普通玻璃作為一種重要的建筑材料，對(duì)室內(nèi)能耗有重要的影響。若是玻璃具有很高的總透光率，則增大自然光進(jìn)入而減少人造光的使用。但是玻璃具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致熱損失較高和能量效率較低。而透明木材被證明具有高透光率、可調(diào)光霧和良好的隔熱性能，是一種很有前途的建筑材料。

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簡(jiǎn)介

透明木材是一種具有優(yōu)異的隔熱和光學(xué)性能的透明木質(zhì)復(fù)合材料。透明木材的透光率高達(dá)90％和僅有10％霧度。透明木材的導(dǎo)熱率低，是普通玻璃中的三分之一。透明木材還具有更高的韌性和延展性。具有優(yōu)異的光學(xué)性能、低導(dǎo)熱性和良好的機(jī)械性能的透明木材成為潛在的建筑材料。將光學(xué)性能與高機(jī)械性能進(jìn)行有效組合仍然面臨挑戰(zhàn)，且一般需要犧牲機(jī)械性能來(lái)提高光學(xué)性能。此外尚未充分表征透明木材的環(huán)境和紫外線穩(wěn)定性，以及使用壽命。

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為什么要研發(fā)透明木材？

住宅、商業(yè)建筑照明和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度消耗的能源占了總的將近40%。其中，普通玻璃作為一種重要的建筑材料，對(duì)室內(nèi)能耗有重要的影響。若是玻璃具有很高的總透光率，則增大自然光進(jìn)入而減少人造光的使用。但是玻璃具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致熱損失較高和能量效率較低。因此，迫切需要提高玻璃的隔熱性能，或開發(fā)兼具優(yōu)異隔熱性能和光學(xué)性能的透明材料來(lái)替代玻璃。

而透明木材被證明具有高透光率、可調(diào)光霧和良好的隔熱性能，是一種很有前途的建筑材料。但是透明木質(zhì)材料通常有很高的霧度，是替代玻璃進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。

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誰(shuí)研發(fā)了透明木材？

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在美國(guó)《先進(jìn)材料》雜志上。

胡良兵副教授等人首先去除木頭中有顏色的木素成分，然后填充光折射率匹配材料環(huán)氧樹脂，實(shí)現(xiàn)了木頭在光學(xué)上的透明。測(cè)試結(jié)果表明，總透光率可以達(dá)到90％。據(jù)胡良兵介紹，透明木頭具有比原始木頭更高的強(qiáng)度，相比玻璃、塑料更加環(huán)保，還具有這些常用透明材料不具備的一些獨(dú)特光學(xué)特性。來(lái)自中國(guó)南京大學(xué)的訪問學(xué)者祝名偉是該研究的第一作者。

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木材怎么變透明？

透明木材的制備通過要經(jīng)過脫色和透明化兩大部分的處理。

（1）脫色處理：

脫色處理是為了去除木材中吸光物質(zhì)木質(zhì)素，還能增加木材的孔隙率，為后續(xù)樹脂的浸漬提供更多通道。木質(zhì)素在木材細(xì)胞中起到支撐和粘結(jié)的作用，因此在去除木質(zhì)素的同時(shí)要避免因木質(zhì)素脫去而使木材分散成纖維，這是透明木材制備的難點(diǎn)之一。脫色方法主要有氯酸鹽法、亞氯酸鹽法、亞硫酸鹽法、酶處理法。

次氯酸鹽是常用的漂白劑，用它脫除木質(zhì)素主要是氧化反應(yīng)和氯化反應(yīng)。亞氯酸鹽脫木質(zhì)素是在酸性條件下進(jìn)行的，生成不穩(wěn)定的亞氯酸，能與木質(zhì)素作用并使其降解溶出。生物酶是通過酶來(lái)降解木質(zhì)素來(lái)脫色的。

（2）透明化處理：

木材在進(jìn)行脫色處理后會(huì)呈現(xiàn)白色，還并沒有透明。脫色之后保存在蒸餾水中，這時(shí)木材細(xì)胞壁的主要成分為纖維素和半纖維素，這些物質(zhì)和木材間隙中的蒸餾水折射率相差較大，透明化處理主要是調(diào)整其折射率。首先對(duì)木材進(jìn)行脫水，再向木材中的孔道內(nèi)填充與纖維素折射率相近的樹脂，浸漬、固化。

目前主要使用的脫水方法是使用無(wú)毒易揮發(fā)的有機(jī)溶劑對(duì)水進(jìn)行1：1的置換，保證脫水后木材原有的形態(tài)不變，且孔道不收縮。浸漬樹脂要求本身透明無(wú)光吸收，與木纖維的折射率相近，且與母纖維有良好的相容性，主要使用的樹脂包括環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡絡(luò)烷酮等。

