JP2019514032A - 透過性木材複合材、システムおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

高度に透過性の（最大９２％の光透過率）木材複合材が開発された。透過性木材複合材を製造する工程は、リグニンを除去した後に屈折率整合ポリマーの浸透を行い、天然で整列したナノスケールの繊維が保存された透過性木材複合材を製造することを含む。透過性木材複合材の厚さは、最初の木材基材の厚さを制御することによって調整され得る。光透過率は、異なる屈折率を有する浸透ポリマーを選択することによって調整され得る。透過性木材複合材は、生分解性エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、さらに構造的およびエネルギー効率的な建築材料における様々な用途を有する。ＧａＡｓ薄膜太陽電池の表面に透過性木材複合材層を被覆することにより、全体的なエネルギー変換効率の１８％の向上が達成された。

Description

連邦政府のスポンサード研究または開発に関する声明
本発明は、ＡＦＯＳＲによって授与されたＦＡ９５５０１３１０１４３による政府の支援によってなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

関連出願への参照
この実用新案出願は、２０１６年２月４日に提出された仮特許出願第６２／２９１１５１号に基づく。

本発明は、光伝送システム、特に木材ベースの光伝送システムに関する。

さらにより詳細には、本発明は、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの広い波長範囲で独自の光学特性を有する異方性透過性木材メソポーラス複合材に関し、光の管理が操作効率の向上に重要な、広範囲のオプトエレクトロニクスおよびフォトニックシステムで利用可能である。このシステムは、高い機械的強度と延性を備えており、案内された日光の透過率および効果的な断熱のためのエネルギー効率の高い建築材料として使用されてよい。

本発明はまた、天然木材の低蛇行チャネルからのリグニンの抽出（第１段階）と、続く第２段階のリグニン除去された木材ブロックを前記チャネル壁のセルロース含有材料の屈折率と実質的に一致する屈折率を有する材料で浸透することを含む、２段階法による透過性木材複合材の製造方法にも関する。

さらに、本発明は、コスト効率の良い方法で製造された異方性透過性木材複合材で形成された広範囲の光管理層を使用するオプトエレクトロニクスシステムに向けられている。

本発明はさらに、窓および／または屋根の代わりとして設置されたとき、一貫性のある均一な屋内照明のために光を効率的に利用する、案内された太陽光の透過率および効果的な断熱のためのエネルギー効率の高い建築材料に関する。

木材は、その天然での成長の間に開発された独自の構造のために優れた機械的特性を有する広く使用されている構造材料である。それらのタイプと地理的な違いに応じて、さまざまな木材は、さまざまなメソ構造を示す。例えば、軟質木材は、典型的には、その急速な成長のために、よりポーラスな構造を有する。硬質木材は、通常、軟質木材と比較して、より緻密な構造およびより高い密度を有する。異なる木材の大規模構造は劇的に異なる可能性があるが、木材のメソポーラス構造はそれらの階層構造における類似性を共有している。

木材の顕著な特徴は、多数の整列した天然の内部チャネルの存在に起因する構造的異方性である。木の幹の中に垂直に整列した内部チャネルは、光合成のための木の必要性を満たすために、木、幹を介してイオン、水および他の成分を汲み上げるために使用されている。

典型的な木材は、主にセルロースとヘミセルロース繊維とリグニンで構成されている。木材セル（細胞）のナノおよびマイクロ繊維は、成長方向に沿って天然で整列し、内部チャネルの壁を形成している。繊維の寸法は、典型的には、長さが３ｍｍ〜５ｍｍであり、直径が１０μｍ未満〜５０μｍである。木材中のバイオポリマー間の強い相互作用によるセルロースナノ繊維の整列は、マトリックス接着剤として作用するリグニンによって強化され、典型的な繊維強化異方性メソ構造を形成する。各木材セル繊維は複数の微細（マイクロ）繊維を含み、各微細繊維はさらにナノサイズの繊維に分解することができる。木材は、構造材料として直接使用されるか、またはセルロース微細繊維が抽出されて不透過紙となる豊富な供給源として使用され、これは日常生活で広く使用されている。

最近、研究者は木材、特にセルロースナノ繊維（ＣＮＦ）およびセルロースナノクリスタル（ＣＮＣ）からバイオポリマーの新興用途を検討し始めた。ＣＮＦおよびＣＮＣは、グリーンエレクトロニクス、エネルギー貯蔵および生物学的デバイスを含む幅広い新しいアプリケーションにとって非常に魅力的である。同時に、パルプ化工程の副産物であるリグニンは、高性能炭素またはエネルギー貯蔵電極を製造するための潜在的な低コスト材料として検討されている。

天然木材は、主に２つの理由から透過性（transparent, 透明性ともいう）ではない。第１に、天然木材は、可視範囲の光を散乱させる微細化されたチャネルを有する。第２に、リグニン浸透木材（３０質量％まで）は可視光を吸収し、ほとんどの木材の不透過な外観につながる。

木材の２つの主要成分である、セルロースおよびヘミセルロースは、光吸収性が極めて低い断熱性（insulating）ポリマーである。それらの光透過率は、プラスチックやガラスのように鮮明であるように、または異なる用途には曇っているように調整することができる。しかしながら、木材からＣＮＦを抽出することは、エネルギーおよび時間のかかる工程である。

光の管理は、オプトエレクトロニクスデバイスの改善に重要である。例えば、ナノコーン構造、ナノドームアレイ、ナノチューブ格子、ナノワイヤ、ならびに金属ナノ粒子のような、一連の光捕捉戦略が開発されており、これらは活性層内の光輸送経路を増加させてデバイスのエネルギー変換効率を効果的に向上させる。光トラッピングのための高度なナノ構造を設計するため、生物に触発されたアプローチもまた使用されている。

透過性光学材料は、ガラスが長い間伝統的な材料であったソーラーベースのエネルギー変換機器にとって、最も重要な構成要素の１つである。光学システムの柔軟性を可能にするために、プラスチックは、光学デバイスの統合のためのガラス代替品としての成功を追求されてきた。しかし、プラスチック基板は、熱安定性が悪い、機能化が難しい、埋立地に廃棄物が入るなどの固有の問題を有している。フォトニクスに向けられた自然界のメソポーラス木材繊維は、その豊富さ、独自の階層構造、豊富な表面化学および十分に発達した木材加工の使用のために望ましい。天然生産であるため、木材は、優れた機械的強度や水やイオンの効率的な輸送などの有利な特性をもたらす独自のメソ構造を有する。

米国エネルギー省（ＤＯＥ）が推進しているように、建物のエネルギー消費量は２０２０年までに２０％、長期目標として５０％削減される予定である。照明と熱の快適さのために使用されるエネルギーは、住宅や商業用建物の総エネルギー消費量の５０％以上を占めている。したがって、特に昼間の空調および照明の使用を節約することは、実質的な節約をもたらすことができる。日光は、ほとんどの日常生活に必要な、最も良い、最も天然の光である。窓は建物内のエネルギー管理において重要な役割を果たす。ガラスは日光採取用の窓に最も一般的に用いられる材料である。しかしながら、ガラス窓は以下の問題を抱えている。

（１）ガラスはしばしばシャドーイング効果と不快なグレアを生成する。建物内で効率的で均一で一貫した屋内照明を作成するために、光採取窓は、可視範囲にわたる高い透過性と順方向への大きな散乱効果を含む有効な指向性散乱を与える必要がある。指向性散乱を実現するために使用される現在の戦略は、ナノ構造のサイズを細かく調整しなければならないＭｉｅ散乱または他の共鳴散乱効果に基づく複雑なナノ構造を含むことが多い。その結果、そのような技術は、大規模な商業的用途には限られた能力を示すことになる。

（２）ガラスの本質的な高い熱伝導率のために、建物を加熱または冷却するために使用されるエネルギーの３分の１が、非効率なガラス窓によって失われている。

（３）ガラスは非常に脆く、突然の衝撃により破損し、安全性の問題を引き起こす可能性がある。

ガラスとは対照的に、木材は優れた機械的強度を有する天然断熱材であり、何千年もの間家屋やキャビンの構造材料として使用されてきた。これは階層構造であり、セルロース、ヘミセルロースおよびリグニンの強い相互作用が、木材に優れた機械的特性をもたらしている。しかしながら、天然木材は、光吸収リグニンおよび微小サイズのセル内腔のため透過性ではない。

木材を透過性に加工することができれば、（例えば木材家具などの）日常的な用途から（自動車の構造材料、建築材料、オプトエレクトロニクスなどの）より先進的な用途までの広い範囲の用途にその有用性を見出すことになる。

効率的な広帯域光管理を有するオプトエレクトロニクスデバイスのための魅力的なプラットフォームとして木材ベースの光管理材料をコスト効率よく製造して、（例えば、薄膜太陽電池および光化学電池などの）エネルギー変換デバイスの活性層内の光閉じ込めを強化し、および昼間の光採取および断熱のためのエネルギー効率の良い建築材料として有用な透過性および半透過性の木材複合材を製造することが非常に望ましい。

発明の概要
従って、本発明の目的は、コスト効率の良い方法で製造され、特別な異方性光学および機械的特性を示し、多くのエネルギー変換装置（例えば、薄膜太陽電池および光電池）のために、ならびに太陽光を効率的に採取して安定して均一な屋内照明を提供するための建築材料としての使用だけでなく、オプトエレクトロニクスにおいて木材ベースの光管理材料として使用できる、透過性木材複合材を提供することである。

透過性木材複合材は、天然ブロックから予め切断された木材ブロックからリグニンを除去した後、リグニン欠損（lignin-devoid）木材ブロックに屈折率（index）整合ポリマーを浸透させるという新規な２段階製造工程によって初めて製造され、木材ブロックの高い光透過性を達成する。木材ブロック切断の方向に応じて異なるタイプの透過性木材複合材料を製造することができ、そこでは木材の天然の内部チャネルが木材切断面に対して垂直に、または木材切断面に沿って、またはそれらの間の他の角度関係で整列している。

