透明木材与碳中性创新：可持续材料的未来

多功能、碳中性、可再生。不，这不是刚开发出的特种新材料营销口号，而是一种极其熟悉材料——木材——的三大关键特性。至今木材仍以其适应性惊艳我们，持续站在材料开发前沿。本文深入探讨几项激动人心的进展——从透明木材到碳化木复合材料。

首先快速回顾木材。木材是嵌入木质素基质中的纤维素纤维天然复合材料。纤维素沿树干长向充当长条赋予木材拉伸强度，木质素基质赋予木材抗压强度。

本文聚焦三个改善木材性能、拓展用途的案例：致密化木材、透明木材、木材纳米涂层。也将探讨木材作为具有优势结构的高质量碳源。

致密化木材

木材因高比模量、高强度、低成本、可再生性，是广泛使用的结构材料。但更广泛应用受阻于性能高方差。源于树木生长条件差异大（土壤类型、水分养分可得性），导致结构差异、纹理斜率、年轮宽度、节疤普遍性变异。

为克服天然变异，科学家工程师开发工程木材产品，包括交叉层压木材(CLT)与胶合层压木材(glulam)。这些极大改善木材性能，成为钢混环保可行替代品。但现有工程木材需大量胶粘剂与金属紧固件，降低可持续性与可回收性，特别是某些胶粘剂释放有毒气体(甲醛、VOC)。

因此研究聚焦多种替代方案，特别是致密化木材——增加木材密度：

• 整体致密化：贯穿木材整个体积
• 表面致密化：仅木材表层
• 渗透致密化：通过熔融金属/硫或聚合物浸渍空隙，贯穿整个体积

密度增加带来力学性能改善(表1)，并拓展可用木材类型，低密度树种现可加工成可行结构材料。三法均具前景。

表1：压缩前后木材纵向抗拉强度。

整体致密化限制因素之一是木材细胞壁(木质素)，阻碍致密化且对致密化木材性能无显著整体贡献。同时有研究致力于将木材分解至纳米尺度并使用脱木质素纳米纤维素材料，其具有优异材料性能。但利用3D或4D打印规模化/组装此材料仍受阻。

部分解法是从自下而上法转为自上而下法：完全脱木质素并致密化木材。实际上在致密化前增加预处理步骤，有助形成具有改善力学性能的新型纤维素块体材料(弹性模量≈40 GPa、抗拉强度≈270 MPa)。且易成型为复杂形状，开辟结构应用之外的应用，或将预示新型纤维增强生物复合材料诞生。

图2：纤维素块体材料易成型为多种几何形态。

透明木材

你可能注意到图2木材近乎半透明。透明木材正在研究中，首步是脱木质素，随之渗透折射率匹配聚合物，制得近透明木材，虽因聚合物聚合收缩产生少量间隙导致残余散射。因聚合物渗透属于致密化形式，故得高强透明木材。聚合物渗透还将木材各向异性降低达5倍。因聚合物改善木材弱横向方向，抑制细胞壁弯曲——此方向主导失效机制。

图3：木样经脱木质素与聚合物渗透前后对比。

除迷人材料属性外，透明木材有诸多潜在用途，包括透明屋顶、窗户、太阳能电池板盖板。透明屋顶、区段、窗户可凭借优越力学性能与热绝缘替代玻璃。透明木材高雾度(光散射度量)意味提供比传统玻璃更柔和漫射光。这种光扩散使其成为极佳太阳能电池盖板，增加光在电池中路径、延长提取能量时间、提高效率。

