CN108699420A - 透明木材复合物、系统及制造方法 - Google Patents

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Abstract

已经开发出高度透明(高达92％的透光率)的木材复合物。制造透明木材复合物的方法包括去除木质素，然后进行折射率匹配聚合物浸润，这导致制造出具有保留的自然排列的纳米级纤维的透明木材复合物。透明木材复合物的厚度可以通过控制初始木质基材的厚度来调整。可以通过选择具有不同折射率的浸润性聚合物来调整光学透射率。透明木材复合物在可生物降解电子设备、光电设备以及结构和节能建筑材料中具有广泛应用。通过在GaAs薄膜太阳能电池的表面上涂覆透明木材复合层，已经获得了18％的总能量转换效率增强。

Description

透明木材复合物、系统及制造方法
关于联邦政府资助研究或开发的声明
本发明是在AFOSR授予的FA95501310143的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
相关申请的引用
本发明专利申请是基于2016年2月4日提交的临时专利申请号62/291151。
技术领域
本发明涉及光传输系统，并且具体地涉及基于木材的光传输系统。
甚至更具体地，本发明涉及各向异性透明木材介孔复合物，其在400nm与1100nm之间的宽波长范围内具有独特的光学性质，其可用于广泛的光电系统和光子系统，其中光管理对于增强的运行效率至关重要。所述系统提供高机械强度和延展性，并且可以用作节能建筑材料用于引导阳光透射率和有效隔热。
本发明还涉及一种在两阶段工艺中制造透明木材复合物的方法，包括从天然木材的低弯曲度通道中提取木质素(在第一阶段中)，然后是使用折射率与通道壁的含纤维素材料的折射率基本上匹配的一种或多种材料来浸润无木质素木块的第二阶段。
另外，本发明涉及使用宽范围光管理层的光电系统，所述宽范围光管理层以成本有效的方式与一种或多种各向异性透明木材复合物一起形成。
本发明还涉及用于使用透明木材复合物引导阳光透射率和有效隔热的节能建筑材料，当安装作为窗户和/或屋顶的替代物时，其有效地利用光来实现一致和均匀的室内照明。
背景技术
木材是一种广泛使用的结构材料，由于其自然生长过程中形成的独特结构，其具有优异的机械性能。根据其类型和地理差异，不同的木材显示出各种介孔结构。例如，软木典型地由于其快速生长而具有更多孔结构。与软木相比，硬木通常具有更致密的结构和更高的密度。虽然不同木材中的大尺度结构可能有很大差异，但木材的介孔结构在其层次化结构中共享相似性。
由于存在许多排列的天然内部通道，木材的一个突出特点是它们的结构各向异性。树干中垂直排列的内部通道用于通过木干泵送离子、水和其它成分以满足树木进行光合作用的需要。
典型的木材主要由纤维素和半纤维素纤维以及木质素构成。木材细胞纳米纤维和微纤维沿生长方向自然排列并形成内部通道的壁。纤维的尺寸典型地为：长度为3mm到5mm并且直径为小于10μm到50μm。纤维素纳米纤维的排列以及木材中生物聚合物之间的强相互作用由于木质素而增强，木质素充当基质粘合剂，形成典型的纤维增强的各向异性介孔结构。每根木材细胞纤维含有多个微纤维，且每个微纤维可进一步分解成纳米尺寸的纤维。木材可以直接用作结构材料，或者可以作为提取纤维素微纤维的丰富来源，制成非透明纸，其在日常生活中广泛使用。
最近，研究人员开始研究来自木材的生物聚合物的新兴应用，特别是纤维素纳米纤维(CNF)和纤维素纳米晶体(CNC)。CNF和CNC对于包括绿色电子、储能和生物设备的广泛的新应用极具吸引力。同时，作为制浆过程的副产物的木质素已被探索为用于制造高性能碳或储能电极的潜在低成本材料。
天然木材不透明主要有两个原因。首先，天然木材具有散射可见光范围内的光线的微小尺寸通道。其次，木质素浸润性木材(以质量计，高达30％)吸收可见光并导致大多数木材的不透明外观。
木材中的两种主要成分(纤维素和半纤维素)是具有极低光吸收的绝缘聚合物。它们的光学透射率可以定制为与塑料和玻璃一样清晰，或者对于不同的应用是模糊的。然而，从木材中提取CNF是一种耗能且耗时的过程。
光管理对于改进光电器件至关重要。例如，已经开发了一系列光捕集策略，例如纳米锥结构、纳米圆顶阵列、纳米管格子、纳米线以及金属纳米颗粒，其增加了活性层中的光传输路径以有效地增加器件的能量转换效率。生物启发的方法也被用于设计用于光捕集的先进纳米结构。
透明光学材料是基于太阳能的能量转换设备最重要的构件之一，其中玻璃长期以来一直是传统材料。为了实现光学系统的灵活性，塑料已被成功地探索作为光学器件集成的玻璃替代品。然而，塑料基材具有固有的问题，例如热稳定性差、难以官能化以及添加堆填区的废物。由于其丰富、独特的层次化结构、丰富的表面化学和使用发展良好的木材加工，因此介孔木纤维在性质上对于光子学而言是理想的。自然建造的木材具有独特的介孔结构，其可以产生诸如优异的机械强度和水和离子的有效输送的有利性质。
在美国能源部(DOE)的推动下，建筑物的能源消耗2020年将减少20％，并将50％作为长期目标。用于照明和热舒适的能源占住宅和商业建筑总能耗的50％以上。因此，特别是在白天节约空调和照明使用可以节省大量成本。阳光是满足大多数日常生活需求的最佳、最自然的光线。窗户在建筑物内的能源管理中发挥着关键作用。玻璃是最常用于阳光收集的窗户用材料。然而，玻璃窗户存在以下问题：
(1)玻璃经常产生遮蔽效应和令人不适的眩光。为了在建筑物内部产生有效、均匀和一致的室内照明，光收集窗户需要产生有效的定向散射，包括在可见光范围内的高透明度和在向前方向上的大散射效应。用于实现定向散射的当前策略通常涉及基于米氏散射或其它共振散射效应的复杂纳米结构，其中必须精细调整纳米结构的尺寸。因此，这种技术对于大规模商业应用显示出有限的能力。
(2)由于玻璃固有的高导热性，因此用于加热或冷却建筑物的能量的三分之一通过低效的玻璃窗户而损失。
(3)玻璃高度易碎并在突然撞击时破碎，这可能导致安全问题。
与玻璃相比，木材是一种具有优异机械强度的天然热绝缘体，几千年来一直被用作房屋和小屋的结构材料。纤维素、半纤维素和木质素之间的层次化结构和强相互作用导致木材具有优异的机械性能。然而，由于光吸收木质素和微小尺寸散射细胞腔，因此天然木材不透明。
如果木材可以使其透明的方式制造，那么它将在从日常用途(如例如，木制家具)到更先进的应用(诸如汽车中的结构材料、建筑材料和光电设备等)的广泛应用中发现它的有用性。
非常希望以成本有效的方式制造基于木材的光管理材料作为用于光电器件的有吸引力的平台，其具有高效的宽带光管理以增强能量转换设备(如例如，薄膜太阳能电池和光电化学电池)中的有源层内的光捕集，以及制造透明和半透明的木材复合物，其可用作用于日光收集和隔热的节能建筑材料。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种透明木材复合物，所述透明木材复合物以成本有效的方式制造并显示出非凡的各向异性光学和机械性能，所述透明木材复合物可以用作光电设备中的基于木材的光管理材料、用于众多能量转换设备(如例如，薄膜太阳能电池和光电化学电池)以及用作建筑材料以有效地收集阳光来提供一致且均匀的室内照明。
通过新型两阶段制造工艺首次制造了透明木材复合物，通过从天然块预切割的木块中去除木质素，然后用一种或多种折射率匹配聚合物浸润无木质素木块以实现木块的高光学透明度。取决于木块切割的方向，可以制造不同类型的透明木材复合物，其中木材中的天然内部通道垂直于木材切割平面或沿木材切割平面或者以它们之间的其它成角度关系排列。
已经在两种类型的主题木材复合物中研究了结构-工艺-性质的关系，并且发现由于横向切割和纵向切割样品中沿开放内部通道的木质素去除和聚合物浸润的独特动力学，横向切割和纵向切割木材样品的制造过程需要不同的制造方案。由此产生的木材复合物保持了纤维素在细胞(通道)壁内的原始排列结构，并显示出非凡的各向异性光学和机械性能。
一方面，本发明涉及一种透明木材复合物，其包括：
预定尺寸的木块，其与天然木材的天然内部通道的方向成预定角度关系地从所述天然木材预先切割并经过处理以从其中去除所述天然木材的木质素；以及
填充聚合物，其折射率与所述内部通道的所述壁的含纤维素材料的折射率基本上匹配并且基本上完全浸润无木质素木块的所述内部通道。
所述预切割木块配置有上部切割平面和底部切割平面，所述上部切割平面和所述底部切割平面彼此间隔开100μm或更大的预定距离，例如，对于不同的应用，范围大约在100μm与1.4cm之间。上部切割平面和底部切割平面中的至少一个以与天然内部通道交叉的关系延伸或基本上沿其延伸，或者以其之间的其它角度关系延伸。