構造−工程−特性の関係は、対象となる木材複合材の２つのタイプで研究されており、横断方向に切断されたおよび長手方向に切断された木材試料の製造工程には、異なる製造方法が必要であり、これは横断方向に切断されたおよび長手方向に切断された試料における開放内部チャネルに沿ったリグニン除去およびポリマー浸透の全く異なる動力学のためであることが判明している。得られた木材複合材は、セル（チャネル）壁の内部にセルロースの元の整列構造を維持し、顕著な異方性の光学的および機械的特性を示す。

一態様では、本発明は、
天然木材の天然内部チャネルの方向に対して所定の角度関係で天然木材から予め切断され、そこから天然木材のリグニンを除去するように処理された所定寸法の木材ブロックと、
内部チャネルの壁のセルロース含有材料の屈折率と実質的に一致する屈折率を有し、リグニン欠損木材ブロックの内部チャネルに実質的に完全に浸透する充填ポリマーと、
を含む透過性木材複合材に向けられている。

予め切断された木材ブロックは、異なる用途のために、１００μｍ以上、例えば約１００μｍ〜１．４ｃｍの所定の距離だけ互いに間隔をあけて配置された上部および底部切断面で構成されている。上部および底部切断面のうちの少なくとも一方は、天然の内部チャネルを横断する関係で、または実質的にそれに沿って、またはそれらの間の他の角度関係で延びる。

充填ポリマーは、セルロースの屈折率すなわち１．４８に近い屈折率を有し、具体的には、λ＝５５０ｎｍの光波長で約１．５３の屈折率を有するように選択される。

充填ポリマーは、以下を含む大きなグループの材料から選択することができる：
例えばポリエステル繊維ガラス、ポリウレタンポリマー、加硫ゴム、ベークライト、デュロプラスト、尿素ホルムアルデヒド、メラミン樹脂、ジアリルフタレート（ＤＡＰ）、ポリイミドおよびビスマレイミド、シアネートエステルまたはポリシアヌレート、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ベンゾキサジン樹脂、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、シアネートエステル樹脂、エポキシ（エポキシド）樹脂、フェノール（ＰＦ）樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリウレタン（ＰＵＲ）樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂、等の熱硬化性ポリマー、
例えばアクリル、ＡＢＳ、ナイロン、ＰＬＡ、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、テフロン（登録商標）等の、熱可塑性ポリマー、
例えばセルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルローストリアセテート、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、溶解セルロース、ナノフィブリル化セルロース、セルロースナノクリスタル等の、セルロース誘導体、
例えば液晶、圧力／温度感知材料、圧電材料、さらに、無色ナノ接着剤、低粘度の透過性液体エポキシ樹脂前駆体、樹脂および非ブラッシング脂環式硬化剤の混合物、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の、機能性屈折率整合材料、が挙げられる。

別の態様では、本発明は、木材ベースの光伝送システムに向けられており、これは天然木材から所定の角度関係で天然木材の天然の内部チャネルの方向に予め切断された少なくとも１つの木材ブロックから形成され、そこからリグニンを除去して、リグニン欠損木材ブロックを形成した少なくとも１つの透過性木材複合材と、
天然の内部チャネルの壁のセルロース含有材料の屈折率と実質的に一致する屈折率を有し、かつリグニン欠損木材ブロックの天然の内部チャネルに実質的に完全に浸透する充填ポリマーとを含む。

透過性木材複合部材は、上部および低部の面を有する。所定の角度関係は、透過性木材複合部材の内部チャネルの方向と上部および低部の面の少なくとも一方との間の、例えば約９０°の角度を構成する。あるいは、上部および／または底部の面は、透過性木材複合部材における天然の内部チャネルの方向と実質的に一致する方向に切断される。木材ブロックの面と間隔チャネルの方向との間の０°〜９０°の他の角度関係もまた、対象となるシステムおよび方法において考慮される。

透過性木材複合部材は、厚さが１ｍｍ以上、幅が１ｍｍ以上、厚さが１００μｍ以上の厚いまたは薄いブロックまたは層として構成することができる。

得られる透過性木材複合部材は、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの可視光波長範囲において、約８０％〜９５％の範囲の光透過率および約８０％〜１００％の範囲の光学ヘイズを有する。光学特性は、排他的ではないが、浸透材料の選択に依存する。

対象となる木材ベースの光伝送システムは、フォトニックシステム、太陽電池、光検出器、ディスプレイ、および広角照明システムのうちの少なくとも１つを含む、先進の光管理を有するオプトエレクトロニクスシステムを形成することができる。

光学活性層を含む太陽電池に使用する場合、透過性木材複合部材（厚さが１００μｍ〜３ｍｍの薄い層として形成されている）は、光学活性層と光学的に接触するように配置される。透過性木材複合部材上に入射した光は、太陽電池内の光学活性層に到達する前に、そこを通る光路に沿って散乱される。

あるいは、対象となる木材ベースの光伝送システムは、２３．５〜４５ＭＰａの破断強度を有する高い機械的強度と、製造された透過性木材複合部材の高い延性とを有する光採取建築構造物として使用することができる。機械的特性は、排他的ではないが、浸透材料の選択に依存する。

さらなる態様において、本発明は、木材ベースの光伝送システムの製造方法であって、
透過性木材複合部材を
（ａ）天然の木材から天然の木材の内部チャネルに対して所定の角度関係で予め切断する工程であって、天然の内部チャネルが、セルロース含有材料から形成されかつリグニンで満たされた壁を有する、工程と、
（ｂ）木材ブロックの天然の内部チャネルからリグニンを実質的に完全に除去して、リグニン欠損木材ブロックを形成する工程、および
（ｃ）リグニンを除去する際に、リグニン欠損木材ブロックの天然の内部チャネルを、内部チャネルの壁のセルロース含有材料の屈折率と実質的に一致する屈折率を有する充填ポリマーで、浸透させる工程と、
によって製造するステップを含む。

ステップ（ｂ）において、対象となる製造工程は、
脱イオン水中の２．５ｍｏｌ／Ｌ濃度のＮａＯＨ溶液と、脱イオン水中の０．４ｍｏｌ／Ｌ濃度のＮａ₂ＳＯ₃溶液とを混合して、リグニン除去溶液を調製する工程と、
予め切断された木材ブロックをリグニン除去溶液に約１２時間浸漬して沸騰させる工程と、
予め切断した木材ブロックを高温の蒸留水中ですすぐ工程と、
すすがれた予め切断された木材ブロックを２．５ｍｏｌ／ＬのＨ₂Ｏ₂を蒸留水中に含む漂白溶液中で、予め切断された木材ブロックの色が消失するまで（攪拌を避けて）浸漬して沸騰させることによって、リグニン欠損木材ブロックを得る工程と、
無色のリグニン欠損木材ブロックを冷水ですすぐ工程と、
無色のリグニン欠損木材ブロックをエタノール溶媒中で保存する工程を想定している。

他のリグニン除去化学成分（紙製造工業で広く使用される）は、ＮａＯＨ＋Ｎａ₂ＳＯ₄（沸騰）（＋Ｈ₂Ｏ₂）、ＮａＣｌＯ、Ｈ₂Ｏ₂、ＮａＣｌＯ₂＋酢酸、ＮａＯＨ（＋Ｈ₂Ｏ₂）、ＮａＯＨ＋Ｎａ₂Ｓ（＋Ｈ₂Ｏ₂）、Ｎａ₂Ｓ₂Ｏ₄＋ＺｎＳ₂Ｏ₄、ＣｌＯ₂、ＣＨ₃ＣＯＯＯＨ、Ｈ₂ＳＯ₅、ＣＨ₃ＣＯＯＯＨ＋Ｈ₂ＳＯ₅を含むが、これらに限定されない。

工程（ｃ）において、対象となる製造工程は、
リグニン欠損木材ブロックを液相中の充填ポリマーに浸漬する工程と、
液体充填ポリマーを約２００Ｐａの圧力下で約５〜１０分間脱気して、リグニン欠損木材ブロックから気体およびエタノール溶媒を除去する工程と、
大気圧を液体充填ポリマーに適用して、内部チャネルの浸潤工程を促進する工程と、
大気圧の印加を所定回数繰り返して、液体充填ポリマーに浸漬されたポリマー浸透木材ブロックを得る工程と、
液体充填ポリマーが固化するまで、充填ポリマー中のポリマー浸透木材ブロックを約３０℃〜６０℃で約１２時間平静に維持する工程と、
ポリマー浸透木材ブロックを固化した充填ポリマーから剥離して、透過性木材複合部材を得る工程を更に含む。

対象となる方法はさらに、以下のステップを意図する：
透過性木材複合部材を太陽電池の光学活性層上に連続的に接触して載置してサンドイッチ構造体を形成する工程と、
サンドイッチ構造体を室温で乾燥させて透過性木材複合部材を太陽電池に堅固に取り付ける工程。

対象となる方法はまた、以下のステップを意図する：
透過性木材複合部材を少なくとも１つの窓または屋上の現場で建物に取り付けて、改善された断熱および日中の光採取を提供できるエネルギー効率の良い建築材料として機能させる工程。

