简单压缩法制备高透光纯木材料：一种可持续光学材料的绿色创新路径

本刊推荐：本研究通过精确控制压缩条件（温度150-210°C，压力40 MPa），首次实现无需化学处理的半透明木材制备。该材料在600 nm波长下透光率达60%（厚度0.3 mm），杨氏模量31 GPa，强度368 MPa，其光学性能源于致密化处理对内部空隙的消除。该方法适用于软硬木，为可持续光学材料（如光控建材、电子器件基板）开发提供了新范式。

　　

引言

木材作为古老而可持续的材料，因其轻质高强、隔热性好等特性被广泛应用。近年来，通过防水、防腐、阻燃等处理实现功能化，使其在合成聚合物广泛使用的今天仍具重要价值。实现木材透明化是拓展其应用领域（如透光建材、电子器件绿色基板）的关键路径。

木材不透明的两大主因是木质素对光的吸收和内部空隙导致的光散射/多重反射。传统制备透明木材的方法需经化学处理（如NaClO₂漂白）去除木质素，再通过树脂（如PMMA）填充或自致密化消除空隙。这些化学处理可能引入环境负担，并改变木材可生物降解的特性。研究表明，实现光传输的关键在于致密化而非完全脱木素，因为木质素薄膜在长波长区仍具高透光性。

方法

材料制备以日本扁柏（Chamaecyparis obtusa）为模型，沿径向压缩。将直径40 mm、厚1-3 mm的木片置于不同湿度环境（10%-90% RH，23°C）两周调节含水量，夹于聚四氟乙烯（PTFE）板间，在40 MPa压力下热压10分钟（温度150°C、180°C或210°C），保压冷却至30°C后于0% RH环境干燥至含水量<1 wt.%。

性能表征包括D65光源总透光率（雾度计NDH 8000）、可见光透射谱（UV-vis-NIR分光光度计UV-3600 Plus）、三点弯曲试验（Instron 3365，跨度20 mm，速率7.8 mm/min）和肖氏硬度（Type-D硬度计GS-720N）。

结果

水分控制与密度变化

木片初始密度约0.43 g/cm3，热压后厚度从3 mm降至0.9 mm，密度升至1.1-1.38 g/cm3。PTFE板的使用形成半密封环境，使热压前后含水量基本不变（2.3-15.9 wt.%）。密度随温度和含水量升高而增加，源于木质素和半纤维素的热软化效应。

光学性能

压缩后木材出现透光性，180°C、初始含水量6.8 wt.%条件下性能最优。低温低含水时软化不充分，空隙导致光散射；高温高含水时虽软化良好，但木质素缩合和半纤维素热解引起 discoloration，增加可见光吸收。干燥后透光率略有下降，高含水样品因密度降低（空隙增加）下降更显著。

厚度0.9 mm时600 nm透光率约15.8%，厚度0.3 mm时升至60.0%。长波长区（>500 nm）透光率与木质纤维素薄膜相当，短波长区（<500 nm）具强吸收，适用于屏蔽有害蓝光和紫外辐射的光控材料。

力学性能与树种适用性

日本扁柏制备的透光木材杨氏模量31 GPa、强度368 MPa，超过普通塑料和硬铝合金；肖氏硬度从54升至90，相当于丙烯酸板材。该方法对日本杉（软木）同样有效，透光率相近；但对樱桃木和枫木（硬木）改善有限，可能与初始密度、结构和成分差异有关。

结论

通过控制初始含水量和热压温度，无需化学处理即可制备透光木材。该方法为可持续功能光学材料开发提供了新思路，突出压缩致密化的关键作用，适用于多种树种，推动木材在高端光学应用中的绿色转型。