所述填充聚合物具有接近纤维素的折射率的折射率，即1.48，并且具体地被选择为在λ＝550nm的光波长下具有约1.53的折射率。
填充聚合物可以选自包含以下项的一大组材料：
热固性聚合物，如例如，聚酯玻璃纤维、聚氨酯聚合物、硫化橡胶、胶木、热固性塑料(Duroplast)、脲醛、三聚氰胺树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、聚酰亚胺和双马来酰亚胺、氰酸酯或聚氰尿酸酯、呋喃树脂、聚酯树脂、硅酮树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯树脂、环氧(环氧化物)树脂、酚醛(PF)树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺、聚氨酯(PUR)树脂、硅酮树脂、乙烯基酯树脂；
热塑性聚合物，如例如，丙烯酸、ABS、尼龙、PLA、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、特氟龙；
纤维素衍生物，如例如乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、三乙酸纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、溶解纤维素、纳米原纤化纤维素、纤维素纳米晶体；
功能折射率匹配材料，如例如液晶、压力/温度传感材料、压电材料；
以及无色聚合物纳米胶、低粘度透明液体环氧树脂前体、树脂与非发白脂环族硬化剂的混合物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(乙烯醇)(PVA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
另一方面，本发明涉及一种基于木材的光传输系统，其包括：至少一个透明木材复合构件，所述至少一个透明木材复合构件由至少一个木块形成，所述至少一个木块与天然木材中的天然内部通道的方向成预定角度关系地从所述天然木材预先切割并经过处理以从其中去除木质素从而形成无木质素木块；以及
填充聚合物，其具有与所述天然内部通道的壁的含纤维素材料的折射率基本上匹配的折射率并且基本上完全浸润所述无木质素木块中的所述天然内部通道。
所述透明木材复合构件具有上部平面和底部平面。所述预定角度关系在所述内部通道的所述方向与所述透明木材复合构件的所述上部平面和所述底部平面中的至少一个之间构成例如大约90°的角。可替代地，所述上部平面和/或所述底部平面沿与所述透明木材复合构件中的所述天然内部通道的所述方向基本上重合的方向切割。本主题系统和方法中还设想了木块的平面与间隔通道之间0°与90°之间的其它角度关系。
所述透明木材复合构件可以被配置成厚块或薄块或长度为1mm或更大、宽度为1mm或更大且厚度为100μm或更大的层。
所得透明木材复合构件在400nm到1100nm的可见光波长范围内具有范围大约为80％到95％的透光率以及范围大约为80％到100％的光学雾度。光学性质取决于但不唯一地取决于浸润材料的选择。
本主题的基于木材的光传输系统可以形成具有高级光管理的光电系统，包含光子系统、太阳能电池、光检测器、显示器和广角照明系统中的至少一种。
当用于包含光学有源层的太阳能电池中时，透明木材复合构件(被成形为厚度范围在100μm与3mm之间的薄层)被设置成与光学有源层光学接触。入射到透明木材复合构件上的光在到达太阳能电池中的光学有源层之前沿着光路穿过所述透明木材复合构件散射。
可替代地，本主题的基于木材的光传输系统可以用作光收集建筑结构，所述光收集建筑结构具有断裂强度为23.5-45MPa的高机械强度和所制造的透明木材复合构件的高延展性。机械性质取决于但不唯一地取决于浸润材料的选择。
在另外的方面，本发明涉及一种制造基于木材的光传输系统的方法，所述方法包括以下步骤：通过以下步骤来制造透明木材复合构件：
(a)与天然木材的天然内部通道成预定角度关系地从所述天然木材预先切割木块，其中所述天然内部通道具有由含纤维素材料形成的壁并且填充有木质素，
(b)从所述木块的天然内部通道中基本上完全去除所述木质素，从而形成无木质素木块，以及
(c)在所述木质素去除后，用填充聚合物来浸润所述无木质素木块中的所述天然内部通道，所述填充聚合物具有与所述内部通道的所述壁的所述含纤维素材料的折射率基本上匹配的折射率。
在所述步骤(b)中，本主题的制造方法假设：
通过将在去离子水中是浓度为2.5mol/L的NaOH溶液与在去离子水中的浓度为0.4mol/L的Na2SO3溶液混合来制备木质素去除溶液，
将所述预切割木块在所述木质素去除溶液中浸泡和煮沸约12小时，
在热蒸馏水中冲洗所述预切割木块，
在含有在蒸馏水中的2.5mol/L的H2O2的漂白溶液中浸泡并煮沸(避免搅拌)经冲洗的预切割木块，直到所述预切割木块的颜色消失，从而获得无木质素木块，
用冷水冲洗所述无色无木质素木块，以及
在乙醇溶剂中保存所述无色无木质素木块。
其它木质素去除化学品(广泛用于造纸工业)包括但不限于NaOH+Na2SO4(煮沸)(+H2O2)、NaClO、H2O2、NaClO2+乙酸、NaOH(+H2O2)、NaOH+Na2S(+H2O2)、Na2S2O4+ZnS2O4、ClO2、CH3COOOH、H2SO5、CH3COOOH+H2SO5。
在所述步骤(c)中，本主题的制造方法进一步包含：
将所述无木质素木块浸入处于其液相的所述填充聚合物中，
在约200Pa的压力下将所述液体填充聚合物脱气约5-10分钟以从所述无木质素木块中去除气体和乙醇溶剂，
将大气压力施加到所述液体填充聚合物以促进内部通道浸润过程，
重复所述大气压力施加预定次数，从而获得浸入所述液体填充聚合物中的所述聚合物浸润的木块，
将所述聚合物浸润的木块保持在所述填充聚合物中在约30℃-60℃下不受干扰约12小时直到所述液体填充聚合物固化，以及
将所述聚合物浸润的木块从所述固化的填充聚合物剥离，从而获得所述透明木材复合构件。
本主题方法进一步设想了以下步骤：
将所述透明木材复合构件放置在太阳能电池的光学有源层上与其蔓延性接触，从而形成夹层结构，以及
在室温下干燥所述夹层结构，以将所述透明木材复合构件牢固地附接到所述太阳能电池。
本主题方法还设想了以下步骤：
将所述透明木材复合构件在至少一个窗户或屋顶的位置处附接到建筑物，以用作能够提供改进的隔热和日间光收集的节能建筑材料。
附图说明
图1A到图1J示意性地展示了两种类型木块的制造过程，其中图1A描绘了在横向(R木材)和纵向(L木材)上预切割的木块；图1B和图1C分别示出了R木材和L木材中的内部通道，图1D和图1E分别示出了R木材和L木材中的内部通道的SEM图像，图1F示意性地描绘了本主题制造方法的木质素去除阶段，图1G和图1H分别描绘了木质素去除(过程I)和漂白程序(过程II)期间的木块的颜色变化，且图1I和图1J分别是相应于过程I和过程II中的木质素含量对时间的图；
图2A到图2E示意性地示出了横向切割的透明木材复合物的制造的本主题的方法，其中图2A示出了天然木材，图2B示出了天然木材的预切割片，图2C(以略微放大的比例)示出了相对于来自图2B的木块的内部通道在交叉方向上切出的木质素填充的木块，图2D示出了图2C的木片，其中去除了木质素，图2E示出了聚合物浸润的步骤，图2F示出了图2D的透明木块，其中用聚合物浸润木材的天然内部通道，且图2G示出了透明木材复合物；
图3A到图3D示出了扫描电子显微镜(SEM)图像，其中图3A是无木质素的木块的SEM图像，图3B是图3A的放大的无木质素的SEM图像，图3C是排列的纤维素纳米纤维的SEM图像，且图3D是聚合物填充的木材复合物的SEM图像；
图4A到图4L展示了沿内部通道在横向预切割的透明木材复合物(R木材)和沿着内部通道在纵向预切割的透明木材复合物(L木材)之间的比较，其中图4A和图4B分别示出了透明木材的两种不同的各向异性结构(横向和纵向)的透射率测量装置，图4C和图4D分别是R木材和L木材的散射光斑的照片图像，图4E和图4F分别是表示相应于图4C和图4D在X方向和Y方向上的强度分布的图，图4G和图4H分别示出了直接放置在栅格上和在栅格上方5mm处的透明的R木材样品，图4I和图4J分别示出了直接放置在栅格上和在栅格上方5mm处的L木材样品，图4K是分别表示天然R木材、天然L木材、透明R木材和透明L木材的总透射率的图，且图4L分别表示R木材复合物和L木材复合物的光学雾度；