図１Ａ〜１Ｊは、２種類の木材ブロックの製造工程を概略的に示す。図１Ａは、放射方向（Ｒ−木材）および長手方向（Ｌ−木材）で事前切断された木材ブロックを示す。 図１Ｂおよび１Ｃは、それぞれＲ−木材およびＬ−木材における内部チャネルを示す。 図１Ｄおよび１Ｅは、それぞれＲ−木材およびＬ−木材における内部チャネルのＳＥＭ画像を示す。 図１Ｆは、対象となる製造工程のリグニン除去段階を概略的に示す。図１Ｇおよび１Ｈは、それぞれリグニン除去（工程Ｉ）および漂白ルーチン（工程ＩＩ）中の木材ブロックの色の変化を示す。 図１Ｉおよび１Ｊは、それぞれ工程ＩおよびＩＩにおけるリグニン含有量対時間に対応する図である。 図２Ａ〜２Ｅは、横断方向に切断された透過性木材複合材の本発明の製造方法を概略的に示す。図２Ａは天然木材を示す。図２Ｂは、天然木材の予め切断された薄片を示す。図２Ｃは、図２Ｂの木材ブロックから内部チャネルに対して放射方向に切り取られたリグニン充填木材ブロックを（幾分拡大して）示す。 図２Ｄは、図２Ｃの木材薄片を示し、そこでは、リグニンが除去されている。図２Ｅは、ポリマーの浸潤のステップを示す。図２Ｆは、ポリマーが木材の天然の内部チャネルに浸透している図２Ｄの透過性木材ブロックを示す。図２Ｇは、透過性木材複合材を示す。 図３Ａ〜３Ｄは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図３Ａは、リグニン欠損木材ブロックのＳＥＭ画像である。図３Ｂは、図３Ａの拡大リグニン欠損ＳＥＭ画像である。図３Ｃは、整列したセルロースナノ繊維のＳＥＭ画像である。図３Ｄは、ポリマー充填木材複合材のＳＥＭ画像である。 図４Ａ〜４Ｌは、内部チャネルに対する放射方向（Ｒ−木材）および内部チャネルに沿った長手方向（Ｌ−木材）の予め切断された透過性木材複合材の比較を示す。図４Ａおよび４Ｂは、それぞれ透過性木材の２つの異なる異方性構造（放射方向および長手方向）での透過率測定設定を示す。図４Ｃおよび４Ｄは、それぞれＲ−木材およびＬ−木材についての散乱光スポットの写真画像である。 図４Ｅおよび４Ｆは、それぞれ図４Ｃおよび４Ｄに対応するＸ方向およびＹ方向の強度分布を表す図である。図４Ｇおよび４Ｈは、それぞれグリッド上に直接配置されおよびグリッドの５ｍｍ上に置かれた透過性Ｒ−木材試料を示す。図４Ｉおよび４Ｊは、それぞれグリッド上に直接配置されおよびグリッドの５ｍｍ上に置かれたＬ−木材試料を示す。 図４Ｋは、天然Ｒ−木材、天然Ｌ−木材、透過性Ｒ−木材および透過性Ｌ−木材の総透過率をそれぞれ示す図である。図４Ｌは、Ｒ−木材複合材およびＬ−木材複合材の光学ヘイズをそれぞれ表す図である。 図５Ａ〜５Ｈは、Ｒ−木材およびＬ−木材の構造特性の比較の代表例である。図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ透過性Ｒ−木材部材および透過性Ｌ−木材部材に適用される機械的な力を示す。図５Ｃは、天然のＲ−木材および透過性Ｒ−木材試料それぞれの実験的応力−歪み曲線を表す図である。図５Ｄは、天然Ｌ−木材および透過性Ｌ−木材試料の実験的応力−歪み曲線をそれぞれ表す図である。 図５Ｅおよび５Ｆは、それぞれ応力−歪み試験の破断後の天然Ｒ−木材および天然Ｌ−木材の横断面のＳＥＭ画像を示す。図５Ｇおよび５Ｈは、それぞれ応力−歪み試験の破断後の透過性Ｒ−木材複合材および透過性Ｌ−木材複合材試料の横断面のＳＥＭ画像を示す。 図６Ａ〜図６Ｆは、製造工程中の木材変形の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図６Ａは、リグニンで充填された開放チャネルを示す木材ブロックの横断面である。図６Ｂは、リグニンが除去された木材薄片の横断面のＳＥＭ画像である（得られた白い木材は、挿入図として示されている）。図６Ｃは、リグニンが屈折率整合ポリマーによって置き換えられた木材薄片の横断面を示す（得られた透過性木材は、挿入図として示されている）。図６Ｄは、内部微細チャネルの整列を強調した未処理Ｒ−木材の側面図である。図６Ｅは、微細繊維のセル壁内の高密度に整列したＣＮＦを示すＳＥＭ画像である。図６Ｆは、図６Ｅの繊維を示すＳＥＭ画像であり、より高いコントラストを有するように更なる処理の後にランダムに分布されていて、配向繊維をランダムに分布したネットワークに分解して示している。 図７Ａ〜７Ｃは、製造された透過性木材複合材と天然木材との間の透過率の比較を示す。図７Ａは不透過性木材ブロックを示す。図７Ｂは、厚さ１ｍｍの透過性木材複合部材を示す。図７Ｃは、特定地域の天然木材と透過性木材複合材との総透過率の比較を示す図である。 図８Ａは、異なるパーセントでリグニンが除去された木材スラブの透過率特性を表す図である。図８Ｂおよび８Ｃは、異なる縮尺による木材の蛍光画像である。図８Ｄ〜８Ｇは、異なる重量パーセントのリグニン除去レベルを有する木材の蛍光画像である。 図９Ａ−９Ｂは、透過性木材複合材試料のヘイズ特性およびそのＧａＡｓ太陽電池への適用を示す。図９Ａは、透過性木材複合材による光の散乱を示す。図９Ｂは、実験で使用した透過性木材複合材試料の透過率およびヘイズをそれぞれ表す図である。図９Ｃは、活性層に取り付けられた木材透過性複合材を用いた太陽電池に入射する光の分布の概略図である。図９Ｄは、裸のＧａＡｓセルおよび光管理透過性木材複合材コーティングを有するＧａＡｓセルの電流密度対電圧特性をそれぞれ示す図である。 図１０Ａ−１０Ｂは、透過光を順方向に散乱させて実質的に均一な照明を生成して、導電性の熱流を減少させ、実質的に一定の内部温度を維持することができる、対象となる透過性木材複合材から作製された透過性木材屋根頂部（図１０Ａ）および建築材料（図１０Ｂ）を有する建築物を概略的に示す。 図１１Ａは、透過性木材微細構造のＳＥＭ画像である。図１１Ｂは、厚い透過性木材複合材ブロックにおける導波光伝播の上面図である。図１１Ｃは、０．５ｃｍの厚さの透過性木材窓を通して可視波長範囲内に有効な広帯域前方散乱を伴う高い透過率および低い反射率を表す図である。図１１Ｄは、透過性木材複合材試料に入射する４５°レーザービームの透過ビームパターンを示す。図１１Ｅは、ＸおよびＹ方向における光の強度対散乱角度の図を示す。 図１２Ａは、標準ガラス、透過紙および対象となる透過性木材複合材の透過率パーセント対ヘイズパーセントをそれぞれ表す図である。図１２Ｂは、透過性木材複合材を通した均一で快適な照明と比較した、ガラスで問題となるグレアリング効果の写真的証拠である。図１２Ｃは、ガラスと比較した、昼光採取屋根頂部として対象となる透過性木材複合材を使用した場合の住宅モデル内の均一な光分布の写真的証拠である。図１２Ｄは、ガラス屋根対透過性木材複合材屋根の光強度分布を示す図である。 図１３Ａは、透過性木材複合材における半径方向および軸方向の熱輸送の説明図である。図１３Ｂは、それぞれ標準的なガラス、エポキシ、軸方向および半径方向の透過性木材の測定された熱伝導率の図である。 図１４Ａは、同様の厚さの透過性木材複合材と比較した、標準ガラスの一部の衝撃試験を示す。図１４Ｂは、透過性木材複合材およびガラスのそれぞれの歪み−応力曲線の図を示す。図１４Ｃは、透過性木材複合材試料が耐水性であり、水に７２時間浸漬した後に明白な変化を示さないことの写真の証拠である。

図１Ａ〜１Ｈおよび２Ａ〜２Ｇに示すように、透過性木材複合材は、光吸収性のリグニンを除去してリグニン欠損木材ブロックを形成する工程（図１Ｆおよび２Ｄに最もよく示される第１の製造段階）と、リグニン欠損木材ブロック中のナノ／マイクロサイズのチャネルを屈折率整合ポリマーで埋め戻しする工程（後の第２の製造段階では図２Ｅに最もよく示されている）を含む、効率的で単純な工程によって製造された。チャネルを適切に選択されたポリマーで充填することにより、屈折率（ＲＩ）の不一致を大幅に低減することができ、光の反射が抑制されて木材試料の透過性を高めることができる。

天然木材のよく画定された内部チャネルは低い屈曲度を有し、これは内部チャネルの内部に堆積した着色リグニンを迅速に除去することを可能にしている。リグニンを除去した後、開放された内部チャネルはポリマーによる迅速な浸透を可能とし、光散乱を減少させ木材／ポリマー複合材の機械的強度を増加させる。

得られたポリマーが浸透したリグニン欠損木材ブロックは、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの可視波長範囲の広いスペクトルにわたって、約８７±５％の光透過率および８０〜１００％の高い光学ヘイズを示す。対象となる工程は、リグニン除去およびポリマー浸透の際の天然木材中のＣＮＦの良好に整列した微細構造を維持し、これは有効な入射光散乱に寄与する。

予め切断された木材ブロックは、様々な厚さを有していて例えば厚いブロックまたは薄い層を形成し、対象となる方法における木材透過性複合材ブロックの厚さは、約１００μｍ（典型的な紙の厚さ）からミリメートル、またはより厚い例えば１．４ｃｍの範囲であってよい。

対象となる透過性木材複合材は、大きなグループの屈折率整合材料から選択され得る充填材料に依存して、水および湿潤環境において向上した寸法安定性を有する。

対象となる透過性木材複合材の薄層が、ＧａＡｓ太陽電池に光管理コーティングとして取り付けられた場合、構造は太陽電池の効率を１８％向上させることを実証している。

対象となる透過性木材複合材はまた、太陽光を効率的に収集して安定して均一な屋内照明を提供することができる、貴重な建築材料として実証されている。天然木材の垂直に整列した透過性木材繊維は、前方から後方への散乱比が大きい効率的な可視光誘導効果を示す。窓または屋根として使用される場合、対象となる透過性木材は、効果的に太陽光を建物内に導く。広帯域での極端な光学ヘイズ（＞９５％）や高い透過率（＞８５％）などの独自の光学特性は、建物内のグレア効果なしで均一で快適な屋内環境照明につながる。透過性木材複合材は、ガラスより優れた断熱性を有し、熱伝導率は少なくとも３倍低い。住宅や商業部門からの温室効果ガスの排出は、主に建物のエネルギー使用に起因する可能性があり、これは透過性木材の使用によって削減される。対象となるエネルギー効率の良い透過性木材建材の利用は、温室効果ガス排出量の低減とともに実質的な省エネルギーをもたらすことができる。木材ベースの透過性複合材は、次世代のエネルギー効率の高い建物での幅広い用途を見出し得る。

