材料上,由于材料內(nèi)部和表面造成散射,使部分平行光偏離入射方向2.5°以
Wang等
圖4 不同透明木基功能化復(fù)合材料用于智能窗戶的示意圖
Fig. 4 Schematic diagram of different transparent wood-based functional composites used in smart windows
以上介紹的具有刺激響應(yīng)、電致變色及保溫隔熱等功能的透明木基復(fù)合材料可成為智能窗戶的候選材料,不僅能起到冬暖夏涼的效果,還能減少能源的大量消耗。除此之外,該復(fù)合材料可以在很大程度上減少夏天由于室外強(qiáng)光照射引起的眼部不適感。
2.2 電子器件
透明木基復(fù)合材料具有高透光率和高霧度,因此其具有高效的寬帶光管理特性,能夠作為光電探測器和太陽能電池的有效光管理涂層。這將有利于電池的有源層對光的俘獲,從而提高電池對光的利用率,這對于許多能量轉(zhuǎn)換器件來說是至關(guān)重要的,如薄膜太陽能電池和光電化學(xué)電池
Zhu等
圖5 不同透明木基功能化復(fù)合材料用于電子器件的示意圖
Fig. 5 Schematic diagram of different transparent wood-based functional composites used in electronic devices
目前電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用,但其廢棄后卻難以降解,因此大量使用會(huì)對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的威害。將處理過的木材用作電子器件基材的候選材料,不僅制備工藝簡單,且綠色可降解,可解決目前電子類產(chǎn)品難以降解的問題,符合可持續(xù)發(fā)展理念。
2.3 家居材料
隨著科技不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人們追求更高品質(zhì)的生活,對于新型家居材料的需求越來越多。透明木基復(fù)合材料作為一種新型材料,除了可以應(yīng)用于建筑材料、電子器件方面,還可用于家居行業(yè)。
Li等
圖6 不同透明木基功能化復(fù)合材料用于發(fā)光材料的示意圖
Fig. 6 Schematic diagram of different transparent wood-based functional composites used for luminescent materials
這些光致發(fā)光透明木基復(fù)合材料產(chǎn)生擴(kuò)散發(fā)光的主要原因是由于木材結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,雖然木素被脫除,但木材中仍存在可使光線發(fā)生折射和散射的殘留物質(zhì),因此相比于玻璃等透明材料,這種透明木基復(fù)合材料可應(yīng)用于光學(xué)照明材料,在室內(nèi)設(shè)計(jì)(如平面光源、發(fā)光元件、燈具、疊層蓋板等)應(yīng)用方面具有很大的潛力。
3 透明木基復(fù)合材料的研究方向及應(yīng)用前景
3.1 研究方向
未來透明木基功能化復(fù)合材料的研究方向主要有以下幾點(diǎn)。
(1)提高界面結(jié)合度。制備透明木材的方法主要是先脫除木素,再選擇與纖維素纖維折射率相近的樹脂浸漬脫木素木材,從而得到透明木材。目前,人們制備出的透明木材大多存在木材細(xì)胞壁與樹脂之間界面結(jié)合不緊密的問題,會(huì)增加光線在木材內(nèi)部的折射及散射,從而影響木材的透明度。因此,對如何提高木材細(xì)胞壁與樹脂之間的界面結(jié)合度的研究是必不可少的。
(2)提高浸漬勻度。從表觀形貌來看,目前制備的功能化透明木材存在浸漬不勻的現(xiàn)象,可能一方面是由于功能性納米粒子沒有在樹脂中分散均勻,另一方面是由于樹脂在木材細(xì)胞腔中出現(xiàn)聚集導(dǎo)致了納米粒子的聚集,從而出現(xiàn)表面浸漬不勻的現(xiàn)象。因此,為了提高樹脂浸漬勻度,可以在樹脂固化前采取一定的措施,提高樹脂在木材細(xì)胞腔中的均勻度。
(3)提高韌性。目前國內(nèi)外研究制備出的新型功能化透明木材層出不窮,但制備出的透明木基復(fù)合材料大多存在脆性高的問題,即使有一部分透明木基復(fù)合材料在制備完成初期具有一定的韌性,但經(jīng)長期存放后仍然會(huì)出現(xiàn)變硬變脆的現(xiàn)象。因此,如何確保制備出的透明木基復(fù)合材料具有較高且恒定的韌性將是未來的研究方向之一。
3.2 應(yīng)用前景
透明木基功能化復(fù)合材料作為木材高值化利用的一種,不僅可以充分發(fā)揮木材資源豐富、可降解、低成本等優(yōu)勢,符合綠色、環(huán)保可再生的可持續(xù)發(fā)展觀念,而且還可提高速生材的利用價(jià)值。透明木基復(fù)合材料以優(yōu)異的力學(xué)性能、低熱導(dǎo)率、高透明度以及質(zhì)輕易加工等特點(diǎn)使其在節(jié)能建筑、光電器件、家居材料等領(lǐng)域有著潛在的利用價(jià)值,且具有較高的市場經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
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