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透明木材的特性

（1）強(qiáng)度高。透明木材的強(qiáng)度比未處理的原木要高4至6倍，相比玻璃的強(qiáng)度更好。

（2）透光率高。透光率越高，物體越透明。研究表明，透明木材甚至比玻璃還能透過更多光線。影響透明木材透光率的因素主要是樹脂與木質(zhì)纖維素折射率沒有完全匹配。

（3）易降解。木材本身就是生物質(zhì)材料，具有可降解性，這使得透明木材的使用更加具有綠色環(huán)保特性。

（4）熱導(dǎo)率低。透明木材能夠吸收、儲(chǔ)存和釋放熱量，不但能制作家具，還是很有潛力的新型低能耗建筑材料。

（5）朦朧感。透明木材的透明度可以通過添加聚乙二醇、丙烯酸等聚合物來(lái)調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到不同的朦朧感，且透明木材在釋放熱量后會(huì)變得有一些朦朧。

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可圖案化的透明木材

化學(xué)刷涂結(jié)合紫外線照射技術(shù)，能夠選擇性地漂白指定區(qū)域的木材樣品，制備出具有不同圖案的透明木材。

利用天然木材(6~36%)與透明木材(~90%)的不同透光率，還可以選擇性地對(duì)透明木材進(jìn)行精確的構(gòu)圖。首先，用刷子在天然木材樣品上用H2O2作為一種“墨水”來(lái)繪制所需的圖案。然后，這些區(qū)域被紫外線照射，變成白色。然后將環(huán)氧樹脂滲透到木質(zhì)素改性木材的微通道中，得到具有理想圖案的透明木材。

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透明木材的落地量產(chǎn)

胡良兵擔(dān)任聯(lián)合創(chuàng)始人的 InventWood 公司，正在對(duì)該材料進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。比較常見的應(yīng)用場(chǎng)景，如機(jī)場(chǎng)墻體、博物館墻壁、玻璃屋頂、以及室內(nèi)天花板，美觀木材可以很好地滿足這些場(chǎng)合的美觀度要求。

目前，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室做出了尺寸為 320mm * 170mm * 0.6mm 的樣品。據(jù)介紹，美觀木材的實(shí)驗(yàn)室制備成本很便宜，未來(lái)有望大規(guī)模制備。美觀木材距離真正應(yīng)用到公眾的生活中，仍需要一定時(shí)間。目前，實(shí)驗(yàn)室專利已經(jīng)轉(zhuǎn)移到公司，有望解決量產(chǎn)問題，從而加速落地。

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透明木材的應(yīng)用研究

現(xiàn)有研究多集中在電子設(shè)備、光學(xué)器件、住宅節(jié)能建筑及功能性裝飾材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2017年，科學(xué)家將CsxWO3納米粒子分散在預(yù)聚合的甲基丙烯酸甲酯中，并將上述聚合物填充于脫木質(zhì)素木模板的納米孔隙中。透光率達(dá)到86%，霧度達(dá)90%的透明木材替代玻璃用作隔熱窗的材料既可以提供全天照明，又可以保護(hù)隱私，對(duì)近紅外的屏蔽性有利于降低住宅建筑對(duì)空調(diào)等能源的損耗，節(jié)能減排。

2019年，透明木材制備逐漸由薄木向厚木發(fā)展?？茖W(xué)家提出采用2-5cm厚的半透明木質(zhì)材料作為房屋模型的墻體材料，期間為了有效收集陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明的一致性和均勻性，采用水蒸氣脫木質(zhì)素和環(huán)氧樹脂浸漬法制備符合材料。

透明木材也是一種有益的功能性裝飾材料。

吳燕等為增強(qiáng)研究的實(shí)用性與有效擴(kuò)展家居裝飾材料種類，研究采用多種密度不同但較為常見的樹種，通過用折射率匹配的預(yù)聚合甲基丙烯酸甲酯直接浸漬木材的細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙來(lái)制備透明木材。在此過程中，保留了木質(zhì)素，使得透明木材制備過程縮短，更為節(jié)能，并且制得的透光木材不僅透光，還保留了天然木材的色澤和紋理，具有創(chuàng)新性。

2019年，林詩(shī)琦等發(fā)明高區(qū)率透明木材制備技術(shù)，先將脫木質(zhì)素模板浸漬于樹脂中，后彎曲塑形，再固化獲得一種高區(qū)率透光木材。木材的曲面穩(wěn)定且具有優(yōu)異的機(jī)械性能，透光率可達(dá)85%以上，該技術(shù)為透明木在功能性裝飾材料方面的應(yīng)用增加了塑形能力。

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