透明木材研究进展

汪颖　付时雨

摘 要：根据材料透明的光学原理对木材中的化学成分和纤维结构进行改造，可以将木材制备成透明木材。透明木材是一种既具备木材低密度、高模量、高强度、高韧性和低导热性等优良特性，同时还具有透明光学性能的新型材料。透明木材在智能窗户、防伪设备以及太阳能电池等领域具有潜在的应用价值。

关键词：透明木材；纤维改性；复合材料

中图分类号：TQ351.0

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254.508X.2018.06.011

Abstract：Ordinary wood can be made into transparent wood by modifying the chemical composition and fiber structure of the wood based on the optical principle of transparency. The transparent wood is a kind of new material with low density， high modulus， high strength， high toughness and low thermal conductivity， as well as optical transparency property. It has a great application potential in many fields， such as smart windows， security equipment and solar cells.

Key words：transparent wood； fiber modification； composite

木材是一种用途广泛的天然材料，长久以来用于建筑、造纸原料等方面。看似简单而司空见惯的木材，实则是集视觉外观独特、机械性能和隔热性能优良为一体的材料[1.2]。随着现代社会对绿色可再生、可持续材料需求的持续增长，木材越来越受到欢迎[3.4]。

木材用于造纸领域广为人知，从普通的书写纸和报纸，到特殊功能性纸，如pH试纸、血型测试纸、纸基电子材料、透明纸等。其中通过用折光系数与纤维素纤维和填料接近的物质填充纸张内部的孔洞，使纸张成为光学均一的介质，纸张的透明度大为提高，从而获得透明纸[5.6]。

能否根据透明纸的制备原理、利用木材沿纤维生长方向的介孔通道，有效实现透明木质纤维与透明纸的直接对接，制造透明木材来满足更广泛的需要成为近几年来的热点问题[7.9]。本文主要从透明木材的光学原理、研究进展及其可能的应用等方面进行了概述。

1 透明木材的光学原理

木材的透明度主要与它自身的结构和组成有关，一方面木材具有使可见光发生强烈光散射的介孔通道；另一方面，木材主要由纤维素、半纤维素、木素三种成分组成。纤维素和半纤维素是无色物质，结构相对简单，约占木材质量分数的70%；而木素化学结构复杂，占木材质量分数约30%[10.11]，另外还有树脂等其他物质[12]。这些物质导致木材在可见光范围内发生强烈的光散射和光吸收，从而木材显示出不透明的某种颜色[13]。木材中含有不同折光系数的物质是影响木材透明性质的最直接因素，在木材孔腔中填充与纤维素折光系数相近的聚合物可使木材透明，其折光系数如表1所示。

为了进一步阐述透明木材的光学原理，普通木材和透明木材的光路示意图见图1。从图1可见，当光线照射到木材表面时，部分光被反射到空气中，进入木材的光线一部分被吸收，另一部分由于纤维素与通道介孔中空气的折光系数不同导致较为强烈的光散射发生，从而木材呈现较高的不透明度[14]。对透明木材而言，木材表面光反射效应仍然存在，但是进入木材的光线，由于木材内部的通道已被折光系数与纤维素相近的高分子物质填充，例如环氧树脂或者聚丙烯酸甲酯，使得透明木材中内部的光散射较弱，进入木材的光线大部分可以通过木材，从而导致木材具有较高的透明度。因此使木材的通道介孔填充与纤维素折光系数相近的物质可以减少木材内部的光散射，从而提高光的透过率。

2 透明木材的研究进展

美国马里兰大学Zhu等人[9]对椴木进行脱木素处理，首次制备出两种各向异性、大小为（50×50×3） mm的透明木材：首先将椴木放在NaOH（2.5 mol/L）和Na2SO3（0.4 mol/L）混合溶液中煮沸约12 h，然后将木块静置在浓度为2.5 mol/L的H2O2的漂白液中煮沸至白色；随后将其放在真空环境下用环氧树脂浸渍30 min，并在30℃的条件下干燥12 h。两种各向异性的透明木材复合材料如图2所示，一种沿横向裁切，称为“R木”；另一种沿径向裁切，称为“L木”，其天然纤维素结构均保存良好，但两种透明木材复合材料显示出不同的光散射性能和机械性能。例如，透明“R木”浸渍聚合物的孔腔深度小，其表现出更好的光学性能，透光率可高达90%；透明“L木”的透过率只有80%，而透明“L木”的机械强度更高，断裂强度和模量分别为45.38 MPa和2.37 GPa，约为透明“R木”相应值的两倍。

