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传统透明木材颜色单一,难满足个性化需求。研究人员以椴木为原料,经脱木质素、三原色活性染色及 UV 树脂浸渍固化,制备出彩色透明木材(RTW)。RTW-Y 透光率达 77.6%,RTW-R 拉伸强度 83.41 MPa,耐黄变性能优于传统透明木材,为家居、照明等提供新型生物质材料。
木材作为一种可再生的生物质资源,凭借低密度、高模量、高强度、高韧性、无毒、可生物降解及易加工等显著优势,在家具制造、建筑、工艺品和汽车内饰设计等领域得到广泛应用。然而,木材作为生物质材料存在固有缺陷,如尺寸稳定性差、易燃、易受虫害和腐蚀等,这些问题严重限制了其应用范围和进一步发展。
为改善木材性能,研究人员开展了热处理、酶处理、漂白等多种物理和化学改性研究,以提升木材的尺寸稳定性、耐久性和颜色稳定性,同时尝试赋予木材新的特殊功能,如超疏水木材、磁性木材和透明木材等。在透明木材领域,创新技术成功将传统木材转化为具有优异透明度的新型材料,显著拓展了其应用领域。透明木材作为新型绿色复合材料,既保留了木材的天然属性,如质轻、高强度和良好的生物降解性,又具备优异的透光率、良好的隔热性、可调雾度以及均衡的刚性和柔韧性,为设计、建筑、光学器件和电子产品等领域带来了新前景。
但目前实验室制备的透明木材多为单色,仅保留透明处理后木材的原始颜色。虽有研究通过引入特定染料或颜料开发彩色透明木材,但这些彩色透明木材缺乏丰富的色彩体系,部分还需特定条件才能显色,难以满足市场个性化需求。在此背景下,开发具有可调色特性的彩色透明木材成为研究焦点。
南京林业大学的研究人员开展了相关研究,成功制备出具有可调色特性的彩色透明木材,并将研究成果发表在《Materials Today Communications》。该研究为家居装饰、照明、汽车内饰等领域的个性化定制提供了一种新型生物质功能材料选择。
研究采用的主要关键技术方法如下:以椴木(尺寸 50 mm×50 mm×0.5 mm)为原料,通过脱木质素处理去除木材中的木质素及大部分发色团,形成多孔木材结构;随后进行三原色活性染色,使用活性红(M-3BE)、活性黄(M-3RE)和活性蓝(M-2GE)实现颜色调控;最后采用 UV 树脂浸渍 - 固化工艺,向多孔结构中填充透明材料,以降低光散射并增强透明度。同时,运用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、光学性能测试、力学性能分析等手段对材料理化性能进行系统表征。
化学结构与成分分析
通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)对原始木材(OW)和脱木质素后的木材(DW)进行分析。结果显示,原始木材在 3330 cm?1(O-H 伸缩振动)、2919 cm?1(C-H 伸缩振动)、1733 cm?1(半纤维素中乙酰基伸缩振动)、1593 cm?1(C=O 伸缩振动)、1505 cm?1(芳香族木质素酚羟基伸缩振动)和 1031 cm?1(木质素中 C-H 面内弯曲振动)处出现特征峰,与先前研究一致。脱木质素后,木材在 1593 cm?1 和 1505 cm?1 处无明显特征峰,证实木质素已被成功去除,其他特征峰则得以保留。
光学性能研究
研究制备的彩色透明木材保留了传统透明木材的高透光率优势。其中,黄色透明木材(RTW-Y)在 350–800 nm 波长范围内的最大透光率达到 77.6%,表明该材料具有优异的光线透过能力,能够满足对透光性有较高要求的应用场景。
力学性能分析
力学性能测试结果显示,红色透明木材(RTW-R)的拉伸强度达到 83.41 MPa,高于未处理木材的 63.03 MPa 和传统透明木材的 67.48 MPa。这表明该彩色透明木材在力学性能方面不仅未因染色等处理而下降,反而得到了提升,具备了更广泛的实际应用潜力。
耐黄变性能评估
经过 36 小时的光照试验,彩色透明木材(RTW)的色差为 20.23,略低于传统透明木材的 23.30。这一结果表明,该彩色透明木材具有良好的耐黄变性能,能够在长期使用过程中更好地保持外观稳定性,延长使用寿命。
颜色调控能力验证
通过三原色混合实现了彩色透明木材的颜色调控能力。研究制备了混合染料彩色透明木材(RTW)和单色染料彩色透明木材(RTW-R、RTW-Y、RTW-B),丰富了透明木材的色彩体系,满足了个性化定制的需求。
该研究通过脱木质素、三原色活性染色和 UV 树脂浸渍 - 固化工艺,成功以椴木为原料制备出具有可调色特性的彩色透明木材。该材料不仅保留了传统透明木材的高透光率和生物降解性等优势,还在力学性能和耐黄变性能方面表现出色。
其重要意义在于:一是通过三原色混合技术实现了透明木材的颜色可调,解决了传统透明木材颜色单一的问题,丰富了透明木材的色彩体系;二是材料在透光率、拉伸强度等关键性能指标上表现优异,其中 RTW-Y 最大透光率达 77.6%,RTW-R 拉伸强度高于未处理木材和传统透明木材;三是良好的耐黄变性能确保了材料在长期使用中的外观稳定性。
这些特性使得该彩色透明木材为家居装饰、照明、汽车内饰等领域的个性化定制提供了新型生物质功能材料选择,拓展了透明木材的应用范围,推动了生物质材料在功能化和个性化方向的发展。未来,这类材料有望在更多领域发挥重要作用,为绿色环保材料的创新应用贡献力量。