可持续透明竹材/W-VO复合材料在太阳能调节与节能建筑中的应用

《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Sustainable Transparent Bamboo/W-VO 2 Composites for Solar Modulation and Energy-Efficient Buildings

可持续建筑材料的开发需要兼顾结构性能与光热调控功能。本研究通过选择性脱 lignin 和定向加压制备出高透明度（78%）和力学强度（870 MPa）的透明竹材，其高 haze（>90%）特性可均匀分布自然光，降低人工照明需求。进一步集成钨掺杂钒氧化物（W-VO?）纳米颗粒，实现9.7%的动态光热调控，有效调节建筑室内温度，减少HVAC能耗。生命周期评估表明，该材料在碳排放、资源消耗等方面优于传统水泥和玻璃。研究为建筑节能提供了兼具环保性、机械强度与智能光热调控的创新解决方案。

　　在当今社会，随着全球能源需求的不断上升以及对可持续发展的高度重视，建筑行业正面临前所未有的挑战和机遇。建筑能耗占全球总能耗的约40%，其中超过10%的年用电量与空调、通风和采暖系统有关。这一比例预计将在未来几十年内显著增长，促使研究人员探索更节能、环保的建筑材料。透明材料因其能够有效利用自然光、降低人工照明依赖性，以及在调节室内温度方面具有潜在优势，成为替代传统玻璃的理想选择。然而，目前市场上的透明材料往往存在成本高、加工复杂、环境友好性不足等问题。因此，开发一种兼具高强度、高透明度和良好热调节性能的可持续建筑材料，成为当前研究的热点之一。

本文介绍了一种创新的方法，用于制造具有优异机械性能和高透明度的透明竹材，并进一步通过集成钨掺杂二氧化钒（W-VO?）纳米颗粒，赋予其动态太阳能调节能力。这种材料不仅在光学性能上表现出色，还具有良好的热绝缘性和环境友好性，为建筑节能提供了新的解决方案。透明竹材的制备过程主要包括选择性脱木质素和定向压合，以实现纤维素纳米纤维的有序排列。通过这一过程，研究人员成功地制造出大面积的透明竹材，其在可见光范围内的透光率高达78%，同时具有超过90%的雾度，能够均匀分布自然光，减少对人工照明的依赖。此外，这种材料还表现出良好的机械强度和硬度，其抗冲击性能显著优于传统玻璃，且具有较高的热调节能力，能够在炎热地区有效降低室内制冷负荷。

透明竹材的制备过程相对简单，避免了传统方法中需要分离纤维素纳米纤维的繁琐步骤。研究人员使用过氧乙酸溶液对竹材进行脱木质素处理，随后通过定向压合形成致密结构。这种方法不仅节省了时间和能源成本，还降低了对化学试剂的依赖，使得整个过程更加环保。脱木质素处理后的竹材，其纤维素纳米纤维在压合过程中保持原有方向，形成紧密排列的结构，从而显著提升了其机械性能。这种结构的形成，使得透明竹材在承受外力时表现出更强的抗拉和抗弯能力，同时在光学性能上也实现了突破。高透光率和高雾度的结合，使得透明竹材在白天能够有效引导光线进入建筑内部，而在夜晚则能保持良好的隔热性能，减少热量传递。

在进一步提升透明竹材性能方面，研究人员引入了W-VO?纳米颗粒，以实现动态太阳能调节功能。W-VO?纳米颗粒具有可逆的金属-半导体相变特性，能够在温度变化时调节其对近红外光的透射率。这种特性使得透明竹材在高温时能够有效阻挡太阳辐射，降低建筑内部的热负荷；而在低温时则允许光线透过，从而实现被动太阳能加热。这种智能光热调控能力，使得透明竹材不仅能够满足建筑对自然光的需求，还能有效调节室内温度，提升整体的能源效率。此外，透明竹材的热导率显著低于传统玻璃，进一步增强了其热绝缘性能，从而减少了空调和采暖系统的使用频率，降低了建筑的碳排放。