瑞典皇家理工学院Li等人[15] 利用质量分数1% NaClO2和醋酸盐缓冲溶液（pH值为4.6）对巴沙木进行处理，制备了大小为（20× 20） mm、不同厚度（0.7、1.2、2.3、3.7 mm）的木块，脱木素的时间分别为6 h（厚度小于3 mm）和12 h（厚度为3.7 mm）。用乙醇和丙酮洗涤3次后，再用预聚合的甲基丙烯酸甲酯对木块进行3次真空浸渍，每次浸渍30 min，最后用两块玻璃板将木块夹住并包好铝箔，放入70 ℃的烘箱中聚合4 h。該方法制备出厚度为1.2 mm的透明木材的透光率高达85%，雾度为71%；研究发现随着木材厚度和纤维素体积分数的增加，其光透过率下降，雾度增加。这表明可通过改变纤维素体积分数透明木材的光学性质来改变透明木材的光学性质。研究结果显示，体积分数为19%的透明木材的强度比纯聚甲基丙烯酸甲酯制备的有机玻璃高1倍，而纯纤维素和纯聚甲基丙烯酸甲酯制备的材料的机械性能都比透明木材低，说明透明木材中纤维素与聚甲基丙烯酸甲酯有协同作用。

随后，Li等人[16]开发了一种绿色可行的方法来制备透明木材。他们采用碱性H2O2仅去除木素中的一小部分发色团，保留了高达80%的木素，制备出尺寸为（50×10×1.5） mm透明木材的机械强度更高，具体数据如表2所示。由表2可知，相比完全脱木素透明木材，高木素含量透明木材的制备时间大大缩短且具有更好的机械性能。此方法下实验测得1.5 mm厚的透明木材的透光率和雾度分别高达80%和75%。与完全脱木素的透明木材相比，透光率有所下降，而雾度少许增加。

除此之外，吴燕等人[7]在生物酶（漆酶/聚木糖酶体系）与冰醋酸的混合物中添加微量H2O2去除桦木中的木素，反应1～2 h后，将木块用质量分数30%的H2O2和25%的NH3·H2O提取，也可极大缩短脱木素时间。在该专利中，还说明了用环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯与无机纳米粒子的混合物作为脱木素木块填充物制备的透明木材，其力学性能更加优异，且透明木材组织的分层结构保存完好。

透明木材制备的主要障碍之一是脱木素。木素约占木材质量分数的30%，并与木材中不同多糖交联增加了木材的机械强度。去除木素不仅耗时长，而且去除过程中需使用大量化学品，对环境无益。此外，去除木素会削弱木材结构，从而限制了大规模及大尺寸透明木材的制备。目前所制备的透明木材尺寸很小，无法满足应用需要，绿色环保、成本低廉且大尺寸透明木材的制备方法有待进一步的探索。

3 透明木材的应用研究

透明木材不仅具有木材绝大部分优良特性，还具有优异的光学性能。这种相对新颖的材料在各个领域的应用已有相关研究。

3.1 建筑材料

Yu等人[17]在透明木材中加入CsxWO3纳米颗粒，制备出具有优异热屏蔽性能的透明木材。在模拟真实环境实验中，采用尺寸相同的CsxWO3/透明木材（CsxWO3含量控制在0.05%）、透明木材、玻璃共三种材料制成样品房进行模拟实验研究，模拟太阳辐射10 min后，玻璃样品房的温度上升近20 ℃时，透明木材样品房温度上升了11.8℃，而CsxWO3/透明木材样品房的温度只上升了5.2℃。这是由于纤维素官能团的分子振动，致使透明木材显示出优异的近红外（范围从780～2500 nm）屏蔽能力，CsxWO3纳米颗粒在热屏蔽性能中也起到了关键作用。CsxWO3/透明木材同时还具有86%的透光率和90%的雾度，并表现出优异的机械性能（断裂强度高达59.8 MPa，断裂模量高达2.72 GPa）。CsxWO3 /透明木材如能进行工业化生产并投入到智能窗户的应用中，可以起到冬暖夏凉的效果，从而减少大量能源消耗。

