透明木材复合材料的制备文献综述

文献综述

（一）课题研究的现状及发展趋势

能源是推动社会进步及发展的重要物质基础，是各国在经济、军事、政治等领域的重要战略物资和关键性支柱^[1]。中国作为人口密集的大国，相比其他国家，在能源消耗方面面临着更加严峻的挑战。随着经济的飞速发展，高层建筑不断增加。据统计，建筑耗能占总耗能的25%左右^[2]，其中大部分耗能又被用于建筑照明^[3]。在漫长的生产实践过程中，人们发明出各种先进的照明技术，为生活带来了极大的便利。但是，随之而来的还有材料垃圾难降解、能源损耗严重以及环境污染等多重问题^[4]。与此同时，人们却忽视了大自然馈赠的自然光。为了响应当代节能减排的号召，利用自然光照明成为了人们的不二选择。

为了使自然光充分地发挥照明作用，需要采用透光性较好的建筑材料。目前，应用最广泛的透光建筑材料为玻璃。玻璃作为最具时代特点的建筑材料，具有优异的光学性能、力学性能、隔声性能、隔热性能以及化学稳定性^[5]，其刚柔相济、通透华丽，是建筑师实现美学展示的首选宠儿。可是，炙手可热的玻璃，近几年却声名日下。例如：玻璃幕墙能够使建筑物的颜色随着观察角度的变化而变化，并且还能使建筑物随着日光、月光的变化而呈现出动态美。但是，玻璃幕墙的缺点也是显而易见，其会制造光污染，并且耗能大^[6]。此外，透明的玻璃门窗会令人产生错觉，不注意撞上去，容易受伤；玻璃生产行业会产生大量的废气废水，污染环境；普通玻璃易碎，当玻璃碎成渣之后，放在路面上容易扎脚，掩埋在土里又会成为不易降解的固体废物^[7]。

与玻璃相比，木材在节能环保、价格低廉、防震减灾、绿色低碳等方面的优势都凸显出来^[8]。我国幅员辽阔，森林资源丰富，党的十八大以来，我国林业改革发展取得开创性的成就，我国成为同期森林资源增长最多的国家^[9]。木材是一种天然的可再生资源^[10]，且人类对木材的使用已历史悠久。木材在生长过程中，由于地理环境的差异，不同的木材具有不同的微观结构。例如，软木由于生长速度过快而具有多孔结构，而硬木却具有致密的结构^[11]。尽管不同木材中的大部分结构都不相同，但是它们都具有相似的孔腔结构^[12]。通过利用木材独特的微观结构，目前已经制成了很多先进的功能结构，如木材-聚合物材料^[13]、木材-陶瓷材料^[14]和仿生结构^[15]等。

虽然具有诸多优点，但是木材要想成为透光材料必须克服“不透明”这一致命缺点。木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其总量占木材的90%以上^[16]。其中纤维素和半纤维素均为无色，木质素具有极深的颜色，这也是木材具有颜色的主要原因。使木头变透明的一种方法是漂白，通常用碱处理法。碱处理法是一种传统的给木材去色的方法，木材通过碱性溶液浸渍，其中的木质素及半纤维素被洗脱出来，形成粗糙的形貌^[17]。环氧树脂是线型热塑性高分子预聚物，当有固化剂参加反应时，能够生成不溶于水的体型网状高分子聚合物^[18]。环氧树脂具有优良的机械性能 、绝缘性能、黏接性能以及加工使用灵活，在国民经济的各个领域内发挥着重要的作用 。随着人们环保意识的不断增强，很多环保、低能耗的环氧树脂已经被开发出来，例如：热降解型环氧树脂、光降解型环氧树脂、生物降解型环氧树脂^[19]等。

前不久，瑞典皇家理工学院宣布，他们研发出了一种光学透明木材，适合大批量生产，可以作为玻璃的替代物。最近，美国马里兰大学工程师团队的进一步研究发现^[20]，用透明木材制成的窗户能够透过更均匀一致和能源效率更高的自然光。透明木材绝缘性能好，通过的光与普通玻璃一样多，并且能避免炫目耀眼的感觉，提供均匀一致的室内光照。其透光性能很好，但又不是完全透明，可满足一定的隐私性要求。透明木材中透过的光，波长在可见光范围内，但是又可以阻止承载大部分热量的光波，使室内起到保温效果。此外，透明木材还具有一定的雾霭效果，使之很适合制作太阳能板，并且能够大幅降低太阳能发电设备的成本，使“太阳电”成为真正的低价电。透明木材的另一重要优点是具有较大的韧性，不易破碎。并且，透明木材易于降解、绿色环保，符合低碳生活的理念。

目前，已经有几种透明木材被研制出来。然而，迄今为止，制备透明木材的工艺很复杂，并且会用到对环境不友好的试剂。因此，需要开发出更多新奇的制备透明木材的方法与工艺。并且，目前只能制备出小尺寸的透明木材，大型应用尚需工艺的进一步改进和优化，这也是透明木材未来的主要研究方向。

（二）本课题研究的意义和价值

本课题主要是通过两步合成工艺从橡木制备出透明木材。首先是采用碱处理法去除木材中的木质素，然后在真空条件下渗入与木材细胞壁折射率匹配的环境友好型聚合物，经过热处理后便可获得透明木材，对其进行光学测试，研究其光学性能，并尝试将其应用到改善光学外观中。