木材纳米涂层

此处看超越改变木材性能的案例，用纳米材料涂层克服木材弱点、改善力学性能。这些弱点包括易燃性、光降解、吸水性。

木材纳米涂层有两法：纳米颗粒添加至涂层改善性能后施涂，或纳米颗粒直接沉积木材表面。

第二法用于通过TiO₂/ZnO颗粒沉积降低木材易燃性。先在乙醇溶液中混合，再将溶液覆盖木材密封高压釜。这导致表面形成80-200nm纳米颗粒，着火时间延长四倍。

光降解指吸收紫外辐射导致光氧化，致表面变色与力学性能严重下降。此处沉积ZnO层生成纳米颗粒层，减少紫外诱导老化与真菌微生物生长。抗紫外老化因ZnO优先吸收紫外辐射保护底层木材。改善力学性能用纳米二氧化硅。纳米二氧化硅具高硬度热性能。可用溶胶-凝胶反应与聚合物反应形成可施涂木材的交联网络结构。

碳化木复合材料/陶瓷

此应用用可说是最古老合成材料——木炭。木炭是热解产生的碳化细胞材料。曾用于洞穴壁画。现仍用于多种应用，包括先进陶瓷复合材料生物模板与烧烤。木材碳化为两步过程。

• 步骤1：生物有机材料(常为木材、天然纤维、纸)分解为碳模板。
• 步骤2：通过转化或置换将碳模板转化为陶瓷或复合结构。

两法均需渗透碳模板，因其本质为多孔介质。渗透材料应为气态、液态或纳米颗粒态。
转化涉及碳模板与Si或Ti不同形式混合，包括气态、熔融态、溶胶-凝胶。置换指陶瓷氧化物以溶胶-凝胶或纳米颗粒形式沉积模板后烧结。

两条路径均可基于初始木材微细胞形态生成多孔或致密材料。这种加工开启大量设计选项：复合材料几何现可通过将木材模板成型为所需形状轻松改变——远比成型或加工终产品容易。也可通过选择模板木材定制材料形态。如软木给单峰孔径分布，某些硬木给多峰孔径分布。

图4：碳化木基底上形成的TiC晶体SEM图像。

这些碳化木复合材料尚未进入大众市场，但因其高孔隙率(过滤器、热交换器、催化剂载体)与成型性(陶瓷管、耐磨材料)，被考虑用于多种应用。

木材基碳纤维

碳纤维(CF)拥有卓越强重比，结合增强塑料成极高效轻量化复合材料。但因成本相对高昂，主要限于风机叶片、F1赛车、航天部件等高端应用。尚未广泛进入汽车、能源、建筑领域，而这些领域应用可显著提升能效、减排CO₂。例如汽车减重10%可提升燃油效率约7%。

CF高成本因>96%用化石基聚丙烯腈(PAN)制造，该材料相对昂贵。经溶胶纺丝、一系列热处理(200-350°C)、碳化(>1000°C)制得碳纤维。为解决价格问题，研究寻求低成本前驱体，最好可再生源，避免化石燃料。

两材料脱颖而出：木质素与纤维素。

木质素用于高碳含量，转化后得高碳纤维收率。纤维素用于有益分子结构，赋予生成与PAN碳纤维相当力学性能碳纤维的能力。但两材料均有问题：木质素结构异质性导致产出碳纤维力学性能劣；纤维素低碳含量致转化收率低(10-30%)。

可见一材料劣势是另一材料优势。因此研究者结合两者，用70:30针叶木牛皮纸木质素与牛皮纸浆(纤维素)混合，经干喷湿纺成纤维丝，再经氧化碳化(1000°C)得碳纤维。

表2：不同前驱体材料形成碳纤维性能。

表2显示此混合改善木质素力学性能、提升纤维素收率。其力学性能与收率仍低于PAN碳纤维。但非主要障碍，因能源、建筑、汽车预期应用不需PAN基CF提供的>3GPa抗拉强度。故混合物可充分满足需求。
量产前仍存少量问题，如制造动态张力、从批量转连续制造。距商业化量产尚需数年。不过，碳纤维大众市场钥匙或在木材。

结论

希望本文展示了木材作为结构/功能材料及加工新材料基底仍有未发掘潜力。文中涵盖该领域当前进展一隅，每个话题均值得专文深入，包括混合木材材料或木材纳米填料。为进一步强调木材未发掘潜力，京都大学正研究发射木制卫星入太空。这仅仅是挖掘木材全部潜力的开始。