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透明木材:有望替代玻璃,成为“未来之窗”

透明木材:有望替代玻璃,成为“未来之窗”
编辑:崔婧 | 2020.11.11 18:39

美国森林产品实验室(Forest Products Laboratory)与马里兰大学、科罗拉多大学合作,开发出了一种透明的木材。轻质木材经过一系列的处理,可以具有与玻璃相近的透光度,并且相较于玻璃,有更好的隔热性能与韧性,或将替代玻璃,成为未来最有潜力的半透明建筑材料。

 

这一发现发表在《先进功能材料》(Journal of Advanced Functional Materials)杂志论文《一种用于节能窗户的透明、坚固、隔热的透明木材》(A Clear, Strong, and Thermally Insulated Transparent Wood for Energy Efficient Windows)中。

 

马里兰大学研究人员最新研究出的雾度更低的、接近于商用玻璃透明度的透明木材  ©Forest Service

目前,玻璃是建筑窗户最常用的材料。但是玻璃易于传导热量、尤其是单层玻璃。夏季,室外的热量大量地向室内辐射,使建筑产生较高的制冷能耗;冬季,建筑内部的热量容易通过玻璃散逸至室外,增加建筑的制热能耗。另外,玻璃的生产也带来了沉重的碳足迹:每年制造玻璃产生的碳排放量约25000吨。

 

研究员发现,巴尔杉木(世界上最轻的木材之一)在室温下经氧化剂与聚乙烯醇(PVA)的处理后,木材可变得如玻璃一般透明。这种透明木材的热学性能更加符合时下可持续性发展的需求。透明木材的导热系数不足玻璃的五分之一。当运用在建筑中时,尤其在特别寒冷的地区中,可以大大减少建筑制热所消耗的能源。

 

另外,透明木材在力学性能上具有玻璃不具备的优势。它比玻璃更轻,可以承受强烈的冲击,因为纤维素结构与聚合物填料相结合可提供更大的韧性,它的韧性(3.03 MJ m−3)比标准玻璃(0.003 MJ m−3)高3个数量级。这意味着它能够在变形前承受很大的应力,并且不会破碎,而是弯折。这很大程度避免了对人的伤害。

 

根据论文所述,一种具体的制备透明木材的方法如下。首先脱木质素:将木材浸入NaClO溶液中,后以去离子水漂洗,经冻干得到白色的木片;然后制备透明木材:将干燥的白色木片浸入PVA溶液,并在高压下通过脱气使木片膨胀,后将木材加以干燥、固化。最终得到透明木材。

 

图a:扫描电子显微镜的巴尔杉木;图b:天然木材;图c:脱木质素之后的木材,细胞壁变薄;图d:高透光率、低雾度的透明木材;图e、f:透明木材致密的结构;图g:排列整齐的纤维。图源:Ruiyu Mi等,《一种用于节能窗户的透明、坚固、隔热的透明木材》,2020

目前阶段,透明木材雾度(约为15%)仍比玻璃高。但对于天窗等利用散射光即可满足需求的位置,透明木材有其用武之地。马里兰大学研究人员最新研究出雾度更低、接近于商用玻璃透明度的透明木材,也进一步缩小了两种材料的使用效果差距。

 

 

参考资料

[1] https://www.fs.usda.gov/features/transparent-wood-could-be-window-future

[2] Ruiyu Mi等,《一种用于节能窗户的透明、坚固、隔热的透明木材》,2020 https://www.fpl.fs.fed.us/documnts/pdf2020/fpl_2020_mi001.pdf

 


 

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