2米长的光子木材问世ldquo木头

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木材,是可持续发展的功能生物复合材料。然而,木质素中的生色基团使得天然木材呈单调的棕色,对光的吸收能力很强。此外,生色基团固有的光学不稳定性也会导致木材降解,从而限制了其在光学设备和节能建筑中的应用。传统的物理和/或化学方法对木质素结构的改性侧重于对木质素粉末的非原位改性,而原位木质素工程仍然具有挑战性。

近日,美国马里兰大学的胡良兵教授团队受到木质素独特的紫外线吸收和光激发的启发,通过一种简单、快速且可扩展的紫外线辅助光催化氧化方法,对木材中的天然木质素进行原位化学修饰,制造出一种木质素含量可保留80%以上的“光子木材”。相关成果以“InSituLigninModificationtowardPhotonicWood”为题在国际顶尖学术期刊《先进材料》(AdvancedMaterials)上发表。

图1.光学性能优异、图案可调的光子木材设计。(A)光子木材制备的示意图。B)光子木材的图案印刷步骤。(C)光子木材和脱木素木材之间的性能比较。(D)光子木材的照片。

他们通过裂解共轭双键可以除去木质素的生色基团,同时保留芳香族骨架,从而继续提供机械强度(图1)。垂直排列的木质通道可以让H2O2和紫外线有效地渗透到木材结构中,实现快速、深入的脱色。该过程可在1~6.5小时内完成,渗透深度可达15毫米。利用H2O2的印刷结合紫外辐射可对木材进行选择性脱色,从而直接在木材上产生图案。

图2.光子木材的制备工艺及形成机理。

木质素具有许多光不稳定的生色基团(例如醌基和共轭双键),易于吸收紫外线的高能光子以产生自由基(O?/HOO?)。因此,光激发的自由基可以有效地与H2O2反应,使生色基团进行光催化氧化降解,从而消除了天然木材的褐色(图2)。实验结果表明,紫外线照射和H2O2氧化对于快速去除木质素发色团都是必需的。

图3.光子木材的结构表征。

经光催化氧化处理后,木质结构得以很好地保存。这依赖于自由基(O?/HOO?)的快速渗透以及紫外线在木质孔道中的有效传播。光催化氧化技术的优点还表现在:(1)更加环境友好;(2)处理速度快,效率高;(3)木质素保留率较高;(4)抗紫外线能力强。

图4.光子木材在湿润环境下的机械性能和水稳定性。

作为机械粘合剂保留在光子木材中的木质素可以提供机械强度并防止其破坏。湿润环境下(沿生长方向上)的拉伸强度为20MPa,与未改性的天然木材基本相同,是完全脱木素的拉伸强度的20倍(1MPa)。同时,得益于木质素的疏水性和结合作用,使光子木材的微纤维交联,水分子无法破坏纤维素的氢键结构,因而具有优异的水稳定性。图5.图案化的光子木材的照片和光子木材的大规模制造。

该方法比传统的热化学浸没法具有更好的可控性和可设计性。通过紫外线辅助的光催化氧化处理,可以将中国结和星星的图案“印刷”到木材上。即便是制作长度为cm的光子木材样品,仅用1小时即可完成。

综上所述,紫外线辅助光催化氧化所获得的光子木材具有很高的光学白度(~nm范围内反射率90%),较好的完整微观结构,更高的机械强度(≈20MPa湿拉伸强度),显著的水稳定性和可扩展性(长达2m)。与脱木素木材相比,这种高效、省时的光催化制造技术具有大规模生产光子木材的潜力,可用于美学、光学设备和高效能源建筑领域。论文链接:



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