図１Ａ〜１Ｈおよび図２Ａ〜２Ｇに示すように、対象となる製造工程は、天然木材１２の胴部に沿って延びる天然の内部チャネル１４の方向に対して所定の角度関係で木材ブロック１０を天然木材１２から予め切断することから始まる。木材ブロック１０は、２つの対向する面、例えば上部および底部の切断面１６および１８をそれぞれ有し、これらは互いに平行または非平行であってよい。

切断面１６、１８と内部チャネル１４の方向との間の角度関係は、内部チャネル１４の方向と木材ブロック１０の切断面との間の任意の角度変位を包含することができる。しかしながら、明確化のために、例のみとして、対象となる発明の保護の範囲を制限することなく、２つの角度関係が以下の段落に示されており、（１）図１Ａ−１Ｂ、１Ｄ、２Ｃ−２Ｄ、および２Ｆに示す成形半径方向の（Ｒ−木材）タイプを形成する木材ブロック１０の横断面切断と、（２）図１Ａ、１Ｃ、および１Ｅに示すような長手方向の（Ｌ−木材）木材ブロック１０を形成する長手方向切断とを含む。上述したように、Ｒ（９０°）と長手方向（０または１８０°）との間の範囲にある木材ブロック１０を切断するための他の角度関係もまた、対象となる透過性木材複合材構造の製造工程において考慮される。

木材のチャネル１４は、リグニン２０で天然に満たされている。チャネル１４は、セルロースおよび／またはヘミセルロースから作られた壁２２を有する。対象となる製造方法は、リグニン除去のステップを意図しており、これが図１Ｆおよび図２Ｄに概略的に示されており、そこで木材ブロックは、工程Ｉにおいて化学物質ＮａＯＨおよびＮａ₂ＳＯ₃を有する水中で加熱され、工程ＩＩにおいて水中のＨ₂Ｏ₂溶液中で漂白され、これらは両方がリグニン除去ステージを共同で構成してリグニン欠損木材試料２４を形成する。

図１Ｇ〜１Ｈに示すように、工程ＩおよびＩＩのリグニン除去の間、褐色および黄色がかった木材ブロック１０は次第に軽くなり、光散乱およびリグニンによる光吸収の欠如のため最終的に白くなる（白い木材２４）。リグニンが完全に除去されると、白い木材ブロック２４内のチャネルは開放され、次のリグニン欠損試料２４を屈折率整合ポリマーで浸透させて図２Ｆ−２Ｇに示すように光の散乱を減少させることを可能にし、こうして高度に透過性の木材複合材２６が形成される。

対象となる工程は、Ｌ−木材と同様、Ｒ−木材透過性複合材の製造に適用されるが、長い開放チャネル１４が木材ブロック１０の面１６、１８の方向に延在している（図１Ｂ、１Ｄに示すような）Ｌ−木材よりも、Ｒ−木材タイプでは（図１Ｃおよび図１Ｅに示すように）内部チャネル１４がより短くそれらの開口部３０は化学物質でより容易なアクセスを可能にしているという、異なる工程の状況がある。リグニン除去およびポリマー浸透の工程は、Ｌ−木材の方がＲ−木材よりも長い。

Ｒ−木材およびＬ−木材におけるチャネルの長さの違いは、リグニンの再生およびポリマー浸透の動力学の違いを決定づけている。Ｒ−木材（図１Ｂおよび１Ｄ）のチャネルの長さがＬ−木材（図１Ｃおよび１Ｅ）の長さよりもはるかに短いという事実により、リグニン除去およびポリマー浸透はＲ−木材の薄片中でより速くなる。

成長方向に沿って伸びる木材幹１２には多数の直線チャネル１４がある。劇的に異なる微細構造を有する木材スラブ１０は、例えば図１Ａに示すように、異なる方向に切断することによって容易に得ることができ、Ｒ−木材は、木材の厚さと実質的に同じ深さを有する、面１６、１８に垂直な開放チャネル１４を有する。Ｌ−木材は同一のメソポーラスの開放溝を有するが、開放溝の深さは木材ブロック１０の長さに対応する。Ｒ−およびＬ−木材の異方性微細構造の相違は、リグニン除去率に顕著な差をもたらし、リグニンは、短い深さを有する開放チャネルゆえにＲ−木材ではるかに容易に抽出することができる（図１Ｂおよび１Ｄ）。それはＬ−木材からリグニンを抽出するのにより長い時間を要する（図１Ｃおよび１Ｅ）。

Ｒ−木材およびＬ−木材の微細構造をそれぞれ示す図１Ｄおよび１Ｆに示すように、木材中の開放チャネルは、１０μｍ〜８０μｍの範囲で均一ではなく、これがＬ−木材でのリグニン除去を困難にしている。

実験では、寸法５０ｍｍ×５０ｍｍおよび厚さ３ｍｍの木材ブロック１０が使用された。図１Ｆに示すように、予め切断された木材ブロック１０がＮａＯＨおよびＮａ₂ＳＯ₃を含む沸騰溶液に浸漬されて（工程Ｉ）、リグニン含有量の一部を溶解させた。次いで、木材ブロックが漂白すなわち残りのリグニンを除去するために水中のＨ₂Ｏ₂溶液に移された（工程ＩＩ）。リグニンを除去する化学物質は、典型的には先述の段落に記載されているように、調製される。

他のリグニン除去化学物質（製紙業で広く使用される）は、ＮａＯＨ＋Ｎａ₂ＳＯ₄（沸騰）（＋Ｈ₂Ｏ₂）、ＮａＣｌＯ₂、Ｈ₂Ｏ₂、ＮａＣｌＯ₂＋酢酸、ＮａＯＨ（＋Ｈ₂Ｏ₂）、ＮａＯＨ＋Ｎａ₂Ｓ（＋Ｈ₂Ｏ₂）、Ｎａ₂Ｓ₂Ｏ₄、Ｎａ₂Ｓ₂Ｏ₄＋ＺｎＳ₂Ｏ₄、ＣｌＯ₂、ＣＨ₃ＣＯＯＯＨ、Ｈ₂ＳＯ₅、ＣＨ₃ＣＯＯＯＨ＋Ｈ₂ＳＯ₅を含むがこれらに限定されない。

リグニンは着色されているがセルロースは無色であるので、木材ブロックの色は、木材ブロック表面に残っているリグニンの量を示すことになる。Ｒ−木材およびＬ−木材におけるリグニン除去の色の比較を図１Ｇおよび１Ｈに示す。リグニンが除去されるにつれて、色はより明るくなる（工程の持続時間によって同定される）。図１Ｇ−１Ｈに見られるように、Ｒ−木材の工程は、同じ工程時間でＬ−木材よりも軽量のＲ−木材で示されたように、Ｌ−木材の工程よりもはるかに高速である。図１Ｂに示す実験装置は、大量生産のためにスケールアップして多数の木材ブロックを同時に処理することができる。

リグニン除去は、両方のタイプの木材（図１Ｉおよび１Ｊ）で定量化され、ここでｙ軸はリグニン除去工程ＩおよびＩＩの一定期間後の木材ブロックのリグニン含有量に対応する。工程Ｉで処理された両方のタイプの木材（Ｒ−木材およびＬ−木材）では、最初の１時間でリグニンが急速に除去されていて、Ｒ−木材のリグニン損失は〜２５％まで上昇している。図１Ｉは、リグニン除去速度の明確な差異を示しており、その工程はＬ−木材よりもＲ−木材の方がはるかに速い。工程ＩＩでは、Ｒ−木材中のリグニンもまた迅速に除去される（図１Ｊ）。これらの結果は、Ｌ−木材のチャネル長さがＲ−木材のそれよりもはるかに大きいという事実と一致する。

木材ブロックの異方性開放チャネル１４は、速いリグニン除去を可能にするだけでなく、ポリマーの浸透を速めて、透過性木材複合材、特にＲ−木材を形成する。図３Ａは、大部分のリグニンが除去された後の木材ブロックのＳＥＭ画像を示す。開放チャネルは、セルロースおよびヘミセルロースでできている。木材ブロックは、木の成長方向に沿って大規模な開放チャネルと開口部を示している。拡大されたＳＥＭ（図３Ｂに示されている）もまた、より小さい第２の孔を示し、これは木の幹の半径方向の材料輸送を可能にしている。図３Ｂの挿入図は、リグニン欠損白色木材ブロック２４を示す。よく画定されたチャネルを有する微細構造は、リグニン除去工程の間良好に保存されるが、これはポリマーの急速な浸潤に重要である。拡大ＳＥＭ写真はまた、セル壁２２上のセルロースナノ繊維を示し、これは図３Ｃに示されるように整列して密集している。

リグニンの除去に続いて、充填ポリマーは、図２Ｅに示されるように、真空補助の下で木材微細構造中に浸透される。充填ポリマー２８は、セルロースの屈折率に近い屈折率（〜１．４８）を有する一群の材料からの材料であってよい。充填ポリマーは、以下の材料の群から選択され得るが、これらに限定されるものではない：
例えばポリエステル繊維ガラス、ポリウレタンポリマー、加硫ゴム、ベークライト、デュロプラスト、尿素ホルムアルデヒド、メラミン樹脂、ジアリルフタレート（ＤＡＰ）、ポリイミドおよびビスマレイミド、シアネートエステルまたはポリシアヌレート、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ベンゾキサジン樹脂、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、シアネートエステル樹脂、エポキシ（エポキシド）樹脂、フェノール（ＰＦ）樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリウレタン（ＰＵＲ）樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂等の、熱硬化性ポリマー、
例えばアクリル、ＡＢＳ、ナイロン、ＰＬＡ、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、テフロン（登録商標）等の、熱可塑性ポリマー、
例えばセルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルローストリアセテート、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、溶解セルロース、ナノフィブリル化セルロース、セルロースナノクリスタル等の、セルロース誘導体、
例えば液晶、圧力／温度感知材料、圧電材料、さらに、無色ポリマーナノ接着剤、低粘度の透過性液体エポキシ樹脂前駆体、樹脂および非ブラッシング脂環式硬化剤の混合物、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の、機能性屈折率整合材料が挙げられる。多くの例の１つとして、比較的低粘度の透過性液体エポキシ樹脂前駆体（＃３００樹脂と＃２１非ブラッシング脂環式硬化剤の混合物）が使用され得る。

