《Polymer Testing》：Innovative fabrication of high-performance transparent wood from fast-growing poplar: Enhancing optical and mechanical properties
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为应对建筑节能与照明应用的挑战，研究人员针对传统材料（如玻璃和PMMA）的局限性，开展了一种基于速生杨木的高性能透明木材创新研究。该研究通过整合脱木素、过氧化氢漂白、机械压缩和环氧树脂浸渍等工艺，成功制备出兼具高透光率（~90%）、高机械强度（拉伸强度达144.7 MPa）及优异热稳定性和疏水性的复合材料。掺入锑掺杂氧化锡（ATO）纳米粒子后，材料还具备了紫外屏蔽功能。此项工作为广告灯箱、节能窗等应用提供了一种更可持续、多功能且性能优异的生物基替代材料，具有重要的环保与应用价值。
在现代社会，建筑能耗是能源消耗的大户，其中照明和温控占了相当大的比例。利用自然光（daylighting）减少电力使用，是节能减排的有效策略。传统的透光材料——玻璃，虽然应用广泛，但存在易碎、易产生眩光、导热系数高等问题。另一种常用材料聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate, PMMA），虽然机械性能更好、断裂更安全，但其耐热性和耐磨性较差，限制了其在广告灯箱等环境中的应用。于是，科学家们将目光投向了一种源于自然、潜力巨大的新材料：透明木材。作为一种生物基复合材料，它结合了木材的可持续性、优良的隔热性、抗冲击性，并有望实现高透明度，成为玻璃和PMMA的理想替代品。然而，要让木材“变透明”并具备实用价值，并非易事。目前的研究多使用轻木（balsa），其虽然木质素含量低、透光性好，但机械性能和阻燃性不佳。而广泛种植、生长迅速的杨木，虽然成本低、易得，但此前基于杨木制备的透明木材性能不尽如人意。此外，现有工艺往往在追求高透明度和高机械强度之间存在矛盾，且许多方法步骤复杂、可能涉及有毒试剂，难以大规模应用。那么，能否找到一种简单、高效、环保的方法，用速生杨木制备出光学和力学性能俱佳，甚至功能更强大的透明木材呢？这正是发表于《Polymer Testing》的这项研究所要回答的核心问题。
为了制备高性能的透明木材，研究人员采用了一套集成的关键技术流程。首先，以速生杨木（populus tremula）旋切单板为原料。核心制备过程包括四个主要步骤：1）使用亚氯酸钠（NaClO2）溶液进行脱木素处理，去除导致木材着色的木质素发色团；2）用过氧化氢（H2O2）溶液进行漂白，进一步去除残留发色团，提高木材白度；3）在万能试验机中进行机械压缩（致密化），将木材厚度从2毫米压缩至1毫米，以消除空隙、增加密度；4）将致密化后的木材骨架浸入环氧树脂（商品名Crystal Glue CG）中进行真空浸渍，填充残留孔隙，形成木材-聚合物复合材料。此外，为了赋予材料紫外屏蔽功能，研究还制备了经硅烷偶联剂（KH570）改性的锑掺杂氧化锡（Antimony-doped Tin Oxide, ATO）纳米粒子，并将其掺入环氧树脂浸渍液中，制得了ATO掺杂的透明木材。
1. 化学处理与颜色、成分变化
通过系统研究不同脱木素时间的影响，发现随着处理时间延长，木质素含量逐渐下降，处理5小时后降至11.36%。同时，木材颜色发生显著变化，亮度（L值）增加，红绿色度（a值）和黄蓝色度（b值）降低。后续的过氧化氢漂白处理进一步提升了木材的白度，特别是显著降低了黄度（b值），为获得高透光率奠定了基础。
