透明木材和木材科学的其他突破

多功能、碳中和、可再生。不，这不是针对刚刚开发的一种特殊新材料的营销口号，而是一种非常熟悉的材料的三个关键特征——木材——这种材料至今仍以其适应性让我们感到惊讶，并继续成为处于材料开发的前沿。在本文中，我将深入探讨其中一些令人兴奋的发展——从透明木材到碳化木材复合材料。

首先，快速复习一下木材。木材是嵌入木质素基质中的纤维素纤维的天然复合材料。纤维素作为沿树干长度的长条，赋予木材抗拉强度，而木质素基质赋予木材抗压强度。

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图1：木材的基本微观结构。

本文重点介绍提高木材性能和扩大其用途的三个例子，即致密木材、透明木材和木材纳米涂层。我们还将探索木材作为具有优势结构的优质碳源。

致密木材

木材具有比模量高、强度高、成本低、可再生等特点，是一种广泛使用的结构材料[1]。然而，今天更广泛的使用受到其特性[1]的高度差异的阻碍。这是由于树木可能经历的各种生长条件（例如，土壤类型、水和养分的可用性），导致结构的差异以及谷物坡度、环宽和结节发生率的变化[1][2 ].

为了克服这些自然变化，科学家和工程师开发了工程木制品，包括交叉层压木材和胶合层压木材（胶合木）[1]。这些大大改善了木材的性能，并已成为钢材和混凝土的环保替代品 [2]。然而，目前的工程木制品需要大量的粘合剂和金属紧固件，这降低了它们的可持续性和可回收性，特别是当使用某些粘合剂时，它们会释放有毒气体（例如甲醛和挥发性有机化合物）[1]。

因此，研究集中在各种替代品上，特别是致密木材。这是增加木材密度的地方：

• 散装致密化： 整个木材的体积 [1] [2]
• 表面致密化： 仅在木材表层 [2]
• 渗透致密化： 通过使用熔融金属/硫磺或聚合物在其整个体积中浸渍空隙 [3]

这种增加的密度可以改善机械性能（表 1）并扩大可以使用的木材类型，因为现在可以将低密度木材加工成可行的结构材料 [1]。这三种方法都有希望。

物种	纵向抗拉强度[MPa]
	未压缩	压缩（80%）
橡树（栎属）	115.3	584.3
杨树（Populus）	55.6	431.5
西部红柏（Thuja plicata）	46.5	550.1
东方白松（Pinus strobus）	70.2	536.9
椴木（椴树）	52.0	587.0

表 1：压缩前后木材的纵向拉伸强度。 [1]

体积致密化的限制因素之一是木材的细胞壁（木质素），它阻碍致密化，并且对致密木材的性能没有显着的整体贡献 [3]。同时，正在进行将木材分解至纳米级并使用具有优异材料性能的去木质纳米纤维素材料的研究[3]。但是研究一直在努力使用 3D 或 4D 打印 [3] 来扩大/组装它。

一种部分解决方案是通过对木材进行完全脱木质素和致密化，从自下而上的方法转变为自上而下的方法。实际上，这为致密化过程增加了一个初步步骤，并有助于形成一种新型纤维素散装材料，与致密化木材相比，其机械性能得到改善（弹性模量 ≈ 40 GPa，拉伸强度 ≈ 270 MPa）[3]。此外，它可以很容易地形成复杂的形状[3]，比结构应用开辟了更远的应用领域，并可能预示着一种新型的纤维增强生物复合材料。

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图 2：纤维素散装材料可以很容易地成型为各种几何形状。 [3]

透明木材

您可能已经注意到，图 2 中的木材几乎是半透明的。好吧，事实证明，透明木材目前是一个正在研究的领域，而这个过程的第一步是去木质化。随后用具有匹配折射率的聚合物进行渗透，从而产生近乎透明的木材 [4]，由于聚合过程中聚合物收缩导致的一些间隙 [4]，该木材具有一些残余散射。尽管如此，由于聚合物渗透是一种致密化形式，这会导致木材坚固而透明。聚合物渗透还可以将木材的各向异性特性降低多达五倍 [5]。这是由于聚合物改善了木材的弱横向方向，抑制了细胞壁弯曲，这是该方向的主要失效机制[5]。

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图 3：木材样品经过脱木质素和聚合物浸润前后的图像。[4]

除了是一种迷人的材料外，它还有许多潜在用途，包括透明屋顶、窗户和太阳能电池板盖。透明的屋顶、型材和窗户可以以其卓越的机械性能和隔热性取代玻璃。透明木材的高雾度（光散射量度）值也意味着它比传统玻璃提供更柔和、更漫射的光。这种光的扩散使其也是一种非常有效的太阳能电池板盖，增加了太阳能电池中的光路，并允许更多时间提取能量，从而提高效率[4]。

木材纳米涂层

在这里，我们着眼于改变木材特性之外的案例，在这些案例中，用纳米材料对其进行涂层可以帮助克服木材的一些弱点并改善其机械性能 [6]。这些弱点包括易燃性、光降解性和吸水性。

木材的纳米涂层可以通过两种方式完成：在涂层中添加纳米颗粒以改善其性能，然后将纳米颗粒直接沉积在木材上[6]。

第二种方法已被用于通过沉积 TiO2/ZnO 颗粒来降低木材的可燃性。首先将它们与乙醇混合在溶液中，然后将溶液覆盖的木材密封在高压釜中。这导致在表面形成尺寸范围为 80-200 nm 的纳米颗粒，使点火时间增加四倍 [7]。