対象となる製造工程のポリマー充填段階のために、リグニン欠損白色木材試料２４が液体ポリマー２８に浸漬され、続いて、図２Ｅに概略的に示すように、真空／脱真空処理サイクルが繰り返される。約３回の真空／脱気サイクル後に完全な浸潤が達成される。図３ＤのＳＥＭ像および図２Ｆの概略図は、充填ポリマーがチャネルおよび開口に充分に浸潤することを示す。木材チャネルの元のセルロース壁および浸透ポリマーは、図３ＤのＳＥＭ画像において明確に区別することができる。木材−ポリマー複合材を途中で破壊する実験で、続いてＳＥＭイメージングを行うことにより、充分な浸潤が確認された。ポリマー浸透工程は、天然木材の微細構造の骨格を破壊しない。木材セルロースと浸透ポリマーとの間の強い相互作用（例えば、水素結合またはファンデルワールス力）は、木材微細構造の骨格を保存し、構造的に変化することを防止する。ポリマー浸透の後、白色木材ブロック２４（図３Ｂの差し込み図）は光学的に明瞭になり、したがって、厚い（１センチメートルまで）木片は、図２Ｆ−２Ｇおよび図３Ｄに示すように、高度に透過性の構造材料２６になる。

２種類の透過性木材（Ｒ−木材およびＬ−木材）の異方性構造は、潜在的に広範な異方性をもたらす。Ｒ−木材およびＬ−木材の異方性光学特性は、全般的に研究されている。図４Ａ−４Ｌは、それぞれ透過性木材複合材２６の２つのタイプ（Ｒ−木材およびＬ−木材）の光学的測定値を示す。研究のためのＲ−木材およびＬ−木材の両方の厚さは、比較目的のために２ミリメートルであった。

透過性Ｒ−木材および透過性Ｌ−木材の複合材試料２６の透過率測定装置の設定が図４Ａおよび図４Ｂに示されている。５３２ｎｍ単一モードレーザー（Ｔｈｏｒｌａｂｓ、Ｉｎｃから）が、異方性測定のための入射光源として使用された。透過性木材試料を垂直に照射する前に、レーザーが先ず約２００μｍのスポットサイズでコリメートされた。入射光は、透過性木材複合材の散乱のため急速に発散する。散乱効果は（図４Ｃに示すように）Ｒ−木材の光伝搬横断面において等方的であるが、Ｌ−木材における光散乱は（図４Ｄに示すように）きわめて異方性である。

Ｔｈｏｒｌａｂｓ、Ｉｎｃ．のフォトダイオードパワーセンサＳ１３０Ｃを使用して、光伝搬方向（ｚ方向）に対して垂直な２次元平面のＲタイプおよびＬタイプ（図４Ｅおよび４Ｆにそれぞれ印を付けた）のｘ方向およびｙ方向の散乱光強度分布を記録した。

Ｒ−木材のポリマー浸透の後、充填ポリマーとセルロース繊維との間の屈折率の不一致は、図４Ｅに示すように、単一モードガウスレーザービームの角度に依存しない散乱を容易にする。その結果得られた散乱光は、ｘ方向およびｙ方向の両方において同様の散乱角度を有するガウス様の分布を示す。

一方、Ｌ−木材中の木材繊維はｘ方向に整列され、ｙ方向に離散的な屈折率変化を生じる（図４Ｆに示すように）。大きく横断的に拡大されたビームは、ｙ方向に非常に大きな散乱角度を伴って観察され、これは高密度に充填され整列された木材繊維による強い光回折の結果である。ｘ方向では、屈折率変化が少なく、入射光がわずかに散乱し、これは軽度の空間分布という結果となった。Ｌ−木材の強い異方性微細構造は、その強い異方性光学特性につながる。

異方性透過性木材複合材はまた、独自のイメージング効果を示す。垂直および平行線を有するグリッド３２が、光散乱における角度依存性を示すように設計された（図４Ｇ−４Ｊに示されるように）。グリッド線は、グリッド線の表面と接触しているとき（図４Ｇおよび図４Ｉ）、透過性ＲおよびＬ−木材透過性複合材試料２６の両方について明確に見ることができる。しかしながら、視覚的効果は、透過性木材複合材２６がラインより５ミリメートル上に位置するときには異なる。Ｒ−木材については（図４Ｈ）、高い透過率のヘイズのために線は観察され得ない。Ｌ−木材（図４Ｊ）では鮮明なコントラストでグリッド線は平行線に変えられる一方で、開放チャネルに平行な線は減少するが、これは図４Ｆに示される異方性ヘイズ効果に従うものである。

光学特性の異方性挙動に加えて、透過性木材複合材の全透過率および光透過率ヘイズも研究されている（図４Ｋおよび４Ｌ）。統合された球体が光透過率および透過率ヘイズを測定するために使用された。天然Ｌ−およびＲ−木材は、強いリグニン吸収のために、ほとんど無視できる透過率を示す。リグニン抽出およびポリマー浸透後、両方のタイプの透過性木材複合材は、図４Ｋに示すような劇的に高い透過率を示す。測定されたＲ−木材の透過率は、Ｒ−木材よりも高い９０％に達し、これはＲ−木材の開放チャネルの深さが小さくポリマーがより良好に充填されるためである。

透過性木材複合材試料（Ｒ−木材およびＬ−木材）は両方とも４００ｎｍから８００ｎｍの範囲の全可視波長をカバーする大きなヘイズを示し、Ｒ−木材はＬ−木材より一般的に高い値を示す（図４Ｌ）。

微細化されたセルロースとポリマーとの間の界面が入射光の波長よりも大きい粗さを有する透過性木材複合材の場合、散乱強度は実質的に波長から独立している。この広い範囲の光管理は、ミー散乱と呼ばれる。両方のタイプの木材によって示される高い光学ヘイズは、太陽電池およびディスプレイに必要な光結合および抽出効率を改善するために高度な光管理が必要とされている、幅広いオプトエレクトロニクス用途に潜在的に使用することができる。

透過性木材複合材料の独自のメソ構造は、異方性の光学特性につながるだけでなく、劇的に異方性の機械的特性を異なる方向にもたらす。実験を実施するために、透過性Ｒ−木材試料２６および透過性Ｌ−木材試料２６が図５Ａ−５Ｂに示す形状で製作され、機械的試験のために、長さが約５０ミリメートル、幅が１０ミリメートル、厚さが３ミリメートルの寸法であった。試料２６が図５Ａ−５Ｂに示されている。Ｔｉｎｉｕｓ Ｏｌｓｅｎ Ｈ５ＫＴ試験機が、試料の応力−歪み測定を実施するために使用された。同様な寸法に切断された天然木材の試料も比較のために評価された。

天然のＲ−木材と比較して、透過性木材複合材は、改善された機械的強度を示し、２３．５ＭＰａまでの破壊強度を有する（図５Ｃに線図で表されている）。比較のため、天然Ｒ−木材の破壊強度はわずか４．５ＭＰａである。リグニンの除去およびポリマーの充填は、改良された強度を有する透過性Ｒ−木材材料につながる（図５Ｃ）。追加の利点は、透過性木材複合材が天然木材と同様のすなわち〜３．７％の延性を有することである。

透過性Ｌ−木材は、約４５ＭＰａの破壊強度を有し、透過性Ｒ−木材のそれより約２倍高い（図５Ｄの線図に示されるように）。透過性Ｌ−木材はまた、透過性Ｒ−木材よりも高い延性を有する。天然Ｌ−木材と比較して、ポリマー浸透後の透過性Ｌ−木材は、強度と延性の両方が高い。

ほとんどの材料において、機械的強度と延性は相互に排他的である。強度と延性の同時増加は異常であるが、構造用途には非常に望ましい。天然木材と比較して、延性と機械的強度の両方の増加は、透過性木材複合材のはるかに高い靭性につながり、対象となる透過性木材を構造材料用途に非常に望ましいものにする。

応力−歪み試験後の破断までの横断面が発明者らによって検討された。天然木材の開放チャネルは、図５Ｅおよび５Ｆに示されるＳＥＭ画像において視認可能である。適用された力は、Ｒ−木材の開放チャネルに対して垂直であり、Ｌ−木材のチャネルに対して平行である。

ＳＥＭ画像は、破断後に類似の形態を示すが、破砕後の写真に示される巨視的特徴は非常に異なっている。Ｌ−木材の横断面は粗い表面（図５Ｆの挿入図）を有し、そこではチャネル内で破壊が起こる。一方、Ｒ−木材は平行な積層のため、より脆い材料のような断面（小さな表面、図５Ｅの挿入図）を示し、そこではチャネル間で破断が生じる。

微細スケールおよび巨大スケールの研究は、破損メカニズムを調査するため、透過性木材複合材のために実施されてきた。透過性Ｒ−木材およびＬ−木材試料では、機械的破壊後の横断面の巨視的構造は同様であり、滑らかな界面を有する。透過性木材複合材では、充填ポリマーは、リグニンを除去した後にセルロース主鎖と架橋して三次元ネットワークを形成する。ＳＥＭで観察された整列構造は、透過性Ｒ−木材よりも透過性Ｌ−木材のほうがより高い機械的強度につながる。

図５Ｇおよび５Ｈは、それぞれ、応力−歪み試験における破断後の透過性Ｒ−木材および透過性Ｌ−木材の横断面ＳＥＭを示す。図５Ｅ〜５Ｈの挿入図は、機械的破壊後の試料の写真である。