2. 光学性能：高透明度、低雾度与光学各向异性
制备出的高性能透明压缩木材（Transparent High-performance Compressed Wood, THCW）展现出卓越的光学性能。其在可见光区（400-800纳米）的最大透光率高达90.18%，与PMMA（92%）相当。同时，其雾度（haze）平均值约为60.65%，相比未经压缩浸渍的透明木材（Transparent Wood, TW）降低了38%。研究还观察到透明木材具有明显的光学各向异性：当光线平行于木材纤维方向时，透射光强度高，下方文字清晰可见；当光线垂直于纤维方向时，光散射强烈，文字变得模糊。这种特性在薄膜光子学和电子学中具有应用潜力。此外，掺入ATO纳米粒子后制得的材料（ATO-doped Transparent High-performance Compressed Wood, ATHCW）在可见光区透光率略有下降，但仍保持较高水平（在700-800纳米波段达81%），并展现出优异的紫外屏蔽能力，几乎能屏蔽全部UVB波段和绝大部分UVA波段。
3. 微观结构与界面结合
扫描电子显微镜（SEM）图像清晰地揭示了不同工艺对材料微观结构的影响。未经压缩的TW样品中，聚合物与细胞壁之间存在明显缝隙，界面结合差。而经过压缩的THCW样品，细胞壁紧密结合，形成致密的层状结构，后续的树脂浸渍完全填充了残留空隙。掺入ATO的ATHCW样品，由于纳米粒子的界面改性作用，聚合物与纤维素模板之间的结合更为紧密。
4. 力学性能显著增强
力学测试结果表明，THCW的拉伸强度、杨氏模量和硬度分别达到144.7 MPa、2.92 GPa和70.1 HD。令人惊喜的是，掺入ATO纳米粒子后，ATHCW的力学性能得到进一步提升，拉伸强度、杨氏模量和硬度分别增至154.3 MPa、4.31 GPa和75.6 HD。这些数值均显著高于PMMA。这种增强归因于压缩致密化促进了纤维素纳米纤维间氢键的形成，以及ATO纳米粒子经KH570改性后改善了聚合物与纤维素模板的界面相容性，从而实现了更有效的应力传递。
5. 疏水性与热稳定性
所有透明木材样品均表现出良好的疏水性，水接触角在105-110°之间。热重分析（TGA）显示，透明木材（TW, THCW, ATHCW）在400°C左右表现出比天然木材、脱木素木材等更好的热稳定性。这得益于环氧树脂与纳米纤维素模板之间的强键合形成的致密结构，抑制了环氧链的降解和纤维素的分解。ATO纳米粒子的加入并未改变材料的热降解行为。
6. 综合性能对比与环境效益
研究将THCW和ATHCW与PMMA在透光率、拉伸强度、杨氏模量、硬度、接触角、阻燃性等多个维度进行了全面对比。结果显示，透明木材在除透光率（略低3%）外的几乎所有性能指标上均优于PMMA。初步的碳排放评估表明，生产THCW和ATHCW的碳排放分别为2.53 kg CO2e/kg左右，而生产PMMA的碳排放高达8.29 kg CO2e/kg，透明木材的环保优势显著。
本研究通过整合脱木素、漂白、机械压缩和环氧树脂浸渍这一创新流程，成功从速生杨木中制备出高性能透明木材。该材料实现了光学性能与力学性能的协同提升，其透光率可达约90%，拉伸强度超过144 MPa。通过掺入ATO纳米粒子，材料在保持优异光学性能的同时，获得了有效的紫外屏蔽功能，且力学性能得到进一步增强。所制备的透明木材还具备良好的疏水性、热稳定性和较低的导热系数。与广泛使用的PMMA相比，这种基于杨木的透明木材在绝大多数性能上表现更优，且生产过程的碳排放显著更低。这项工作打破了透明木材研究中常见的性能权衡瓶颈，为广告灯箱、节能窗户等应用提供了一种更加可持续、多功能且综合性能出色的生物基材料替代方案，在推动绿色建筑和节能照明材料发展方面具有重要意义。
