通过界面处理获得一厘米厚的定向透明木材
透明木材由于其高的光学透过率，良好的隔热性，高韧性，是一种很有吸引力的节能建筑结构材料。 然而，厚的高度透明的木材是很难实现的。 在目前的工作中，高透明木材（1.5毫米），透光率为 92%，接近纯有机玻璃（95%）的透光率，已经被实现。 通过木模板的乙酰化，通过界面操作实现高透光率。 实验和电磁 建模都支持提高透射率主要是由于消除了界面脱粘间隙。 采用这种方法，得到了一种厘米厚的透明木 材结构。 透明木材可以作为光学可调窗口的基板，并在顶部层叠聚合物分散液晶(PDLC)薄膜。 演示的技术是在智能窗户和智能建筑中取代玻璃的一个步骤。
介绍
由于能源支出的迅速增长、能源资源的短缺以及相关的环境负担，降低建筑行业的能源消耗已引起人们的关注。1在这方面，在透光性和隔热性都很重要情况下，节能建筑是理想的选择。2然而，它可能存在脆性和粉碎性的故障，这可能会导致安全问题。另一种选择是掺入光纤的透光混凝土。3目前的主要问题是成本较高，浇筑困难。
木材在建筑中已经使用了几个世纪，现在在能量收集系统中有着广泛的应用。4,5最近，有人报道了通过去除吸光材料（主要是木质素）或仅通过去除发色团而保留木质素的改性，成功制备出透明木材6-9透明木材具有良好的透光率（透光率大于85%）、隔热性（导热系数小于0.32 W m-1 K-1）和良好的综合性能，在节能建筑中具有很好的应用前景。具有防碎特性和良好的机械性能。6,10此外，透明木材还具有多功能化的潜力，如发光透明木材、11,12磁性透明木材、13隔热透明木材、14甚至是基于木材的有源光子器件15然而，厘米厚的透明木材很难实现。我们报道了1 mm厚的热带美洲轻木基透明木材，径向厚度的透射率约为85%。6 朱等人7已经获得了2 mm厚的椴木基透明木材，其透射率为80%，厚度垂直于纵向。厚度在纵向上，一个3mm厚的透明木材，透光率为90%。当木材厚度在纵向时，光主要在纯聚合物中传播，可以得到较厚的透明木材。厚度透明木材的两个限制在纵向上表现为平面内力学性能较差，结构尺寸受木材/树木横截面的限制。这限制了透明木材在需要厚、强、大的建筑砌块的地方的应用。因此，厚度垂直于纵向的厚透明木材更具吸引力，但更具挑战性。在这项工作中，我们主要研究厚度垂直于纵向的单板。
在以往的研究中，透明木材的透光率比纯聚合物（95%左右）低得多（低于85%），透光率随木材厚度的增加而急剧下降。6我们认为造成透光率下降的主要原因是PMMA与木材细胞壁之间的界面脱粘裂缝，此外木材和渗透PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)之间的折射率不匹配（PMMA的折射率为1.49，全纤维素的折射率为1.53）。
虽然聚合物已完全渗透到木材细胞腔中，但界面脱粘可能仍然存在。11由于脱粘间隙中空气的折射率较低（即1），界面脱粘的存在引入了更多的光学不均匀性，从而导致更强的光散射，从而透过率降低。界面间隙主要是由于天然亲水性较强的木细胞壁与渗透性较强的聚合物（如聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、苯乙烯、咔唑乙烯基、甲基丙烯酸异冰片酯等）相容性差造成的。16,17此外，聚合过程中，聚合物发生体积收缩促进界面间隙的形成。18如果PMMA和木材细胞壁之间能够获得更好的表面相容性，就有可能消除或减少界面脱粘。这样，可以获得更高的透光率，为厚实透明木的制作铺平了道路。表面处理是解决相容性问题的常用和有用的策略，包括使用相容剂19和表面改性。20乙酰化是对木材或木质纤维素纸浆进行疏水化的有效方法，它被研究用来降低木材的水分敏感性，增加与塑料的相容性，如聚乙烯和聚丙烯。21，22因此，对于纤维素基复合材料，乙酰化也提高了光透过率。23–25
在当前的工作中，我们在PMMA渗透前对脱木素的木材基材进行表面乙酰化处理，以改善木材模板与PMMA之间的相容性，从而减少界面剥离，提高透光率。图1a展示了高透明木材的结构。脱木素模板的乙酰化在木材纤维表面引入醋酸基团，使纤维与PMMA的相容性更好。厚度为1.5mm的透明木的透光率为92%，与纯聚合物（95%）的透光率基本相同。图1b中的照片展示了改性透明木材（右）相对于非改性透明木材（左）的透射率提高。界面改善后，木材纹理几乎看不见。采用同样的方法，得到了厘米厚的透明木结构，这是向建筑用透光木结构迈进的一步。
木材，特别是脱木素的木材，是亲水的。这主要是由于羟基的存在和暴露。26这会导致与疏水性聚合物（如PMMA或环氧树脂）的相容性问题，用于透明木材。采用乙酰化反应解决了乙酸酐与吡啶的相容性问题。在乙酰化之前，木材经过亚氯酸钠处理以去除光吸收成分（主要是木质素），以制造透明木材。以25times;25times;1.5mm的木模板为原料，对乙酰化反应的最佳工艺参数进行了系统的研究。图2a显示木材与乙酸酐的反应。在木材纤维表面接枝醋酸基团后，木材的重量增加。因此，重量百分比增加（WPG）被用来估计乙酰化。27、28反应在低温下进行，反应时间长，接枝效率低。高温有利于乙酰化效率的提高，但副反应会增加，反而会降低副反应的程度。通过将反应时间从2 h增加到12 h，考察了时间依赖性乙酰化程度。WPG在前4 h内迅速增加，6 h后逐渐稳定。作为反应效率和时间的折衷，较小的木片反应6 h，大而厚的样品经过10小时的反应，使整个木材模板反应均匀。乙酰化后，木材模板变黄，木材呈黄色透明。因此，在乙酰化后进行额外的亚氯酸钠处理以去除淡黄色。傅里叶变换红外光谱（FTIR）29证实了醋酸基团成功接枝到木材模板上。在1370cm-1波数附近出现的峰值是指甲氧基的C-H振动，表明改性木材上的醋酸基团。在1227和1738cm-1附近的波数峰值分别代表C–O和C]O拉伸模式。这两个峰强度的增加进一步证实了醋酸盐基团的引入。在3300cm-1波数附近的宽峰表示-OH吸收。
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