２種類の異方性木材複合材が天然木材の独自の天然マクロ構造を利用して製造されている。透過性Ｒ−木材およびＬ−木材複合材の両方において、（１）開放チャネルからのリグニン除去、および（２）開放チャネル中へのポリマー浸透という、連続した２つの段階が用いられて、異方性透過性木材複合材を製造した。良好に画定され整列されたチャネルは、２つの工程を大いに容易にする。両方のタイプの透過性木材では、天然のセルロース構造が十分に保存され、リグニンの色が除去され、ポーラス構造がポリマーで充填され、これは９０％までの高い透過率につながる。

数多くのポリマー−セルロース界面は前方光散乱を支持し、これは同時に高い光学ヘイズにつながる。２つのタイプの透過性木材複合材（Ｒ−木材およびＬ−木材）は、異なる光散乱および機械的特性も示す。例えば、面（Ｌ−木材）の開放チャネルを有する透過性木材は、面（Ｒ−木材）よりも機械的に強く、丈夫である。

材料と化学物質。Ｗａｌｎｕｔ Ｈｏｌｌｏｗ ＣｏｍｐａｎｙからのＢａｓｓｗｏｏｄが実験に使用された。木材からリグニン含有物を除去するのに使用される化学物質は、水酸化ナトリウム（＞９８％、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、亜硫酸ナトリウム（＞９８％、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）および過酸化水素（３０％溶液、ＥＭＤ Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）であった。浸透のために使用されたポリマーは、エポキシ樹脂（＃３００樹脂および＃２１非ブロッキング脂環式硬化剤、ＡｅｒｏＭａｒｉｎｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、Ｉｎｃ．）であった。あるいは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ、平均Ｍｗ〜１，３００，０００、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）がリグニン欠損木材の充填ポリマーとして使用された。使用された溶媒は、エタノールアルコール（１９０プルーフ、９５％、Ｐｈａｒｍｃｏ−Ａａｐｅｒ）および脱イオン（ＤＩ）水であった。

木材からのリグニンの除去。リグニン除去溶液は、脱イオン（ＤＩ）水にＮａＯＨおよびＮａ₂ＳＯ₃を溶解することによって調製され、その結果、それぞれ２．５ｍｏｌ／Ｌおよび０．４ｍｏｌ／Ｌの濃度が得られた。木片がリグニン除去溶液に浸漬され、図１Ｆ（工程Ｉ）に示すように１２時間煮沸され、続いて熱蒸留水で３回すすがれて、大部分の化学物質を除去した。木材ブロックは次いで漂白溶液（Ｈ₂Ｏ₂、脱イオン水中２．５モル／Ｌ）に置かれ、攪拌せずに沸騰された（図１Ｆに示す工程ＩＩ）。試料の黄色が消失したとき、試料が取り出され、冷水ですすがれた。リグニン欠損試料はさらにエタノール中に保存された。

ポリマー浸透。エポキシ樹脂は、２つの液体成分（＃３００樹脂および＃２１非ブラッシング（blushing）脂環式硬化剤）を２対１の比率で混合することによって調製された。リグニン欠損木材試料は皿の底に置かれ、液体樹脂に浸漬された。次いで、溶液は２００Ｐａ下で脱気（真空）されて、図２Ｅに示されるように木材中のガスおよびエタノール溶媒を除去した。約５分で真空が開放され、大気圧で木材構造体にポリマーを充填させた。工程の真空／脱気は、図２Ｅに示すように３回繰り返された。これらの工程はすべて、ポリマー固化を避けるために３０分以内に終了させた。最後に、木材試料とポリマーを含む皿は３０℃で１２時間静置された（平静にされた）。ポリマー浸透した木材試料は、ポリマーが完全に固化した後に、皿から剥がされた。

ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を使用する場合、ポリマーは、ポリマーの１５質量％の濃度でエタノールに溶解された。完全溶解後、リグニン欠損木材は皿の底に置かれ、ＰＶＰ溶液に浸漬された。溶液の深さは、木の厚さよりも約１桁大きかった。次いで、この溶液は２００Ｐａで約１０分間脱ガスされて十分な浸潤を確実にした。最後に、皿は６０℃のホットプレート上に置かれた。溶媒が完全に蒸発した後、ポリマー浸透木材試料は皿の底から剥がされた。

測定と特徴。透過性木材複合材の形態は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｈｉｔａｃｈｉ ＳＵ−７０）によって特徴付けられた。透過率スペクトルおよびヘイズは、ＵＶ−Ｖｉｓ分光計ラムダ３５（ＰｅｒｋＩｎＥｌｍｅｒ、ＵＳＡ）を用いて測定された。リグニン含有量は、リグニン定量のための標準的な方法（技術協会のパルプおよび製紙工業標準法 Ｔ ２２２−ｏｍ−８３）によって測定された。

約１ｇ（ｍ₀）の乾燥木材が測定され、エタノールアルコールで４時間抽出された後、２０℃で激しく撹拌しながら１５ｍＬの冷Ｈ₂ＳＯ₄（７２％）で２時間処理された。混合物は、ビーカーに移され、脱イオン水５６０ｍＬを添加して３質量％のＨ₂ＳＯ₄に希釈され、４時間煮沸された。冷却後、それらは濾過され、脱イオン水で洗浄された。不溶性物質が乾燥されて秤量された（ｍ₁）。リグニン含有量は、［ｍ₁／ｍ₀］×１００％として計算された。

太陽電池の光電流−電圧特性が、１０ｍＶ／ｓの走査速度でＯｒｅｌ Ｓｏｌａｒ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ^-2）によって照らされた電圧電流源メーター（２４００ Ｋｅｉｔｈｌｅｙ）でモニターされた。

５３２ｎｍの単一モードレーザーＤＪ５３２−１０（Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｉｎｃ．）が、安定した出力パワーを有する入射光源として使用された。レーザーは、試料を垂直に照射する前に、最初に約２００μｍのスポットサイズでコリメートされた。ガウスビームは、透過性木材複合材を伝播した後すぐに発散する。散乱分布をマッピングするために、ＴｈｏｒｌａｂｓのフォトダイオードパワーセンサＳ１３０Ｃが使用され、光伝搬方向に垂直な２次元平面内の散乱光分布を記録した。一定の直径５ｍｍのピンホールがフォトダイオードの前に載置され、ｘ方向およびｙ方向に沿った様々な角度で光パワーを記録した。機械的特性は、Ｔｉｎｉｕｓ Ｏｌｓｅｎ Ｈ５ＫＴ試験機を用いて構造化された。木材は、ジョイントまたは留め具なしで約５０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍの寸法で選択された。

異方性チャネルは、ほとんどの樹木の幹の中に見出される。これらのメソポーラスチャネルは、２５μｍ〜５０μｍの直径を有し、チャネル方向に沿ってリグニンを抽出することができる。典型的な厚さ１００μｍ〜１４ｍｍの乾燥したバス木材スラブが、樹木の生育方向に垂直に切断することにより得られた。薄い断面の開放チャネルは、木材スラブからのリグニンの迅速な除去を可能にする。

一般に、バス木材は、質量で１８〜２１％のリグニンと７９〜８２％のヘミセルロースおよびセルロースを含む。リグニン２０除去前の試料１０のＳＥＭ画像が図６Ａに示されている。リグニン２０は、ＮａＯＨ処理とそれに続くＨ₂Ｏ₂漂白の化学工程によって、チャネル１４および開口３０から抽出された。着色されたリグニンの除去の間、木材スラブ１０は、（リグニンが除去されるにつれて）徐々にその色を失い、界面での大きな光反射のために目に見えてより白くなった。リグニン除去工程の間に、天然木材の茶色が徐々に減少し、最終的に白雪色に変わったことが観察された（図６Ｂに示す挿入２４）。

リグニン除去工程の速度および持続時間を制御することによって、図６Ｂおよび図６Ｄに示すように、木材の微細構造が保存されつつ、同時にリグニンはほぼ完全に除去された。リグニン除去工程の後、木材ブロック中で良好に整列した微細構造が首尾よく保存されたことは注目に値する（図６Ｅおよび６Ｆ）。

リグニン除去後の開放された垂直のチャネルは、他の機能性を達成するために充填材料の急速な浸潤も支持する。屈折率整合ポリマー２８が、リグニン欠損チャネル１４を充填し、光散乱を減少させて高い光透過率を達成するために使用された。

一例として、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）２８は、充填材料として（多数の異なる屈折率整合ポリマーから）選択されたが、これはその優れた透過性、エタノール中の比較的低い粘度およびセルロースに対する良好な濡れ性のためである。ＰＶＰのこれらの特性は、木材中の微小開口３０を完全に透過することを可能にした。ＰＶＰは、木材ナノ繊維と同様に、環境に優しく生分解性である。

図６Ｃは、ＰＶＰポリマー充填後の木材ブロックの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、そこではセルロース壁間の全ての開口３０および溝１４がポリマー２８で完全に満たされている。得られた透過性木材２６は、よく保存された木のテクスチャで図６Ｃに挿入図として示されている。

残ったセルロースでの屈折率整合材料としての機能に加えて、木材微細構造へのポリマーの浸潤はまた、木材セルロースナノ繊維（ＣＮＦ）を機械的に接着する。

対象となる透過性木材複合材を製造する方法は、ＣＮＦの元の配列を保存することを可能にする。

図６Ｄは、チャネル１４および開口３０のセル壁を示す。ＣＮＦは（図６Ｅに示すように）影響を受けることなく明確に整列される。これらの整列されたＣＮＦは、向上した機械的性質につながる。整列したＣＮＦの最密充填は、ＳＥＭによるそれらの特徴付けを複雑にしている。雪白色の木材２４は、より長い時間さらに分解されて、より高いコントラストで満足のいくＳＥＭを達成している。さらに処理すると、整列された繊維は、図６Ｆに示されるように、ランダムに分布したネットワークに分解された。