图5A到图5H表示R木材和L木材的结构特征的比较，其中图5A和图5B分别展示了施加到透明R木材构件和透明L木材构件的机械力，图5C是分别表示天然R木材样品和透明R木材样品的实验应力-应变曲线的图，图5D是分别表示天然L木材样品和透明L木材样品的实验应力-应变曲线的图，图5E和图5F分别示出了在应力-应变测试的破裂后天然R木材和天然L木材的横截面的SEM图像，且图5G和图5H分别示出了在应力-应变测试的破裂后透明R木材复合物样品和透明L木材复合物样品的横截面的SEM图像；
图6A到图6F示出了在制造过程期间木材转变的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中图6A是示出了填充有木质素的开放通道的木块的横截面，图6B是木片的横截面的SEM图像，其中木质素被去除(所得到的白色木材示出为插图)，图6C示出木片的横截面，其中木质素被折射率匹配的聚合物代替(所得到的透明木材示出为插图)，图6D是未处理的R木材的侧视图，突出了内部微通道的排列，图6E是示出微纤维的细胞壁中的密集排列的CNF的SEM图像，且图6F是示出图6E的纤维的SEM图像,其在进一步处理之后随机分布以具有更高的对比度，表明排列的纤维被分解成随机分布的网络；
图7A至图7C示出了制造的透明木材复合物与天然木材之间的透射率的比较，其中图7A示出了不透明的木块，图7B示出了厚度为1mm的透明木材复合构件，且图7C是表示区域天然木材和透明木材复合物的总去除透射率的比较的图；
图8A是表示去除了不同百分比的木质素的木板的透射率特性的图，图8B和图8C是不同比例的木材的荧光图像，图8D到图8G是具有不同重量百分比的木质素去除水平的木材的荧光图像；
图9A到图9B示出了透明木材复合物样品的雾度特性及其在GaAs太阳能电池中的应用，其中图9A示出透明木材复合物的光散射，图9B是分别表示实验中使用的透明木材复合物样品的透射率和雾度的图，图9C是使用附接到有源层的木质透明复合物的入射到太阳能电池上的光的分布的示意图，且图9D是分别表示裸GaAs电池和具有光管理透明木材复合涂层的GaAs电池的电流密度与电压特性的关系图；
图10A到图10B示意性地示出了由本主题的透明木材复合物制成的具有透明木材屋顶的大厦(图10A)和建筑材料(图10B)，其在向前的方向上散射透射光以产生基本上均匀的照明，并且能够减少传导热流以维持基本上恒定的内部温度；
图11A是透明木材微观结构的SEM图像，图11B是在厚透明木材复合物块中引导光传播的顶视图，图11C是表示通过0.5cm厚的透明木窗在可见光波长范围内具有有效的宽带前向散射的高透射率和低反射率的图，图11D示出了入射在透明木材复合物样品上的45°激光束的透射光束模式，且图11E示出了光强度与方向X和Y方向上的散射角的关系图；
图12A是分别表示标准玻璃、透明纸和本主题的透明木材复合物的透射率百分比对雾度百分比的图，图12B是与通过透明木材复合物的均匀和舒适的照明相比，玻璃的有问题的眩光效果的照片证据，图12C是与玻璃相比较，当使用本主题的透明木材复合物作为日光收集屋顶时，房屋模型内均匀光分布的照片证据，且图12D是表示玻璃屋顶相对于透明木材复合物屋顶的光强度分布的图；
图13A是透明木材复合物中的径向和轴向热传递的图示，且图13B分别是透明木材的标准玻璃、环氧树脂、轴向和径向的测量的热导率的图；并且
图14A描绘了与具有相似厚度的透明木材复合物相比的一块标准玻璃的冲击测试，图14B分别描绘了透明木材复合物和玻璃的应变-应力曲线图，且图14C是表明透明木材复合物样品是防水的，并且在浸入水中72小时后显示没有明显的变化的照相证据。
具体实施方式
以下配合附图及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
参考图1A到图1H和图2A到图2G，通过高效且简单的方法制造透明木材复合物，所述方法包括去除光吸收性木质素以形成无木质素的木块(在图1F和图2D中最佳示出的第一制造阶段)，和用折射率匹配的聚合物回填无木质素的木块中的纳米/微米化通道(在图2E中最佳示出的随后的第二制造阶段)。通过用适当选择的聚合物(多种)填充通道，可以大大降低折射率(RI)不匹配，并且可以抑制光反射以增加木材样品的透明度。
天然木材中的界限清楚的内部通道具有低弯曲度，这允许快速去除沉积在内部通道内的有色木质素。在去除木质素后，开放的内部通道允许由一种或多种聚合物快速浸润，以减少光散射并增加木材/聚合物复合物的机械强度。
得到的聚合物浸润的无木质素的木块在400nm到1100nm的可见光波长范围内在宽光谱范围内显示出约87±5％的光学透射率和高达80％到100％的高光学雾度。本主题方法在木质素去除和聚合物浸润时保留天然木材中的CNF的良好排列的微观结构，这有助于有效的入射光散射。
预切割的木块可具有各种厚度以形成厚块或薄层，例如，本主题方法中的木质透明复合物块的厚度可在约100μm(典型的纸厚度)至毫米的范围内，或更厚，例如，1.4cm。
根据填充材料，本主题的透明木材复合物在水和潮湿环境中具有增强的尺寸稳定性，所述填充材料可选自大量的折射率匹配材料。
当将本主题的透明木材复合物的薄层附接到GaAs太阳能电池作为光管理涂层时，结构表明太阳能电池的效率增强了18％。
本主题的透明木材复合物还被证明是一种有价值的建筑材料，其能够有效地收集阳光以提供一致和均匀的室内照明。天然木材中的垂直排列的透明木纤维表现出有效的可见光引导效果，具有大的前到后散射比。当用作窗户或屋顶时，本主题的透明木材有效地将阳光引导到建筑物中。独特的光学特性，诸如宽带范围内的极端光学雾度(>95％)和高透射率(>85％)，产生建筑物中的均匀和舒适的室内环境照明而没有眩光效应。透明木材复合物还具有比玻璃更好的隔热性和降低至少三倍的导热率。住宅和商业部门的温室气体排放可能主要归因于使用透明木材减少的建筑物的能源使用。本主题的节能透明木材建筑材料的应用可以产生大量的能量节省，同时相关联的减少温室气体排放。基于木材的透明复合物可在下一代节能建筑中找到一系列潜在应用。
如图1A到图1H和图2A和图2G所示，本主题的制造方法开始于与沿着天然木材12的树干延伸的天然内部通道14的方向成预定角度关系地从天然木材12预切割木块10。木块10具有两个相对的平面，例如，分别为上部切割平面16和底部切割平面18，其可以彼此平行或不平行。
切割平面16、18与内部通道14的方向之间的角度关系可以包括内部通道14的方向与木块10的切割平面之间的任何角度位移。然而，为了清楚起见，仅作为实例而不是限制本发明的保护范围，在以下段落中呈现两个角度关系，包括(1)形成径向(R木材)型的木块10的横截面切割，如图1A到图1B、图1D、图2C导图2D和图2F所示，和(2)形成纵向(L木材)木块10的纵向切割，如图1A、图1C和图1E所示。如上所述，在制造本主题的透明木材复合结构的过程中也考虑了用于切割范围在R(90°)与纵向(0°或180°)之间的木块10的其它角度关系。
木材中的通道14自然地填充有木质素20。通道14具有由纤维素和/或半纤维素制成的壁22。本主题的制造方法考虑了木质素去除步骤，其示意性地示于图1F和图2D中，其中在过程I中将木块在水中与化学品NaOH和Na2SO3一起加热，并在过程II中在H2O2的水溶液中漂白，这两者组合地构成木质素去除阶段以形成无木质素的木材样品24。
如图1G到图1H所示，在过程I和过程II中的木质素去除期间，棕色和微黄色木块10逐渐变浅，并且由于光散射和由于木质素而没有光吸收而最终变成白色(白色木材24)。在完全去除木质素后，白色木块24中的通道打开，以允许随后用折射率匹配的聚合物浸润无木质素的样品24，以减少光散射，如图2F到图2G所示，从而形成高度透明的木材复合物26。
本主题方法适用于制造R木材以及L木材、透明复合物，尽管由于与其中较长的开放通道14在木块10的平面16和平面18的方向上延伸(如图1C和图1E所示)的L木材相比，在R木材类型中内部通道14较短并且其开口30允许化学品更容易进入(如图1B和图1D所示)的事实，使用不同的过程方案。木质素去除和聚合物浸润的过程对于L木材而言比对于R木材更长。
R木材和L木材中的通道长度的差异决定了木质素更新和聚合物浸润动力学的差异。由于R木材中的通道长度(图1B和图1D)比L木材中短得多(图1C和图1E)这一事实，木质素去除和聚合物浸润在R木片中更快。
