南京工业大学岳孔团队Polym. Test. 综述:高性能透明木材研究:速生杨木的光学与力学性能协同增强

一、摘要

透明木材已成为一种用于节能建筑和照明应用的有前景的生物基复合材料。本研究提出了一种创新的集成方法，结合脱木质素、过氧化氢漂白、机械压缩和环氧树脂浸渍，从速生杨木中制备高性能透明木材。所得材料具有优异的光学透明度，最大透光率约为90%，以及出色的机械强度，拉伸强度达到144.7 ± 4.2 MPa，杨氏模量为2.92 ± 0.18 GPa。此外，掺入锑掺杂氧化锡纳米颗粒增强了紫外屏蔽能力，同时改善了聚合物与纳米纤维素模板之间的界面结合，进一步提升了力学性能（拉伸强度154.3 ± 3.8 MPa，杨氏模量4.31 ± 0.21 GPa）。制备的透明木材还具有良好的热稳定性、疏水性（接触角约105-110°）和适中的低热导率（约0.31 W/(m·K)）。与传统的聚甲基丙烯酸甲酯相比，这种基于杨木的透明木材提供了一种更可持续、力学性能更优异且多功能的替代方案，特别适用于广告灯箱和节能窗等应用。

二、研究背景

全球减少能源消耗的迫切需求推动了可持续建筑材料和节能照明解决方案的研究。利用日光减少电力消耗是一种有效策略，传统上使用玻璃等材料。然而，玻璃存在抗冲击性差、眩光问题和热导率高等局限性。聚甲基丙烯酸甲酯因其优异的力学性能和比玻璃更安全的断裂行为而受到青睐，但其耐热性和耐磨性差等缺点限制了其在广告灯箱等环境中的广泛应用。

透明木材作为一种有前景的生物基替代材料应运而生。木材的天然棕色源于木质素、单宁和其他树脂化合物，它们强烈吸收光线。而纤维素和半纤维素组分天然透明。透明木材的制备包括两个步骤：首先去除木质素以创建多孔纤维素结构；然后用折射率与纤维素匹配的聚合物填充这些空隙，形成透明木材-聚合物复合材料。

过去的研究多聚焦于轻木，其因木质素含量低而具有高透光率，但力学性能和阻燃性较差。杨木在中国人工林中广泛种植，生长周期快、成本低，但此前利用杨木制备透明木材的研究未能达到预期性能。本研究面临的瓶颈包括：材料层面——轻木力学性能不足；性能权衡——高光学透明度往往需要大量脱木质素和高聚合物负载，损害力学完整性；可扩展性——许多工艺涉及复杂、有毒或耗时的步骤。因此，开发一种简单、可扩展的工艺，同时增强光学、力学和功能性能，仍是重大挑战。

三、研究方向

本研究提出了一种结合脱木质素、过氧化氢漂白、致密化和树脂浸渍技术的新方法，从杨木中制备高性能透明木材。本研究使用商用环氧树脂（Crystal Glue CG）来增强光透射，并掺入锑掺杂氧化锡纳米颗粒以改善紫外屏蔽。对所得透明木材进行了拉伸强度、光学性能（透光率、雾度、光学各向异性）、接触角和热性能（热重分析和热导率）的严格测试，并使用扫描电子显微镜进行微观表征。

本研究引入了协同处理顺序，旨在最大化发色团去除，同时保持骨架完整性并增强界面相容性。所得材料实现了高透明度（~90%）、超过140 MPa的拉伸强度和有效紫外屏蔽的罕见组合，代表了此前报道的杨木基透明复合材料的重要进展。