光降解是指吸收的紫外线辐射导致光氧化，导致表面变色和机械性能严重降低。在这里，沉积一层 ZnO 会产生一个纳米颗粒层，可以减少紫外线引起的老化以及真菌和微生物制剂的生长。这种对紫外线老化的抵抗力是由于 ZnO 优先吸收紫外线辐射并保护下面的木材 [8]。在改善机械性能方面，使用纳米二氧化硅。纳米二氧化硅颗粒具有高硬度和热性能。当溶胶-凝胶反应与聚合物一起使用时，它们可以发生反应，形成交联的网络结构，而不是应用于木材[6]。

碳化木复合材料/陶瓷

该应用程序使用了可以说是最古老的合成材料木炭。木炭是在热解下产生的碳化多孔材料。它被用于创建洞穴图纸 [9]。如今，我们仍然将木炭用于各种应用，包括用于高级陶瓷和复合材料的生物模板以及烧烤。碳化木材需要一个两步过程[9]。

• 第 1 步是将生物有机材料（通常是木材，也包括天然纤维和纸张）分解成碳模板。
• 第 2 步是通过转化或替代将碳模板转化为陶瓷或复合结构。

这两种方法都需要通过选定的材料渗透碳模板，因为这本质上是一种多孔介质。材料应为气态、液态或纳米颗粒形式 [9]。
转化涉及将碳模板与不同形式的 Si 或 Ti 混合，包括气体、熔融或溶胶-凝胶 [ 9][10]。替代是陶瓷氧化物以溶胶-凝胶或纳米颗粒的形式沉积在模板上，然后进行烧结[9][10]。

这两种途径都可以产生多孔或致密的材料，其微孔形态基于初始木材的形态[10]。这种加工形式打开了许多设计选项，因为现在可以通过将木模板成型为所需的形状来轻松改变复合材料的几何形状——这比成型或加工最终产品要容易得多。还可以选择通过为模板选择木材来定制材料的形态。例如，软木给出单峰孔分布，而某些硬木给出多峰孔分布[10]。

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图 4：碳化木材基材上形成的 TiC 晶体的 SEM 图像。 [9]

这些碳化木材复合材料尚未进入大众市场，但正在考虑用于许多应用，其中它们的高孔隙率（过滤器、热交换器和催化剂支撑结构）和它们的可成型性（陶瓷管和耐磨材料）可能被证明是有利的适用于许多应用 [9][10][11]。

来自木材的碳纤维

碳纤维 (CF) 具有出色的强度重量比，当与增强塑料结合使用时，使其成为极其有效的轻质复合材料。然而，由于成本相对较高，它们主要局限于高端应用，如风力涡轮机叶片、一级方程式赛车和航空航天部件。它们尚未广泛应用于汽车应用、能源部门和建筑 [12]，它们的应用可能会显着提高能源效率并减少二氧化碳排放。例如，汽车减重 10% 可将燃油效率提高约 7% [12]。

CF 的高成本是由于它们主要使用化石基聚丙烯腈 (PAN) [12][13] 制造（>96%），这是一种相对昂贵的材料。它通过溶液纺丝、一系列热处理 (200-350 ºC) 和碳化 (> 1000 ºC) [12] 加工成碳纤维。为了克服这个价格问题，研究人员试图寻找低成本的前体材料，最好来自可再生资源，从而避免使用化石燃料。

两种材料已成为可行的候选材料，木质素和纤维素[12][13]。

木质素因其高碳含量而被使用，这使得转化后 CF 的产率很高 [12]。纤维素因其有益的分子结构而被使用，它赋予了产生与 PAN CF [13] 同等机械性能的 CF 的能力。然而，这两种材料都存在问题，因为木质素的结构异质性意味着产生的 CF 具有较差的机械性能，而纤维素的低碳含量意味着它的转化率低（10-30%）[12][13]。

如您所见，一个的缺点是另一个的优点。因此，研究人员使用 70:30 的软木牛皮纸木质素和牛皮纸浆（纤维素）的混合物来结合这两种材料 [12]，通过干喷湿法纺丝将其转化为长丝，然后通过氧化和碳化（1000 ºC）将其转化为 CF [ 13].

属性	前体材料
	标准和中间 PAN [14][15]	纤维素 [12]	木质素 [12]	70:30 木质素-纤维素混合物 [12]
拉伸模量 (GPa)	200-400	500>	30-60	76 - 77
抗拉强度（MPa）	4000 - 6000	2500>	400-550	1070 - 1170
产量（wt%）	40-55	10-30	40-55	38-40

表 2：由不同前体材料形成的 CF 的特性。 [1]

从表 2 中，我们看到与木质素相比，这种共混物提高了机械性能，与纤维素相比提高了产量。然而，它的机械性能和产量仍然低于 PAN CF。这不是主要障碍，因为在能源、建筑和汽车领域的设想应用不需要 PAN 基 CF 提供> 3GPa 的拉伸强度。因此，共混物可以充分满足这些要求。
在进入量产之前还存在一些问题，例如制造过程中的动态张力，以及从批量生产到连续生产的转变。我们距离商业级生产还有几年的时间[13]。尽管如此，碳纤维进入大众市场的关键可能是木材。

结论

希望这篇文章表明，木材作为结构/功能材料和加工成新型材料的基础仍然具有未开发的潜力。本文涵盖了该领域当前进展的一小部分，这些主题中的任何一个都值得单独发表一篇文章，包括混合木材材料或木材纳米填料。为了进一步强调木材的未开发潜力，京都大学正在积极研究将一颗木制卫星送入太空。这只是尝试充分发挥木材潜力的开始。