リグニンが除去された後、木材は、全体的な透過度が低く明るい白色を呈するが、これはセルロースと空気との間の屈折率の差が大きいためである。ＰＶＰは、波長λ＝５５０ｎｍで約１．５３の屈折率を有する非常に透過性のポリマーであり、セルロースの屈折率〜１．４８に近い値である。界面に垂直な光の反射は、セルロースおよびＰＶＰについて０．０４％（それぞれＲＩ＝１．４８およびＲＩ＝１．５３）であり、空気およびセルロースについては４．４％（それぞれＲＩ＝１．００およびＲＩ＝１．４８）であった。その結果、ＰＶＰの浸潤後に、木材微細チャネルに沿った光の反射および散乱が大きく抑制されたが、完全には排除されなかった。さらに、高い透過性が高いヘイズと共に達成される。光学特性は、異なる屈折率のポリマーにより細かく調整され得る。

図７Ａは、３０ｍｍ×２２ｍｍ×１ｍｍの天然木材ブロック１０を示す。図７Ｂに示す木材複合材２６は非常に透過性であり、その下のテキストが明確に視認可能である。透過性木材と元の木材の測定された透過率の線図が図７Ｃに示されている。図７Ａの天然木材１０は、４００ｎｍから６００ｎｍの波長におけるゼロ透過率を示し、これは主にリグニンマトリックスの大きな光吸収によるものである。最大透過率は、測定された波長範囲にわたって２５％を超えない。際立って対照的に、透過性木材２６（図７Ｂ）は、可視（λ＝４００ｎｍ）から近赤外線（λ＝１１００ｎｍ）までの空気中で、約９０±５％の透過率を示す。厚さ１ｍｍの木材透過性複合材の全体的な透過度は、透過性ガラス、プラスチックおよびセルロースベースのナノ紙に匹敵する。実験では、高い透過性が１４ｍｍ以上の厚さの木材試料についても実証されている。これらの結果は、透過性木材複合材の製造のためのリグニン除去の工程とそれに続くポリマー浸透の工程を含む、対象となる方法の有効性を明確に確認するものである。

木材の光学特性に及ぼすリグニン含有量の影響を定量化するために、吸収測定が処理中の様々な段階で行われた。図８Ａは、異なる量のリグニンを含む木材の透過率を示す。全体的に、吸収の端部は、リグニン含有量が増加するにつれて、より長い波長にシフトする。未処理（曲線Ａ）および３３％（線Ｂ）のリグニン除去（ＬＲ）試料について、吸収範囲は可視光スペクトル全体をカバーしている（％ＬＲは質量でのリグニン除去を表す）。対照的に、５０％ＬＲ（曲線Ｃ）および完全なリグニン除去（曲線Ｄ）を有する試料は、可視光線範囲全体で大幅に向上した透過率および最小の光吸収を示す。

さらに、リグニンは発色団を含むため蛍光発光を示す。様々な量のリグニンを含む木材試料中のリグニン含有量を確認するために、フォトルミネッセンス技術が使用された。種々の重量パーセントのリグニン除去（ＬＲ）レベルを有する木材の蛍光画像が、木材試料１０（図８Ｄ）から始まりリグニン欠損木材試料２４（図８Ｇ）まで、図８Ｄ〜８Ｇに示されている。一般に、それらは、リグニンの存在を明らかにするためにルミネッセンスを使用するＴＡＰＰＩ標準リグニン測定法で提示された結果と一致する。元の木材の蛍光強度は３３％ＬＲ試料よりも弱いことが分かる。この普通でない挙動は、蛍光団の自己消光によって引き起こされる。これは、局所蛍光団濃度が消光濃度を超える場合にしばしば起こる。３Ｄ蛍光測定（図８Ｂ〜８Ｃに示される）は、木材の微細構造の明確な形態を示している。

高い拡散透過率に加えて、透過性木材複合材は高い透過率ヘイズを示す。透過性木材複合材による光散乱が図９Ａに示されている。図９Ｂに示すように、測定されたヘイズは４００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲にわたって約８０±５％である。これは、透過度が１％未満の透過性ガラスまたはプラスチック材料と比較して、極めて独自の特性である。透過性木材複合材のヘイズもまた、約６０％のヘイズ値を示す超高ヘイズのナノ紙のそれよりもはるかに高い。透過性木材複合材の高いヘイズは、木材の独自の微細構造に由来する。

図６Ｂおよび６Ｄに戻ると、セルロース微細チャネルは木材の主な構造成分である。各微細チャネルは、ナノ繊維にさらに加工することができる微細繊維ユニットで構成されている。測定された高ヘイズには２つの理由がある。第１に、木材繊維およびチャネルは、しばしば、バンプ、微細ストライプおよび微細キャビティを有する微小曲率を有し（図６Ｄ）、それらを光反射／散乱中心として機能させる。第２に、微細繊維および微細チャネルは、効率的な前方散乱のために軸方向に沿って入射光を導くことができる。

透過性木材複合材の有用性は、図９Ｃに示されるＧａＡｓ太陽電池４０の基材として使用された場合で実証された。太陽電池の全体的な変換効率を改善するためには、光管理が重要な役割を果たす。対象となる透過性木材複合材は、高い透過率および高いヘイズを有し、光検出器および太陽電池のような光電子装置用の効率的な光管理コーティングまたは基材として役立つ。

太陽電池４０に使用された透過性木材２６は、広い波長範囲にわたって約９０％の透過率および約８０％のヘイズを有していた。１滴のエタノールが既存の太陽電池４０の表面に堆積された。次いで、透過性木材がセルの上に置かれ、活性層４２と連続的な接触を形成した。サンドイッチ構造体は、木材が裸のＧａＡｓ太陽電池の表面に堅固に取り付けられるまで、室温で乾燥可能にされた。

太陽電池の測定された電流密度−電圧（Ｊ−Ｖ）特性が図９Ｄに示されている。短絡密度（Ｊ_SC）、開放電圧（Ｖ_OC）、充填率（ＦＦ、Ｖ_OCとＪ_SCの最大出力電力の比）、抽出される全体的な変換効率を含む、太陽電池の電子的特性は、Ｊ−Ｖ曲線から求められるが、表１に示されており、これは透過性木材複合材基板の取り付け前後のＧａＡｓ太陽電池の電気特性の比較を反映している。

短絡回路密度の１５．６７±３％の向上と、全体の変換効率の対応する１８．０２±３％の上昇が、１つの太陽照明の下で観察されている。これは、活性層４２と光学的に結合しているＧａＡｓ太陽電池の上面に透過性木材２６を取り付けた後、前方散乱効果と、空気とＧａＡｓとの間の屈折率整合効果との組合せに主によるものである。

界面屈折率のミスマッチが抑制されたＰＶＰコーティング（木材なし）のみでは、Ｊ_SCの向上は１０．１±３％であり、透過性木材コーティングのそれよりも低い。充填率のわずかな向上も観察され、これは暗部飽和電流が低下していないことを示す指標となる。透過性木材基板は、透過紙で観察される効果と同様に、光管理層としての裸のＧａＡｓ太陽電池の性能を著しく改善する。高い透過率は、光が損失の少ないＧａＡｓ太陽電池の表面に到達することを可能にする。通常の入射光は、太陽電池の上面に到達すると高いヘイズにより拡散する。この現象は、太陽電池内の光子の移動経路を増加させ、光子が電池の活性領域内に捕捉される可能性を改善する。さらに、木材カバレッジ後のＧａＡｓと空気との間の屈折率の不一致の減少は、光の反射が抑制されて、太陽電池への光束の増加につながることを可能にする。

透過性木材の適用は、以下の利点を有するエネルギー効率の良い光採取建築材料としても実証されている。第１に、対象となる透過性木材は、＞８５％の広帯域透過率で太陽光を効率的に採取することができる。透過性木材の非常に高いヘイズ（約９５％）のために、屋内照明は実質的に均一で一貫して維持され得る。第二に、透過性木材は指向性前方散乱効果を示し、これは建物内に太陽光を効果的に導くために使用され得る。第三に、木材細胞（cell）は、複数の境界で大きなフォノン抵抗を示す。

木材チャネルに沿ったおよびこれを横断した熱伝導率は、それぞれ０．３２および０．１５Ｗｍ^-1Ｋ^-1と低いことが測定された。透過性建築材料として使用される場合、木材複合材は、標準的なガラスに対して改善された断熱性を提供し、空調の使用を低減することができる。

さらに、対象となる透過性木材は、高い衝撃吸収能力を示す。突然の衝撃にさらされると、浸透したポリマーを有する微細チャネルは、エネルギーを吸収して分散させ、木材を粉砕から守るのを助ける。図１０Ａは、太陽光を採取する屋根としての透過性木材２６の使用を示す。図１０Ｂに示すように、透過光強度分布は太陽の方向に影響されず、屋内光を一日中一貫して維持する。導電性熱流は、より一貫した室内温度で低減もされ得る。窓または屋上の材料として使用される透過性木材は、照明および空調エネルギーの屋内使用におけるコスト削減を提供することによって、それ自体で利益になるであろう。

図１１Ａは、バス木材ブロックの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、そこでは木材細胞（チャネル）が成長方向に沿って天然で整列している。

浸透ポリマーには、屈折率が１．５に近く材料が低粘度である限り、多くの適切な選択肢がある。セルロースとエポキシとの間の屈折率の不整合が小さいと、光は成長方向に沿って伝搬することができ、木材セル（チャネル）は、天然木材の種に応じて直径が数十〜数百マイクロメートルの損失性導波路として機能する。

透過性木材２６の光伝搬を示すために、ＤＪ５３２−１０（Ｔｈｏｒｌａｂｓ、Ｉｎｃ．）、５３２ｎｍの緑色単一モードレーザーが、２００μｍのスポットサイズを有する入射光源として使用された。ビームは、４５°の入力角度で右手側から入射し、図１１Ａの矢印で示されている。木材ブロック内のビームの伝搬が明確に観察され得るように、厚さ１．４ｃｍの大きな木材ブロックが使用された。

木材複合材の平面図、図１１Ｂに見られるように、ビームは木材の上面に到達した後すぐに発散し、次に木材チャネル方向に沿って伝搬する。明るいレーザー光は良好に方向づけられ、効果的な案内効果を示す。木材内部の光の閉じ込めは、入射光の角度ではなく、木材チャネルの配向方向によって主に決定される。