四、研究进展

4.1 材料制备与工艺优化

本研究使用尺寸为50×50×2 mm的速生杨木旋切单板。制备流程包括：

• 脱木质素：将天然木材浸入3.5 wt%亚氯酸钠溶液（pH 4.6，80°C），处理时间0-5小时，去除木质素发色团同时保留纤维素骨架。

• 漂白：将脱木质素木材浸入10 wt%过氧化氢溶液（80°C，1小时），进一步脱除残留发色团。

• 致密化：将脱木质素漂白木材在万能试验机中以1 mm/min速率压缩至100 kN，保压10分钟，重复三次，随后在2.5 MPa下加压5小时，厚度降至1 mm。

• 浸渍：将致密化木材浸入CG浸渍液（CG:固化剂=2:1），真空-0.09 MPa下处理30分钟，重复三次。

• 紫外屏蔽透明木材：将KH570改性ATO纳米颗粒（0.3 wt%）加入浸渍液，按相同步骤制备ATHCW。

4.2 光学性能分析

颜色参数演变：随脱木质素时间延长，L值（亮度）增加，尤其在最初2小时内。DW的a（红-绿）和b（黄-蓝）值随脱木质素时间延长略有降低。漂白显著影响颜色，漂白样品比未漂白样品具有更高的L值。DHW-4的b*值比DW-4降低60.6%，显著减少黄度。

透光率与雾度：THCW的透光率（90.18 ± 1.2%）显著高于TW（68.2 ± 2.1%），几乎与PMMA（92%）相当。THCW的雾度（60.65 ± 1.8%）比TW（96.53 ± 2.3%）降低38%。优异透明度归因于：脱木质素和漂白去除发色团；压缩消除空气填充空隙，减少光折射差异；CG与纳米纤维素模板之间的优异结合。

光学各向异性：由于天然木材的固有各向异性，透明木材表现出显著的光学各向异性——当光线沿纤维方向时散射最小，垂直方向时散射最大。当纤维方向水平时，下方文字清晰可见；垂直时则明显模糊。

紫外屏蔽性能：ATHCW有效屏蔽几乎全部UVB光谱和绝大部分UVA光谱，同时保持700-800 nm区间81%的高透光率。

4.3 微观形貌与疏水性

SEM分析：TW样品中聚合物与细胞壁之间存在明显间隙（图3a），表明结合不良，导致透光率较低。致密化后细胞壁紧密粘附形成致密层状结构，聚合物有效填充压缩后残留空隙（图3b）。ATHCW中改性ATO纳米颗粒改善了聚合物与纤维素模板之间的结合（图3c）。

疏水性：所有透明木材样品均表现出疏水特性，接触角约105-110°（图3d）。这是由于致密化过程中水分子与纤维素通过羟基结合形成结合水，同时促进大量氢键形成，减少羟基暴露以吸附额外水分子。

4.4 力学性能

THCW的拉伸强度、杨氏模量和硬度分别显著提升至144.7 ± 4.2 MPa、2.92 ± 0.18 GPa和70.1 ± 1.8 HD。ATHCW进一步改善，分别达到154.3 ± 3.8 MPa、4.31 ± 0.21 GPa和75.6 ± 1.5 HD。THCW和ATHCW的力学性能均远高于PMMA。

力学性能增强归因于：KH570改性ATO颗粒的亲水基团改善了聚合物与纤维素模板之间的界面相容性；致密化使纤维素纳米纤维高度有序，氢键和分子缠结的协同效应增强；脱木质素去除疏水性木质素，暴露高极性纤维素纳米纤维，致密化过程中形成氢键，使细胞壁塌陷成层状结构。

4.5 热稳定性与热导率

TGA分析显示，TW、THCW和ATHCW在约90°C出现初始显著失重（结合水损失）。CG经历两个失重阶段：110-260°C（仲醇脱水和不饱和结构形成）和300-460°C（主降解阶段，质量损失约88%）。TW、THCW和ATHCW在约400°C时表现出比NW、DW和DCW显著更好的热稳定性，归因于CG与纳米纤维素模板之间的强键合形成的致密结构。

