绿色节能窗户一种透明、坚固且隔热的透明木材

马里兰大学的胡良兵教授团队开发了一种高清晰度、可生物降解的透明木材，可用于绿色节能窗户。

当今社会，调节建筑物温度消耗了大量的能源。在寒冷的天气中，四分之一的调节用能耗是通过传统玻璃窗消耗的。

透明复合材料的开发可以提供更高的能源效率的窗户材料。透明木材在热和光管理方面表现出理想的性能，是很有前景的建筑材料，近几年受到研究人员的广泛关注。

近期，马里兰大学的胡良兵教授团队结合他们之前在木材研究方面取得的丰硕成果，制备出了一种性能更好的最新透明木材，可以被用作节能的窗户材料。该成果以“A Clear, Strong, and Thermally Insulated Transparent Wood for Energy Efficient Windows”为题，发表在期刊Adv. Funct. Mater.上。

透明木材的制备示意图及其优异性能

首先，他们采用次氯酸钠（NaClO）漂白工艺来完全去除木质素和大部分半纤维素，从而生产出直径小于可见光波长的纳米级纤维素纤维。再将聚乙烯醇（PVA）渗透到多孔纤维素支架中，形成致密结构。

优点

（1）高透光率（91%），与玻璃相当；

（2）清晰度高、雾度很低（15%）；

（3）高韧性，比标准玻璃高出3个数量级；

（4）导热系数低，比玻璃低5倍以上；

（5）可持续的材料，具有低的碳排放和结垢能力。

透明木材的微观结构

a）3D中孔木材的扫描电子显微镜（SEM）图像；b-c）天然木材和脱木质的俯视SEM图像；d）具有高透射率和低雾度透明木材的照片；e-f）聚合物卷起的透明木材的SEM图像；g）微型通道壁的放大图，其中可以观察到对齐的纳米纤维素纤维。

透明木材的光学和机械性能

a）交叉偏振器之间的各向异性透明木材的示意图；b）样品的极化效应；c）标准化的x和y方向的散射光强度分布；d）对比纯聚合物（PVA）和透明木材的光学性能；e）透明木材以及通过不同工艺和木材种类制备的其他透明木材的光度与透射率的关系；f）天然木材（NW）和透明木材（TW）在径向和轴向上的实验应力-应变曲线；g-h）天然木材、环氧透明木材、玻璃和PVA透明木材之间的强度和韧性比较。

对比透明木材与玻璃的隔热性能

a）单窗格透明木材的透光率和反射率；b）基于两层透明木材的双层玻璃系统的中心U系数和太阳热增益系数与不同空气厚度的关系；c）基于Energy Plus 8.2.0中的简单窗口模型；d）美国DOE基准以上的美国大陆的加热节能模式。

在DOE基准上的双窗格透明木质窗户的节能模型

a）单窗格透明木材的透光率和反射率；b）基于两层透明木材的双层玻璃系统的中心U系数和太阳热增益系数与不同空气厚度的关系；c）基于Energy Plus 8.2.0中的简单窗口模型；d）美国DOE基准以上的美国大陆的加热节能模式。

综上所述，该团队开发了一种高清晰度、可生物降解的透明木材。其可以组装成具有各种优异性能的可伸缩材料，从而使这种可持续的材料非常有希望被用作一种透明的节能建筑材料。这种透明木材同时具有低雾度（15％）和高透射率（91％）的优异性能。同时，该透明木材表现出高的机械性能和低质量密度，进一步降低了玻璃窗的相关安全风险。此外，其具有良好的耐热性和较低的热导率，从而提高了能源效率。

总之，这种可伸缩、高清晰度、坚固且隔热的透明木材非常有助于开发具有许多环境和经济利益的节能建筑材料。

参考文献

Mi, R., et al., A Clear, Strong, and Thermally Insulated Transparent Wood for Energy Efficient Windows. Advanced Functional Materials, 2019.

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