在沿着生长方向延伸的树干12中有大量直通道14。通过在不同方向上切割可以容易地获得具有显着不同的微观结构的木板10，例如，如图1A所示，R木材具有垂直于一个或多个平面16和18的开放通道14，其深度与木材的厚度基本上相同。L木材具有相同的介孔开放通道，但开放通道的深度相应于木块10的长度。R木材和L木材的各向异性微观结构的差异导致木质素去除速率的显着差异，其中由于具有短深度的开放通道，木质素在R木材中可以更容易地被提取(图1B和图1D)。从L木材中提取木质素需要更长的时间(图1C和图1E)。
如图1D到图1F所示，其分别示出了R木材和L木材的微观结构，木材中的开放通道的直径不均匀，范围为10μm到80μm，这导致去除L中的木质素的困难。
在实验中，使用尺寸为50mm×50mm和厚度为3mm的木块10。如图1F所示，将预切割的木块10浸泡在含有NaOH和Na2SO3(过程I)的沸腾溶液中以溶解部分木质素含量。然后，将木块随后转移到H2O2的水溶液中进行漂白，即去除剩余的木质素(过程II)。典型地如先前段落中所描述的那样制备木质素去除的化学品。
其它木质素去除化学品(广泛用于造纸工业)包括但不限于NaOH+Na2SO4(煮沸)(+H2O2)、NaClO、H2O2、NaClO2+乙酸、NaOH(+H2O2)、NaOH+Na2S(+H2O2)、Na2S2O4+ZnS2O4、ClO2、CH3COOOH、H2SO5、CH3COOOH+H2SO5。
由于木质素是有色的并且纤维素是无色的，因此木块的颜色表示木块表面中残留的木质素的量。R木材和L木材中的木质素去除的颜色比较示于图1G和图1H中。当木质素被去除时，颜色变浅(通过过程的持续时间确定)。如图1G到图1H所示，R木材的加工比L木材的加工快得多，这可以用在相同加工持续时间R木材的样品比L木材的样品更轻来证明。实验装置，如图1B所示，可以按比例放大以同时处理多个木块用于大规模制造。
量化两种类型的木材中的木质素去除(图1I和图1J)，其中y轴相应于木质素去除过程I和木质素去除过程II的一段时间后的木块的木质素含量。在过程I中处理的两种类型的木材(R木材和L木材)中，木质素在第一小时内快速去除，其中R木材的木质素损失较高，高达约25％。图II示出了木质素去除动力学的明显差异，其中R木材中的过程比L木材中的过程快得多。在过程II期间，R木材中的木质素也快速去除(图1J)。这些结果与L木材中的通道长度比R木材中的通道长度大得多的事实一致。
木块中的各向异性开放通道14不仅允许快速去除木质素，而且还导致快速聚合物浸润以形成透明木材复合物，特别是对于R木材。图3A示出了在去除大部分木质素后的木块的SEM图像。开放通道由纤维素和半纤维素制成。木块沿着木材生长方向显示出大量的开放通道和开口。放大的SEM(如图3B所示)还示出了较小的次级孔，其能实现在木材树干中沿径向方向的材料传输。图3B的插图示出了无木质素的白色木块24。具有界限清楚的通道的微观结构在木质素去除过程期间得到很好的保存，这对于聚合物的快速浸润是重要的。放大SEM图像还显示细胞壁22上的纤维素纳米纤维，其如图3C所示排列和密集堆叠。
在木质素去除之后，在真空辅助下将填充聚合物浸润到木材微观结构中，如图2E所示。填充聚合物28可以是来自折射率接近纤维素的折射率(约1.48)的一组材料的材料。填充聚合物可选自但不限于包含以下项的一组材料：
热固性聚合物，如例如、聚酯玻璃纤维、聚氨酯聚合物、硫化橡胶、胶木、热固性塑料(Duroplast)、脲醛、三聚氰胺树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、聚酰亚胺和双马来酰亚胺、氰酸酯或聚氰尿酸酯、呋喃树脂、聚酯树脂、硅酮树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯树脂、环氧(环氧化物)树脂、酚醛(PF)树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺、聚氨酯(PUR)树脂、硅酮树脂、乙烯基酯树脂；
热塑性聚合物，如例如，丙烯酸、ABS、尼龙、PLA、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、特氟龙；
纤维素衍生物，如例如乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、三乙酸纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、溶解纤维素、纳米原纤化纤维素、纤维素纳米晶体；
功能折射率匹配材料，如例如液晶、压力/温度传感材料、压电材料；
以及无色聚合物纳米胶、低粘度透明液体环氧树脂前体、树脂与非发白脂环族硬化剂的混合物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(乙烯醇)(PVA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。作为众多实例之一，可以使用具有相对低粘度的透明液体环氧树脂前体(#300树脂和#21非发白脂环族硬化剂的混合物)。
对于本主题的制造方法的聚合物填充阶段，将无木质素的白色木材样品24浸入液体聚合物28中，然后重复进行真空/去真空处理循环，如图2E中示意性所示。在约三次真空/去真空循环后实现完全浸润。图3D中的SEM图像和图2F中的示意图示出填充聚合物完全浸润通道和孔。木材通道的原始纤维素壁和浸润聚合物可以在图3D中的SEM图像中清楚地区分。在实验中通过在中间破坏木材-聚合物复合物，然后进行SEM成像来确认完全浸润。聚合物浸润过程不会破坏天然木材微观结构的框架。木材纤维素与一种或多种浸润聚合物之间的强相互作用(诸如氢键或范德瓦尔斯力)保留了木材微观结构的框架并防止在结构上改变。在聚合物浸润之后，白色木块24(图3B中的插图)变得光学透明，因此，厚的(高达1厘米)的木块变成高度透明的结构材料26，如图2F到图2G和图3D所示。
两种类型的透明木材(R木材和L木材)中的各向异性结构可能导致一系列各向异性特性。已经彻底研究了R木材和L木材的各向异性光学性质。图4A到图4L分别展示了透明木材复合物26的两种类型(R木材和L木材)的光学测量。为进行比较，研究用的R木材和L木材的厚度均为2mm。
透明R木材和透明L木材复合物样品26的透射率测量装置分别示于图4A和图4B中。使用532nm的单模激光器(来自Thorlabs公司)作为各向异性测量的入射光源。在垂直照射透明木材样品之前，首先使用大约200μm的光斑尺寸准直激光。入射光由于透明木材复合物中的散射而迅速发散。虽然散射效果在R木材的光传播横截面中是各向同性的(如图4C所示)，但L木材中的光散射是高度各向异性的(如图4D所示)。
来自Thorlabs公司的光电二极管功率传感器S130C用于记录在垂直于光传播方向(z方向)的R型和L型(分别在图4E和图4F中标记的)的二维平面中沿x和y方向上的散射光强度分布。
在R木材的聚合物浸润之后，填充聚合物和纤维素纤维之间的折射率不匹配促进了单模高斯激光束的角度无关散射，如图4E所示。因此，所得到的散射光呈现类高斯分布，在x和y方向上具有相似的散射角。
另一方面，L木材中的木材纤维在x方向上排列，在y方向上产生离散的折射率变化(如图4F所示)。在y方向上观察到具有极大散射角的极大横向扩展的光束，这是由于密集堆叠和排列的木材纤维的强光衍射所致。在x方向上，折射率波动很小，并且入射光稍微散射，这导致轻微的光空间分布。L木材中强烈的各向异性微观结构导致其强烈的各向异性光学性质。
各向异性透明木材复合物还显示独特的成像效果。具有垂直和平行线的网格32设计为示出光散射中的角度依赖性(如图4G至图4J所示)。当与网格线的表面接触时，可以清楚地看到透明R木材和L木材透明复合物样品26网格线(图4G和图41)。然而，当透明木材复合物26位于线上方5mm处时，视觉效果是不同的。对于R木材(图4H)，由于高透射率雾度，没有观察到线条。对于L木材(图4J)，对比鲜明，网格线转向平行线，而平行于开放通道的线减少，这与图4F中所示的各向异性雾度效应一致。
除了光学性质的各向异性行为之外，还研究了透明木材复合物的总透射率和光学透射率雾度(图4K和图4L)。使用积分球来测量光学透射率和透射率雾度。由于强烈的木质素吸收，天然L木材和R木材显示出几乎可忽略的透射率。在木质素提取和聚合物浸润之后，两种类型的透明木材复合物显示出显着高的透射率，如图4K所示。测量的R木材透射率达到高达90％，高于L木材，这是由于R木材中的开放通道的深度较小而更好地填充聚合物。