为了验证透明竹材在实际建筑中的应用潜力，研究人员进行了能量节约模拟实验。他们使用EnergyPlus软件对不同气候区的建筑模型进行了分析，包括哈尔滨（严寒）、北京（寒冷）、南京（夏热冬冷）、昆明（温带）和广州（夏热冬暖）等城市。结果显示，透明竹材在夏热冬暖地区表现出最佳的能量节约效果，其年节能率可达5.58%，而相比之下，寒冷和严寒地区的节能效果较为有限。这一结果表明，透明竹材在高温环境中具有更显著的节能优势，尤其是在需要大量制冷的地区。同时，研究人员还对透明竹材的全生命周期进行了评估，包括从原材料获取到产品制造的整个过程。结果显示，透明竹材在多个环境影响指标上优于传统建筑材料，如水泥和玻璃。其在健康影响、生态影响、全球变暖潜力、化石资源稀缺性、臭氧层破坏和臭氧形成等方面均表现出较低的环境负担。

在实际应用中，透明竹材的制备过程具有良好的可扩展性，能够满足大规模生产的需求。通过简单的压合技术，研究人员成功制造出大面积的透明竹材，其尺寸可达82 cm × 29 cm × 0.1 cm。这种材料不仅能够用于窗户，还可以作为建筑的其他结构部件，如墙体、地板等。透明竹材的高透光率和良好热调节能力，使其成为建筑节能的理想选择。特别是在需要大量自然光进入建筑内部的地区，透明竹材能够显著降低人工照明的需求，从而减少能源消耗。同时，其动态光热调控能力，使得建筑在不同季节和气候条件下都能保持舒适的室内温度，减少对空调和采暖系统的依赖。

从环境角度来看，透明竹材的制备过程符合可持续发展的理念。竹子作为一种快速生长的植物，其生长周期短、再生能力强，是一种可再生资源。通过选择性脱木质素和定向压合，研究人员能够最大限度地保留竹材的天然成分，同时去除不必要的木质素，从而减少对环境的负担。此外，透明竹材在使用寿命结束后，可以通过生物降解实现资源的循环利用，而W-VO?纳米颗粒则可以在自然微生物降解过程中被回收，进一步减少废弃物的产生。这种闭环式的资源管理方式，不仅提高了材料的环境友好性，还为建筑行业的绿色转型提供了新的思路。

在光学性能方面，透明竹材表现出优异的透光性和雾度。其高透光率使得自然光能够有效进入建筑内部，而高雾度则能够均匀分布光线，减少眩光和视觉不适。通过不同方向的叠层设计，研究人员进一步优化了透明竹材的光学性能。例如，当两层透明竹材以平行方向叠放时，其透光率可达71%，而以垂直方向叠放时则为64%。然而，无论哪种叠放方式，透明竹材的雾度均接近90%，确保了光线的均匀分布。这种特性使得透明竹材在建筑窗户的应用中具有显著优势，能够有效利用自然光，同时减少对人工照明的依赖。

此外，透明竹材的机械性能也得到了显著提升。在脱木质素和压合处理后，其抗拉强度和抗弯强度均远高于天然竹材。例如，透明竹材的抗拉强度可达870 MPa，而天然竹材仅为288 MPa。同时，透明竹材的硬度也显著提高，使其在建筑应用中具有更高的耐用性和安全性。这种机械性能的提升，使得透明竹材能够承受各种外部压力和冲击，避免了传统玻璃易碎的缺点。通过不同方向的叠层设计，研究人员还能够进一步优化透明竹材的机械性能，使其在不同方向上的强度更加均衡。

在实际应用中，透明竹材的性能优势使其成为建筑节能的理想材料。其高透光率和良好热调节能力，能够有效降低建筑的能源消耗，同时提升居住舒适度。通过模拟实验，研究人员发现，在夏热冬暖地区，透明竹材的节能效果尤为显著。其年节能率高达5.58%，而相比之下，传统玻璃窗户的节能效果则较为有限。这种节能效果的提升，不仅有助于降低建筑运行成本，还能够减少碳排放，为实现“2050年净零排放”目标做出贡献。

透明竹材的制备过程和性能表现，为建筑行业提供了一种全新的可持续解决方案。其结合了竹材的天然特性与现代材料科学的创新技术，不仅在性能上优于传统玻璃，还在环境友好性方面具有明显优势。这种材料的出现，标志着建筑行业在节能和环保方面迈出了重要一步。未来，随着制备技术的进一步优化和规模化生产，透明竹材有望在建筑领域得到更广泛的应用，为全球建筑节能和可持续发展提供有力支持。