3.2 磁性材料

透明的磁性材料具有多方面的潜在应用，诸如信息存储、磁光开关、生物分析、调制器等。透明磁性材料的设计主要是在各种主体基质中嵌入Fe、Co、Fe3O4和γ.Fe2O3等磁性纳米粒子。磁性纳米粒子的直径比可见光的波长小，因此可大大减少表面的光反射，有利于保证材料的透明度和磁化性质。氧化铁基磁性纳米粒子具有优异的磁性能、高抗腐蚀稳定性、较大的表面积且易于进行表面改性，广泛应用于多种光学透明材料中[18]。

Gan等人[19]在透明木材中加入磁性Fe3O4纳米粒子制备出磁性透明木材。研究结果表明，随着Fe3O4纳米颗粒含量的增加，磁性透明木材的饱和磁化强度增大，透光率和力学性能下降。磁性透明木材在可见光下透明，透光率为63%，饱和磁化量为0.35 emu/g。此外，他们将Fe3O4纳米粒子换成发光γ.Fe2O3@YVO4∶Eu3+ 纳米粒子，对天然木材进行相似的功能化处理，合成了一种新型的发光透明木材复合材料[20]。这种透明木材在350～800 nm波长范围内显示出高透光率和磁响应性，且在254 nm的紫外光激发下可发出明亮的彩色光。其高透明度（透过率为80.6%）、适度磁性（饱和磁化量为0.26 emu/g）、优异的机械性能（断裂强度和断裂模量分别为17.78 MPa和0.66 GPa）及发光特性，展现出了其作为绿色LED照明设备，发光磁开关和防伪设备的巨大前景。

李坚等人[8]采用Y2O3、稀土元素（Eu2O3、Dy2O3）与酸性溶液混合制备出荧光纳米粒子，将其加入到含有Fe2+和Fe3+的溶液中制备得磁性荧光纳米粒子。将磁性荧光纳米粒子与预固化的聚合物混合并填充在脱木素的木块中即得荧光透明磁性木材。该发明中提及的荧光透明磁性木材具有较高的透明度、适当的磁性和优异的荧光性能，其透光率可达80%，能被条形磁性吸引，且在紫外灯激发下能发出荧光，在透光建筑物和透明太阳能电池窗户等方面有着广阔的应用前景。

3.3 光学应用

Zhu等人[21]将透明木材放置在GaAs薄膜太阳能电池上，发现太阳能电池整体能量转换比单层GaAs薄膜太阳能时提高多达18%。这是由于透明木材有效的光散射增加了太阳能电池内部的光吸收，从而使太阳能电池的转化率提高。

染料激光是一种以染料为介质而产生的激光辐射，具有很宽的谱带范围（中心调谐波长范围为308～1850 nm），是一类重要的可调谐激光光源[22]。Vasileva等人[23]在透明木材中加入罗丹明6G染料，并将其激光性能与含有罗丹明6G染料的聚甲基丙烯酸甲酯基质进行了比较。二者激光性能实验结果表明，纤维素纤维可作为小型光学谐振器工作，透明木材/染料中的发射光谱是由各个谐振器产生的激射模式叠加的结果。且纤维谐振器的集体作用以及其尺寸变化可使發射线扩展达数纳米。这一特点可使透明木材在不同领域的光学应用（如绿色可持续的照明、电子显示屏等）中具有很大的实施潜力。

4 透明木材的展望

透明木材的原料来源广泛，价格低廉，并且可通过选择折射率不同的填充物以改变光透过率，还能对填充物进行简单改性来制备具有特定功能的复合材料。透明木材韧性好、强度大、隔热、透明度高以及质轻易加工等特点使其在建筑、电磁设备、光电学等领域有着巨大的潜在利用价值。

然而，目前透明木材的制备仍处于小尺寸木材的实验室制备阶段，如何通过绿色高效的工艺来制备大尺寸的透明木材，以满足各行各业应用需要，急需透明木材制备工艺的新突破。

参 考 文 献

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（责任编辑：常 青）