透明木材复合物样品(R木材和L木材)均显示出覆盖400nm到800nm范围内的整个可见光波长的大雾度，而R木材显示出比L木材更高的值(图4L)。
对于透明木材复合物，其中微尺寸的纤维素和聚合物之间的界面的粗糙度大于入射光的波长，散射强度基本上与波长无关。这种宽范围的光管理被称为米氏散射。两种类型的木材所表现出的高光学雾度可以潜在地用于广泛的光电子应用，其中需要先进的光管理以改善太阳能电池和显示器中所需的光耦合和提取效率。
透明木材复合物中独特的介观结构不仅导致各向异性的光学性质，而且还导致不同方向上显着的各向异性机械性能。为了进行实验，制造分别具有图5A到图5B中所示形状的透明R木材样品26和透明L木材样品26用于机械测试，其尺寸为约50mm长、10mm宽且3mm厚。样品26示出在图5A到图5B中，其中通道14分别在切割平面16和切割平面18之间沿交叉和纵向方向延伸。使用Tinius Olsen H5KT测试仪对样品进行应力-应变测量。切割成相似尺寸的天然木材样品也进行了评估以进行比较。
与天然R木材相比，透明木材复合物显示出改进的机械强度、断裂强度高达23.5MPa(如图5C中的图所示)。为了比较，天然R木材的断裂强度仅为4.5MPa。木质素去除和聚合物填充导致透明R木材料具有改善的强度(图5C)。另一个益处是透明木材复合物具有与自然木材相似的延展性，即～3.7％。
透明L木材的断裂强度为约45MPa，比透明R木材的断裂强度高出约2倍(如图5D中的图所示)。透明L型木材还具有比透明R型木材更高的延展性。与天然L木材相比，聚合物浸润后的透明L木材具有更高的强度和延展性。
在大多数材料中，机械强度和延展性是相互排斥的。同时增加强度和延展性是异常的，但对结构应用非常需要。与天然木材相比，延展性和机械强度的增加导致透明木材复合物具有高得多的韧性，使得本主题的透明木材非常适合于结构材料应用。
发明人已经研究了在应力-应变测试之后直到发生断裂的横截面。天然木材中的开放通道在SEM图像中可见，如图5E和图5F所示。施加的力相对于R木材中的开放通道垂直，并且平行于L木材中的通道。
虽然SEM图像在断裂后显示出相似的形态，但断裂后照片中显示的宏观特征是高度不同的。L木材的横截面具有粗糙表面(图5F的插图)，其中在通道内发生断裂。同时，R木材显示出更像脆性材料的横截面(小表面，图5E的插图)，由于通道的平行堆叠，因此在通道之间发生断裂。
已经对透明木材复合物进行了微观尺度研究和宏观尺度研究以调查失效机理。在透明的R木材和L木材样品中，机械断裂后的横截面的宏观结构是相似的，具有光滑的界面。在透明木材复合物中，填充聚合物在木质素去除后与纤维素主链交联，形成三维网络。在SEM中观察到的对准结构导致透明L木材中的机械强度高于透明R木材中的机械强度。
图5G和图5H分别显示了在应力-应变测试中断裂后，透明R木材和透明L木材的横截面SEM。图5E到图5H中的插图是机械断裂后的样品的照片。
通过利用天然木材中的独特的天然宏观结构，制造出两种类型的各向异性的木材复合物。在透明R木材和L木材复合物中，使用依次的两个阶段来制造各向异性透明木材复合物：(1)从开放通道中去除木质素，和(2)聚合物浸润到开放通道中。界限清楚的排列的通道在很大程度上促进了这两个过程。在两种类型的透明木材中，天然纤维素结构保存良好，木质素的颜色被去除，并且多孔结构填充有聚合物，这导致高达90％的高透射率。
众多聚合物-纤维素界面支持前向光散射，同时其导致高光学雾度。两种类型的透明木材复合物(R木材和L木材)也显示出不同的光散射和机械性能。例如，在平面(L木材)中具有开放通道的透明木材比平面(R木材)机械上更坚固和更坚韧。
材料和化学品.来自Walnut Hollow公司的椴木用于实验。用于从木材中去除木质素含量的化学品是氢氧化钠(>98％，Sigma-Aldrich公司)、亚硫酸钠(>98％，Sigma-Aldrich公司)和过氧化氢(30％的溶液，EMD Millipore公司)。用于浸润的聚合物是环氧树脂(#300树脂和#21非发白脂环族硬化剂，AeroMarine Products公司)。可替代地，使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，平均Mw为～1,300,000，Sigma-Aldrich公司)作为无木质素的木材中的填充聚合物。使用的溶剂是乙醇(190标准强度，95％，Pharmco-Aaper公司)和去离子(DI)水。
从木材中去除木质素.通过将NaOH和Na2SO3溶解在去离子(DI)水中制备木质素去除溶液，分别产生2.5mol/L和0.4mol/L的浓度。将木片浸入木质素去除溶液中并煮沸12小时，如图1F(过程I)所示，然后在热蒸馏水中冲洗三次以去除大部分化学品。随后将木块放入漂白溶液(H2O2，2.5mol/L的去离子水)中并在不搅拌的情况下煮沸(图1F中所示的过程II)。当样品的黄色消失时，去除样品并用冷水冲洗。然后，将无木质素的样品保存在乙醇中。
聚合物浸润.通过将两种液体组分(#300树脂和#21非发白脂环族硬化剂)以2:1的比例混合来制备环氧树脂。无将木质素的木材样品置于培养皿的底部并浸入液体树脂中。然后，将溶液在200Pa下脱气(真空)以去除木材中的气体和乙醇溶剂，如图2E所示。在大约5分钟内，释放真空以使聚合物在大气压下填充到木结构中。如图2E所示，重复真空/去真空过程3次。所有这些过程在30分钟内终止以避免聚合物固化。最后，将含有木材样品和聚合物的盘在30℃下保持静止(不受干扰)12小时。在聚合物完全固化后，将聚合物浸润的木材样品从盘上剥离。
当使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)时，将聚合物以15质量％的聚合物的浓度溶解在乙醇中。在完全溶解后，将无木质素的木材置于盘的底部并浸入PVP溶液中。溶液深度比木材厚度大一个数量级。然后，将溶液在200Pa下脱气约10分钟以确保完全浸润。最后，将盘置于60℃的热板上。在溶剂完全蒸发后，将聚合物浸润的木材样品从盘的底部剥离。
测量和表征.通过扫描电子显微镜(SEM，Hitachi Su-70)表征透明木材复合物的形态。用UV-Vis光谱仪Lambda 35(美国PerklnElmer公司)测量透射光谱和雾度。通过木质素测定的标准方法(纸浆和造纸工业标准方法技术协会T222-om-83)测量木质素含量。
测量约1g(m0)的干燥木材并用乙醇提取4小时，然后将其在20℃的剧烈搅拌下用15mL的冷H2SO4(72％)处理2小时。将混合物转移到烧杯中并通过加入560mL的去离子水稀释至3质量％的H2SO4，并煮沸4小时。冷却后，将它们过滤并用去离子水洗涤。将不溶物质干燥并称重(m1)。木质素含量计算如下：[m1/m0]×100％。
用由奥勒尔太阳能模拟器(AM 1.5,100mW/cm-2)照射的电压-电流源仪(2400Keithley)以10mV/s的扫描速率监测太阳能电池的光电流-电压特性。
使用532nm单模激光器DJ532-10(Thorlabs公司)作为具有稳定输出功率的入射光源。在垂直照射样品之前，首先使用大约200μm的光斑尺寸准直激光。高斯光束在透过透明木材复合物后迅速发散。为了绘制散射分布图，使用来自Thorlabs的光电二极管功率传感器S130C来记录垂直于光传播方向的二维平面中的散射光分布。将具有5mm的恒定直径的针孔放置在光电二极管的前面，以在x和y方向上以各种角度记录光功率。使用Tinius奥尔森H5KT试验机构造机械性能。选择尺寸为约50mm×10mm×3mm的没有接头或紧固件的木材。
发现各向异性通道位于大多数树木的树干内。这些介孔通道的直径为25μm到50μm，并允许沿通道方向提取木质素。通过垂直于树木生长方向切割获得典型厚度在100μm到14mm范围内的干椴木板。薄切片中的开放通道能够从木板中快速去除木质素。
通常，椴木含有以质量计为18％至21％的木质素和79％至82％的半纤维素和纤维素。去除木质素20之前的样品10的SEM图像显示在图6A中。通过NaOH处理，然后H2O2漂白的化学过程，从通道14和孔30中提取木质素20。在去除有色木质素期间，木板10逐渐失去其颜色(当木质素被去除时)，并且由于界面处的大光反射而变得明显更白。在木质素去除过程期间，观察到天然木材的棕色逐渐减少并最终变为雪白色(图6B中所示的插图24)。