THCW和ATHCW的热导率分别为0.31和0.32 W/(m·K)，略高于PMMA（0.17 W/(m·K)），但在需要隔热的应用中仍处于可接受范围。

4.6 碳足迹评估

遵循ISO 14040/14044指南进行从摇篮到大门生命周期评估。THCW和ATHCW的碳排放分别为2.525 ± 0.12和2.531 ± 0.13 kg CO₂当量/kg，而PMMA生产为8.29 kg CO₂当量/kg，是透明木材的三倍以上。

4.7 综合性能对比

与文献对比，本研究的方法在光学性能上超越大多数先前研究，同时实现了顶级力学性能。THCW和ATHCW在几乎所有评估参数上均优于PMMA，包括拉伸强度、杨氏模量、硬度、接触角、热稳定性和阻燃性，唯一的不足是透光率略低（约3%差异）。

五、总体结论

本研究提出了一种创新的集成制备策略，协同结合脱木质素、漂白、机械压缩和环氧树脂浸渍，成功将速生杨木转化为高性能透明木材复合材料。关键突破在于同时实现了优异的光学透明度（最高约90%）、高力学强度（拉伸强度144.7 ± 4.2 MPa）和稳健的多功能性，包括掺入ATO纳米颗粒后的有效紫外屏蔽。

通过漂白、压缩和浸渍的流线型工艺，成功制备了具有优异光学性能（平均透光率~86%，雾度~61%）和出色力学强度（拉伸强度144.7 ± 4.2 MPa，杨氏模量2.92 ± 0.18 GPa，硬度70.1 HD）的透明木材。压缩和浸渍阶段形成的致密层状结构是赋予优异光学和力学特性的关键。

ATO纳米颗粒的掺入不仅增强了紫外屏蔽能力，还出人意料地增强了力学性能（拉伸强度154.3 ± 3.8 MPa，杨氏模量4.31 ± 0.21 GPa，硬度75.6 HD）。所有透明木材样品均具有优异的疏水性和热稳定性。与PMMA相比，本研究开发的透明木材在几乎所有评估参数上均表现出优越性能，使其成为广告灯箱等应用中更环保、更可持续的可行替代品。

六、图文概览

图1、 (a) 透明木材的制备过程。(b) 掺入ATO纳米颗粒的透明木材的紫外屏蔽效果。

图2、 (a) DW的横截面SEM图像。(b) 不同脱木质素时间下未漂白样品的颜色参数变化。(c) 不同脱木质素时间下漂白样品的颜色参数变化。(d) 不同脱木质素时间下漂白与未漂白样品之间的色差变化。(e) 不同脱木质素时间下漂白和未漂白样品的化学组成变化。(f) NW、DW和THCW的图像。(g) 透明木材的光学各向异性。(h) 透明木材的透光率。(i) 透明木材的雾度。(j) 透明木材对紫外光的屏蔽能力。

图3、 (a)、(b)、(c) TW、THCW和ATHCW的横截面SEM图像。(d) TW、THCW和ATHCW的水接触角。(e) 透明木材的杨氏模量。(f) 透明木材的拉伸强度。(g) 透明木材的硬度。(h) THCW、ATHCW和PMMA的应力-应变曲线。(i) 和 (j) 透明木材的TGA和DTG曲线。

图4、 (a) 与先前文献在透光率和力学性能方面的比较。(b) 透明木材与PMMA的热导率比较。(c) PMMA的综合性能。(d) THCW的综合性能。(e) ATHCW的综合性能。数据来源：透光率（图2h）、拉伸强度（图3f）、杨氏模量（图3e）、硬度（图3g）、接触角（图3d）、阻燃性（本研究LOI值：THCW 26.5%，ATHCW 27.8%）。PMMA参考数据来自文献[6]。

七、作者信息

作者列表：Kaiyi Chen, Kong Yue, Jin Qian, Xuesong Song, Peng Wu, Quan Li

通讯作者：Kong Yue*College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing, China

通讯作者单位：College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing, China

八、论文链接

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2026.109186

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