通过控制木质素去除过程的速度和持续时间，几乎完全去除木质素，同时保留木材的微观结构，如图6B和图6D所示。值得注意的是，在木质素去除过程之后成功地保留了木块中良好排列的微观结构(图6E和图6F)。
去除木质素后的开放垂直通道也支持填充材料的快速浸润以实现其它功能。折射率匹配的聚合物28用于填充无木质素的通道14并减少光散射以获得高光学透射率。
例如，选择聚乙烯吡咯烷酮(PVP)28(来自许多不同的折射率匹配的聚合物)作为填充材料，因为它具有优异的透明度，乙醇中相对低的粘度和对纤维素的良好润湿性。PVP的这些特性使其能够完全渗透木材中的微尺度孔30。PVP是环保且可生物降解的，类似于木质纳米纤维。
图6C示出PVP聚合物填充后木块的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中纤维素壁之间的所有孔30和通道14已完全填充有聚合物28。得到的透明木材26如图6C中的插图所示，具有保存完好的木材纹理。
除了用作与剩余纤维素的折射率匹配材料之外，聚合物浸润到木质微观结构中还将木材纤维素纳米纤维(CNF)机械胶合在一起。
制造透明木材复合物的本主题方法允许保留CNF的原始排列。
图6D展示了通道14和孔30的细胞壁。CNF清楚地排列而不受影响(如6E所示)。这些排列的CNF导致增强的机械性能。排列的CNF的紧密堆积使它们的SEM表征复杂化。雪白木材24在更长的时间内进一步分解，以获得具有更高对比度的令人满意的SEM。在进一步处理后，将排列的纤维分解成随机分布的网络，如图6F所描绘。
去除木质素后，木材呈现明亮的白色，整体透明度低，这是由于纤维素和空气之间的折射率差异很大。PVP是高度透明的聚合物，在波长λ＝550nm下折射率为约1.53，该值接近纤维素的～1.48的折射率。对于纤维素和PVP，垂直于界面的光的反射为0.04％(RI＝1.48和RI＝1.53)，与空气和纤维素的反射率为4.4％相比(分别RI＝1.00和RI＝1.48)。因此，在PVP浸润之后，沿着木材微通道的光反射和散射已被大大抑制但未完全消除。此外，获得高透明度以及高雾度。用不同折射率的聚合物可以更精细地调节光学性质。
图7A示出了测量30mm×22mm×1mm的天然木块10。图7B中所示的木材复合物26是高度透明的，且下面的文字清晰可见。透明木材和原木的测量的透射率的图示于图1C中。图7A中的天然木材10显示在400nm至600nm的波长下的零透射率，这主要是由于木质素基质的大的光吸收。在测量的波长范围内，最大透射率不超过25％。形成鲜明对比的是透明木材26(图7B)在从可见光(λ＝400nm)到近红外(λ＝1100nm)，在空气中显示出约90±5％的透射率。1mm厚的木质透明复合物的整体透明度与透明玻璃、塑料和纤维素基纳米纸相当。在实验中，对于厚度为14mm或更大的木材样品，也证明了高透明度。这些结果清楚地证实了含有木质素去除步骤随后是聚合物浸润步骤以生产透明木材复合物的本主题方法的有效性。
为了量化木质素含量对木材光学性质的影响，在加工过程中的各个阶段进行吸收测量。图8A显示了具有不同量的木质素的木材的透射率。总的来说，随着木质素含量的增加，吸收边缘向更长的波长移动。对于未处理的(曲线A)和33％(线B)木质素去除(LR)样品，吸收范围覆盖整个可见光谱(％LR表示以质量计的木质素去除)。相比之下，具有50％LR(曲线C)和完全木质素去除(曲线D)的样品在整个可见光范围内显示出极大增强的透射率和最小化的光吸收。
另外，木质素显示出荧光发射，因为它含有发色团。使用光致发光技术来验证具有不同量的木质素的木材样品中的木质素含量。具有不同的重量百分比的木质素去除(LR)水平的木材的荧光图像显示在图8D到图8G中，从木材样品10(图8D中)开始到无木质素的木材样品24(图8G)。通常，它们与使用发光来揭示木质素的存在的TAPPI标准木质素测量方法中呈现的结果一致。可以看出原始木材的荧光强度弱于33％LR样品。这种不寻常的行为是由荧光团的自猝灭引起的。当局部荧光团浓度超过猝灭浓度时经常发生这种情况。三维荧光测量(示出在图8B到图8C中)显示了木材微观结构的清晰形态。
除了高扩散透射率之外，透明木材复合物表现出高透射率雾度。透明木材复合物的光散射如图9A所示。如图9B所示，在400nm至1100nm的波长范围内测量的雾度为约80±5％。与透明玻璃或塑料材料相比，这是一种非常独特的性能，雾度小于1％。透明木材复合物雾度也远高于超高雾度纳米纸，其雾度值为约60％。透明木材复合物的高雾度源于木材的独特微观结构。
返回到图6B和图6D，纤维素微通道是木材的主要结构组分。每个微通道由微纤维单元构成，其可以进一步加工成纳米纤维。测得的高雾度有两个原因。首先，木纤维和通道通常具有带有凸起、微带和微腔的微曲率(图6D)，使它们起到光反射/散射中心的作用。其次，微纤维和微通道可沿轴向引导入射光，以有效地向前散射。
当用作图9C所示的GaAs太阳能电池40的衬底时，证明了透明木材复合物的实用性。为了提高太阳能电池的整体转换效率，光管理起着重要作用。具有其高透射率和高雾度的本主题透明木材复合物用作诸如光探测器和太阳能电池的光电器件的有效光管理涂层或衬底。
用于太阳能电池40的透明木材26在宽波长范围内具有约90％的透射率和约80％的雾度。一滴乙醇沉积在现有太阳能电池40的表面上。然后，将透明木材放置在电池的顶部以与有源层42形成连续接触。使夹层结构在室温下干燥，直到木材牢固地附接到裸GaAs太阳能电池的表面上。
太阳能电池的测得的电流密度-电压(J-V)特性示出在图9D中。太阳能电池的电子特性，包括短路密度(JSC)、开路电压(VOC)、填充因子(FF，太阳能最大输出功率与VOC和Jsc的乘积之比)和整体转换效率，其从J-V曲线提取出来，示出在表I中，其反映了在附接透明木材复合衬底之前和之后的GaAs太阳能电池的电特性的比较。
表I
在一次太阳照射下，已观察到短路密度增强15.67±3％，总转换效率相应提高18.02±3％。这主要是由于在与有源层42光学偶联时将透明木材26附接到GaAs太阳能电池的顶面之后，前向散射效应和空气与GaAs之间的折射率匹配效应的组合。
仅通过其中抑制了界面折射率不匹配的PVP涂层(无木材)，Jsc增强为10.1±3％，小于透明木材涂层的增强。还观察到填充因子的轻微增强，其用作暗饱和电流未降级的指示。透明木材衬底显着改善了作为光管理层的裸GaAs太阳能电池的性能，类似于用透明纸观察到的效果。高透射率允许光线到达GaAs太阳能电池表面，损耗较小。由于高雾度，当垂直入射光在到达太阳能电池的顶面时变得漫射。这种现象导致太阳能电池中光子的行进路径增加，并且提高了光子在电池的有源区域内被捕获的可能性。此外，在木材覆盖之后GaAs与空气之间的折射率不匹配减小允许光反射被抑制，导致进入太阳能电池的光通量增加。
透明木材的应用也已被证明是具有以下优点的节能光收集建筑材料。首先，本主题的透明木材可以有效地收集阳光，宽带透射率>85％。由于透明木材的雾度极高(约95％)，因此室内照明可以保持基本均匀和一致。其次，透明木材具有定向前向散射效果，其可用于有效地将太阳光引导到建筑物中。第三，木材细胞呈现具有多个边界的大的声子电阻。
沿着木材通道和穿过木材通道的热导率分别测量为低至0.32和0.15W m-1K-1。当用作透明建筑材料时，木材复合物可以提供相对于标准玻璃的改进的隔热性和减少空调使用率。
此外，本主题的透明木材显示出高冲击吸收能力。当受到突然冲击时，具有浸润聚合物的微通道吸收并分散能量，从而有助于防止木材破碎。图10A展示了透明木材26作为阳光收集屋顶的用途。如图10B所示，透射光强度分布对太阳的方向不敏感，使室内光线在一天中保持一致。通过更一致的室内温度也可以减少传导热流。用作窗户或屋顶材料的透明木材将通过在室内使用中节省照明和空调能量而节省费用。
图11A是椴木块的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中木材细胞(通道)沿生长方向自然排列。
对于浸润聚合物有许多合适的选择，只要折射率接近1.5并且材料具有低粘度即可。由于纤维素和环氧树脂之间的折射率不匹配，因此光可以沿生长方向传播，而木材细胞(通道)起到有耗波导的作用，其直径范围从几十到几百微米，这取决于天然木材的种类。
为了示出透明木材26中的光传播，使用DJ532-10(Thorlabs公司)、532nm绿色单模激光器作为光斑尺寸为200μm的入射光源。光束以45°的输入角从右手侧入射，并由图11A中的箭头表示。使用具有1.4cm的大厚度的木块，以便可以清楚地观察到木块内部的光束的传播。
如在图11B的木材复合物的顶视图中可见，光束在到达木材的顶面之后快速发散，然后沿木材通道方向传播。明亮的激光很好地指向，表明有效的引导效果。木材内部的光限制主要由木材通道排列方向而不是入射光角度决定。
透明木材26的密集堆叠和垂直排列的通道用作具有高传播散射损失的圆柱形宽带波导。透明木材细胞的这种独特的光管理能力导致宏观光传播效应，具有大的混浊度。包括雾度、前向透射率和后向反射的光学性质总结在图11C中。结果表明，透明木材显示约90％的高透射率，同时约95％的高光学雾度。通过在500nm到1100nm的波长范围内取平均90％透射率和约10％反射，获得高达9的定向前到后散射比。
为了比较，通常使用包括纳米锥和纳米球的纳米结构，以便在使用米氏散射的光管理方案下实现定向散射。然而，光谱响应通常对波长敏感，
且前到后散射比通常小于透明木材细胞所表现出的前到后散射比。虽然表现出高透射率，但透明木材的雾度可超过95％，这可能是由于垂直传播的光通过微观结构粗糙度的散射。
透明木材复合物的整体透明度与标准玻璃、塑料和基于纤维素的纳米纸相当，证实了本文开发的用于透明木材复合物的程序的有效性。
图11D示出了入射在透明木材样品26上的倾斜角度的单模激光器的示意图，其中透射光图案被捕获在屏幕上。如图11E所示，光束强度没有显示出与标准高斯分布的显着偏差。光管理在提高太阳能电池和发光二极管(LED)的整体转换效率方面起着至关重要的作用。本主题的透明木材复合物具有独特的光管理能力，可用作建筑一体化光伏的有效透明涂层或衬底材料。
图12A表示透明木材、雾度纸和玻璃的混浊度的比较研究。除了高透射率之外，透明木材复合物的雾度达到95％并且远高于超高雾度纳米纸的雾度，其表现出约60％的典型的雾度值。为了证明透明木窗作为具有高雾度和高透射率的高效日光采集建筑材料的性能，木屋模型(图12C)建造有用8cm×12cm的透明木屋顶。眩光源包括太阳的早晨和晚上位置、冰、汽车的反射表面，高度抛光的地板和附近建筑物的窗户。眩光会干扰视觉图像的清晰度。当用于日常应用时，透明木材显示出提供有效的抗眩光效果。当透过透明木材复合物26观察时，完全去除眩光，同时获得更均匀的亮度，如图12B所示。
在图12C中，分别使用钠钙玻璃和透明木材的效果作为光捕获屋顶进行比较。来自Oriel Instruments-Newport的太阳模拟器用作白光源。当将光捕获建筑材料结合到房屋模型中时，观察到均匀的室内照明。与玻璃屋顶相比，木材复合物的高雾度和高透明度导致最大化的阳光收集和一天中非常一致的光分布。
来自Thorlabs的准直Si检测器用于评估房屋模型内的光分布。选择六个不同的点并分别标记为1-6用于玻璃顶房和透明木顶房。结果示出在图12D中。玻璃屋顶内部的最大光强度为12.3mW cm-2，而最小光强度仅为0.35mW cm-2，使得照明不均匀性大于35。相反，对于具有透明木屋顶的房屋，在最亮角(4.9mW cm-2)与最暗角(2.1mW cm-2)之间的光强度差为2.3。透明木材建筑材料已经通过实验证明是一种有效的解决方案，可以节省室内照明能量，并提供均匀的照明，由于其内在的混浊度而具有增强的视觉舒适性和隐私保护。
除了日光采集和机械强度的要求外，透明建筑材料还必须满足气候保护的要求。因此非常需要用于提供增强的隔热性的建筑材料。有效的隔热可以阻止通过建筑外壳的热量流动，并在房屋和外部环境之间提供结构屏障。如果隔热良好，房屋在冬季保持温暖，在夏季保持凉爽。
大多数住宅和商业建筑的墙壁通常用诸如木材和复合泡沫的材料很好地隔热。然而，诸如玻璃的透明建筑材料具有高得多的导热性，这导致比周围材料更高的热流动以及建筑物的隔热性的整体降低。窗户的隔热特别重要，因为通过由玻璃制成的透明窗户和屋顶的热桥接会降低能源效率并允许冷凝。目前通过诸如多层玻璃窗的窗户减少热量损失的策略通常是昂贵的并且可能增加显着的重量。另一方面，木材是天然绝缘体，在电池结构中具有气穴。
如图13A所示，透明木材复合物对木材纤维微观结构中的声子行进提供高抵抗力。径向热传播路径产生比轴向甚至更大的声子散射效应。透明木材的各向异性热性质可归因于木材细胞的排列，其在木质素去除和聚合物浸润后保存良好。
如图13B中可见，在轴向上测量的热导率为约0.32W m-1K-1，在径向上测量为0.15Wm-1K-1，与原始椴木的热导率相当。大部分聚合物块(已浸润到木材中的相同聚合物)显示出约0.53W m-1K-1的更高导热率。由此产生的透明木材的较低导热率是由于通过木材细胞壁(主要是纤维素和半纤维素)的高声子抗性和多界面声子散射效应。通过选择浸润材料可以进一步调整机械性能。相反，玻璃(费舍尔科学微观玻璃)具有高得多的热导率，测量为约1.0W m-1K-1(图13B)，表明透明木材在减少传导热流方面更有效。
除了其极端的光管理能力外，还研究了透明木材复合物的机械性能。当用作住宅和商业建筑的建筑构件时，玻璃已经引起了重大的安全关注。当玻璃经受突然的撞击，例如飞溅的碎片、地震，或甚至居住者的突然移动时，玻璃会破碎并喷出破碎的碎片。有时，玻璃会因边缘或表面损伤而发生突然和自发的破坏，这种破坏会通过蠕变载荷传播。玻璃破碎需要立即维护和注意，因为破碎的玻璃存在严重的安全问题。另一方面，由于纤维素和能量吸收聚合物浸润的微观结构之间的范德瓦尔斯相互作用，木材可以承受更高的冲击。
图14A示出了由于突然撞击坠落的尖锐物体而导致的破裂后的玻璃和透明木材26的最终形态。玻璃立即破碎成尖头碎片，而防冲击透明木材保持完好无损。玻璃相当坚硬，但也可能很脆。当玻璃处于载荷下时，它只能使应力适应相对较低的水平，然后突然失效。一旦裂缝在玻璃中开始，在其结构内几乎没有可能阻止它传播。因此，玻璃在应变和应力曲线上呈现线性曲线，如图14B所示。相比之下，本主题的透明木材复合物具有高得多的6％的应变，比标准钠钙玻璃高出两个数量级。延展性的这种显着增加对于作为结构材料的应用是非常期望的。即使在突然撞击时破碎之后，透明木材也只是弯曲和分裂而不是破碎成多个锋利的碎片。对于作为建筑材料的商业应用，透明木材也需要是防水的。
将透明木材样品26浸入水中，如图14C中所示。72小时后，样品完好无任何形状变形或机械和光学性能的任何降低。此外，研究了环氧树脂填充的木墙的SEM观察和透明木材在水浸泡72小时后的机械性能。结果表明，由于聚合物组分的包封，水对透明木材的性质的影响可忽略不计。
以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (20)

1.一种基于木材的光传输系统，其特征在于，包括：
木块，其与天然木材的天然内部通道的方向成预定角度关系地从所述天然木材预先切割并经过处理以从其中去除木质素，从而形成无木质素木块，所述天然内部通道具有由含纤维素材料形成的壁；以及
填充材料，其具有与所述天然内部通道壁的所述含纤维素材料的折射率基本上匹配的折射率并且所述无木质素木块中的所述天然内部通道经所述填充材料基本上完全浸润，从而形成透明木材复合构件。
2.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述透明木材复合构件具有上部切割平面和底部切割平面，并且其中所述预定角度关系在所述天然内部通道的所述方向与所述透明木材复合构件的所述上部切割平面和所述底部切割平面中的至少一个之间构成约90°的角。
3.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述透明木材复合构件具有上部切割平面和底部切割平面，所述上部切割平面和所述底部切割平面沿与所述透明木材复合构件中的所述天然内部通道的所述方向基本上重合的方向安置。
4.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述填充材料包含选自由以下组成的组的材料中的至少一种材料：
热固性聚合物，包含聚酯玻璃纤维、聚氨酯聚合物、硫化橡胶、胶木、热固性塑料(Duroplast)、脲醛、三聚氰胺树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、聚酰亚胺和双马来酰亚胺、氰酸酯或聚氰尿酸酯、呋喃树脂、聚酯树脂、硅酮树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯树脂、环氧(环氧化物)树脂、酚醛(PF)树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺、聚氨酯(PUR)树脂、硅酮树脂、乙烯基酯树脂；
热塑性聚合物，包含丙烯酸、ABS、尼龙、PLA、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、特氟龙；以及
纤维素衍生物，包含乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、三乙酸纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、溶解纤维素、纳米原纤化纤维素、纤维素纳米晶体；
功能折射率匹配材料，如例如液晶、压力/温度传感材料、压电材料；
无色聚合物纳米胶、低粘度透明液体环氧树脂前体、树脂与非发白脂环族硬化剂的混合物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(乙烯醇)(PVA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
5.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述透明木材复合构件被配置成长度和宽度分别为约1mm和更大且厚度为约100μm和更大的块。
6.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述透明木材复合构件在400nm到1100nm的可见光波长范围内具有范围约为80％到95％的透光率以及范围约为80％到100％的光学雾度。
7.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述填充聚合物的折射率在光波长λ＝550nm处为约1.53。
8.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述基于木材的光传输系统进一步包含光电系统，所述光电系统包含光子系统、太阳能电池、光检测器、显示器和具有高级光管理的广角照明系统中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述太阳能电池中的至少一个包含光学有源层并且所述至少一个透明木材复合构件被设置成与所述光学有源层光学接触，并且所述至少一个透明木材复合构件被成形为厚度范围在100μm与3mm之间的层。
10.根据权利要求1所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述透明木材复合构件展现出断裂强度为23.5-45Mpa和更高的高机械强度以及高延展性，并且其中所述基于木材的光传输系统包含光收集建筑结构。
11.一种透明木材复合物，其特征在于，包括：
预定尺寸的木块，其与天然木材的天然内部通道的方向成预定角度关系地从所述天然木材预先切割并经过处理以形成无木质素木块，所述木块中的所述天然内部通道具有由天然的含纤维素材料形成的壁，以及
填充聚合物，其基本上完全浸润所述无木质素木块中的所述内部通道并与所述木块中的所述内部通道壁的所述含纤维素材料交联，其中所述填充聚合物具有与所述天然内部通道壁的所述天然的含纤维素材料的折射率基本上匹配的折射率。
12.根据权利要求11所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述木块配置有以预定距离彼此间隔开的上部切割平面和底部切割平面，所述预定距离的范围大约在100μm与14mm之间，并且其中所述上部平面和所述底部平面中的至少一个以与所述自然内部通道交叉的关系延伸或基本上沿其延伸。
13.根据权利要求11所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述填充聚合物具有接近1.48的折射率。
14.根据权利要求13所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述填充聚合物的折射率在光波长λ＝550nm处为约1.53。
15.根据权利要求11所述的基于木材的光传输系统，其特征在于，所述填充聚合物包含选自由以下组成的组的聚合物中的至少一种聚合物：
热固性聚合物，包含聚酯玻璃纤维、聚氨酯聚合物、硫化橡胶、胶木、热固性塑料(Duroplast)、脲醛、三聚氰胺树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)、聚酰亚胺和双马来酰亚胺、氰酸酯或聚氰尿酸酯、呋喃树脂、聚酯树脂、硅酮树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯树脂、环氧(环氧化物)树脂、酚醛(PF)树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺、聚氨酯(PUR)树脂、硅酮树脂、乙烯基酯树脂；
热塑性聚合物，包含丙烯酸、ABS、尼龙、PLA、聚苯并咪唑、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、特氟龙；以及
纤维素衍生物，包含乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、三乙酸纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、溶解纤维素、纳米原纤化纤维素、纤维素纳米晶体；
功能折射率匹配材料，如例如液晶、压力/温度传感材料、压电材料；
无色聚合物纳米胶、低粘度透明液体环氧树脂前体、树脂与非发白脂环族硬化剂的混合物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(乙烯醇)(PVA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
16.一种制造基于木材的光传输系统的方法，其特征在于，包括：
(a)与天然木材的天然内部通道成预定角度关系地从所述天然木材预先切割木块，所述天然内部通道具有由含纤维素材料形成的壁并且填充有木质素，
(b)从所述木块的天然内部通道中去除所述木质素，从而形成无木质素木块，以及
(c)用填充聚合物来依次浸润所述无木质素木块中的所述天然内部通道，所述填充聚合物具有与所述内部通道壁的所述含纤维素材料的折射率基本上匹配的折射率。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其进一步包括：
在所述步骤(b)中，通过将在去离子水中的NaOH溶液与在去离子水中的Na2SO3溶液混合来制备木质素去除溶液，
在所述木质素去除溶液中煮沸所述预切割木块约12小时，
在热蒸馏水中冲洗所述预切割木块，以及
在含有在蒸馏水中的H2O2溶液的漂白溶液中煮沸所述经冲洗的预切割木块，直到所述预切割木块的颜色消失，由此获得无木质素木块。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其进一步包括：
在所述步骤(c)中，将所述无木质素木块浸入处于其液相的所述填充聚合物中，
在200Pa的压力下将所述液体填充聚合物脱气约5-10分钟以从所述无木质素木块中去除气体和乙醇溶剂，
将大气压力施加到所述液体填充聚合物以促进所述内部通道浸润过程，
重复所述大气压力施加预定次数，从而获得浸入所述液体填充聚合物中的所述聚合物浸润的木块，
将所述聚合物浸润的木块保持在所述填充聚合物中在约30℃-60℃下不受干扰约12小时，直到所述液体填充聚合物固化，以及
将所述聚合物浸润的木块从所述固化的填充聚合物中去除，从而获得所述透明木材复合构件。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其进一步包括：
制造包括光学有源层的太阳能电池，
在所述光学有源层的表面上沉积乙醇，
将所述透明木材复合构件放置在所述光学有源层上与其蔓延性接触，从而形成夹层结构，以及
在室温下干燥含有与所述光学有源层联接的所述透明木材复合构件的所述夹层结构，以将所述透明木材复合构件牢固地附接到所述太阳能电池。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其进一步包括：
将所述透明木材复合构件在窗户和屋顶中的至少一个的位置处附接到建筑物。
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