透過性木材２６の高密度に充填され垂直に整列されたチャネルは、高い伝搬散乱損失を有する円筒形ブロードバンド導波路として機能する。透過性木材セルのこの独自の光管理能力は、巨視的な光伝播効果を大きな不明瞭性（haziness）でもたらす。ヘイズ、順方向透過率、および後方反射を含む光学特性が図１１Ｃにまとめられている。結果は、透過性木材が約９０％の高い透過率と、約９５％の高い光学ヘイズを同時に示すことを示している。５００〜１１００ｎｍの波長範囲内で平均９０％の透過率と約１０％の反射率を取ることによって、９のような高い順方向の後方散乱比が得られた。

比較のために、ミー散乱を使用する光管理スキームの下で方向性散乱を達成するために、ナノ錐体およびナノ球体を含むナノ構造がしばしば使用される。しかしながら、スペクトル応答は、通常、波長に対して敏感であり、前方から後方への散乱比は、しばしば透過性木材セルによって示されるものよりも小さい。高い透過率を示す一方で、透過性木材のヘイズは９５％を超えることができ、これは微細構造の粗さによって垂直に伝搬する光の散乱による可能性が高い。

透過性木材複合材の全体的な透過度は、標準的なガラス、プラスチック、およびセルロースベースのナノ紙に匹敵し、透過性木材複合材のここで開発された手順の有効性を確認する。

図１１Ｄは、スクリーン上に捕捉された透過光パターンを有する透過性木材試料２６に入射する傾斜角でのシングルモードレーザーの概略図を示す。図１１Ｅに示すように、ビーム強度は標準ガウス分布からの顕著な逸脱を示さない。光管理は、太陽電池および発光ダイオード（ＬＥＤ）の全体的な変換効率を改善する労力において決定的な役割を果たす。対象となる透過性木材複合材は、独自の光管理能力を有し、統合された光電池を構築するための有効な透過性コーティングまたは基材材料として役立ち得る。

図１２Ａは、透過性木材、ヘイズ紙およびガラスの不明瞭性の比較研究の代表例である。高い透過率に加えて、透過性木材複合材のヘイズは９５％に達し、約６０％の典型的なヘイズ値を示す超高ヘイズのナノ紙のそれよりもはるかに高い。高いヘイズおよび高い透過率を有する効率的な昼光採取建築材料としての透過性木材窓の性能を実証するために、８ｃｍ×１２ｃｍの透過性木材屋根を備えた木造住宅モデル（図１２Ｃ）が建設された。グレアの原因は、太陽の朝と夜の位置、氷、車の反射面、高度に磨かれた床、および近くの建物の窓を含む。グレアは、視覚的な画像の明瞭性を妨げ得る。日常的な用途に使用される場合、透過性木材は効果的なアンチグレア効果を提供することが証明される。図１２Ｂに示すように、透過性木材複合材２６を見ると、グレアは完全に除去されている一方で、より均一な輝度が得られている。

図１２Ｃにおいて、ソーダライムガラスと透過性木材をそれぞれ使用することの有効性が、光採取屋根と比較されている。Ｏｒｉｅｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ−Ｎｅｗｐｏｒｔのソーラーシミュレーターが白色光源として使用された。光採取建築材料を住宅モデルに組み込むとき、均一な屋内照明が観察された。ガラス屋根と比較して、木材複合材の高いヘイズおよび高い透過性は、日光の採取を最大限にし、１日の間に非常に一貫した光分布をもたらした。

ＴｈｏｒｌａｂｓのキャリブレーションされたＳｉ検出器が使用されて、ハウスモデル内の光分布を評価した。６つの異なるスポットが選択され、それぞれガラストップハウスと透過性木材のトップハウスとして１−６とマークされた。結果が図１２Ｄに示されている。ガラス屋根ハウス内の最大光強度は１２．３ｍＷｃｍ^-2であり、最小光強度はわずか０．３５ｍＷｃｍ^-2であるため、照明の非均一性は３５より大きくなる。反対に、透過性木材の屋上を備えた家について、最も暗いコーナー（２．１ｍＷｃｍ^-2）に対する最も明るいコーナー（４．９ｍＷｃｍ^-2）の光強度差は２．３である。透過性木材建築材料は、屋内の照明エネルギーを節約し、その本質的な不明瞭性による視覚的快適性およびプライバシー保護の向上を伴う均一照明を提供する効果的な解決策であることが実験的に示された。

日光の採取と機械的強度の要求に加えて、透過性建築材料は、気候保護の要求も満たさなければならない。向上した断熱性を提供する建築材料がそれゆえ非常に望ましい。効果的な断熱は、建物の枠組を通る熱の流れを遅らせ、住宅と外部環境との間に構造的障壁を提供する。十分に断熱されていれば、家は冬にはより暖かく夏にはより冷たい。

ほとんどの居住用および商業用建物の壁は、一般に、木材および複合発泡体などの材料で十分に断熱されている。しかしながら、ガラスのような透過性建築材料は、周囲の材料よりも、高い熱流をもたらすはるかに高い熱伝導率を有し、建築物の断熱性を全体的に低下させる。ガラス製の透過窓や屋根をまたぐ熱がエネルギー効率を低下させ、結露を発生させる可能性があるため、窓からの断熱は特に重要である。多層グレージングのような窓を通る熱損失を低減するための現在の戦略は、しばしば高価であり、大きな重量を追加する可能性がある。他方、木材は、セル構造内に空気ポケットを有する天然の断熱物質である。

図１３Ａに示すように、透過性木材複合材は、木材繊維微細構造内を移動するフォノンに対する高い抵抗性を提供する。半径方向の熱移動経路は、軸方向のそれよりもさらに大きなフォノン散乱効果をもたらす。透過性木材の異方性熱特性は、リグニン除去およびポリマー浸透の後によく保存されている木材セルの整列に起因する可能性がある。

図１３Ｂに示すように、約０．３２Ｗｍ^-1Ｋ^-1の熱伝導率が軸方向で測定され、半径方向では０．１５Ｗｍ^-1Ｋ^-1でああり、これは元のバス木材の熱伝導率に匹敵する。バルクポリマーブロック（木材に浸透された同じポリマー）は、より高い熱伝導率である約０．５３Ｗｍ^-1Ｋ^-1を示す。結果として透過性木材の熱伝導率が低下するのは、木材のセル壁（主にセルロースおよびヘミセルロース）横断の高いフォノン抵抗および複数界面のフォノン散乱効果に起因する。機械的特性は、浸透材料の選択によってさらに調整され得る。対照的に、ガラス（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｇｌａｓｓ）は、約１．０Ｗｍ^-1Ｋ^-1と測定されたはるかに高い熱伝導率を有しており（図１３Ｂ）、これは透過性木材が伝導熱流をより効果的に低減することを示している。

その並外れた光管理能力に加えて、透過性木材複合材の機械的性質が研究されている。ガラスは、住宅用および商業用の建築ブロックとして使用された場合、安全性の重大な懸念を示している。ガラスが飛散物や地震、あるいは居住者の突然の動きなどの突発的な衝撃を受けると、ガラスは壊れて粉々になって飛散する可能性がある。場合によっては、端部や表面の損傷がクリープ荷重を伝播させることによってガラスは突然自発的に破損することがある。粉砕されたガラスには厳しい安全上の問題があるため、ガラスの破損は迅速なメンテナンスと注意を必要とする。一方、木材は、セルロースとエネルギー吸収ポリマーが浸透した微細構造との間のファンデルワールス相互作用に起因して、より高い衝撃に耐えることができる。

図１４Ａは、落下する鋭利な物体からの突然の衝突による破損後の、ガラスと透過性木材２６の結果的な形態を示す。ガラスは尖った部分にすぐに粉砕されたが、耐衝撃性の透過性木材はそのまま残っている。ガラスはかなり剛性だが、同様に脆くなり得る。ガラスが負荷を受けている場合、それは比較的低いレベルまでしか応力を吸収することができず、突然破損する。ガラスに亀裂が入ると、その構造内で亀裂が伝播するのを止めることはほとんどない。したがって、ガラスは、図１４Ｂに示すように、歪みおよび応力曲線において線形のカーブを示す。対照的に、対象となる透過性木材複合材は、６％の非常に高い歪みを有し、標準ソーダ石灰ガラスよりも２桁以上高い。この延性の実質的な増加は、構造材料としての用途に非常に望ましい。突然の衝撃に襲われた後でさえ、透過性木材は、複数の鋭い部分に粉砕する代わりに、曲がって分割するだけである。建築材料として商業的に適用するためには、透過性木材は耐水性も要求される。

透過性木材試料２６を図１４Ｃに示すように水に浸漬した。７２時間後、試料は形状の歪みまたは機械的および光学特性の劣化なく無傷であった。エポキシ充填木材壁のＳＥＭ観察および７２時間の水浸漬後の透過性木材の機械的特性がさらに研究されている。結果は、潜在的にポリマー成分のカプセル化のため、水が透過性木材の特性に与える影響はごくわずかであることを示している。

この発明は、その特定の形態および実施形態に関連して説明されたが、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の思想または範囲から逸脱することなく、上記のもの以外の様々な変更が可能であることが理解される。例えば、機能的に等価な要素は、具体的に示され記述された要素と置き換えられてもよく、特定の特徴は他の特徴とは独立して使用されてもよく、特定の場合には、要素の特定の位置は入れ替えられまたは介在されてもよく、本発明の思想または範囲から逸脱しない全ては、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲内である。

Claims (20)

1. 天然木材から前記天然木材の天然の内部チャネルの方向に対して所定の角度関係で予め切断されそこからリグニンを除去するように処理されてリグニン欠損木材ブロックを形成する木材ブロックであって、前記天然の内部チャネルがセルロース含有材料で形成された壁を有する、木材ブロックと；
   前記天然の内部チャネルの壁の前記セルロース含有材料の屈折率と実質的に一致する屈折率を有する充填材料であって、前記リグニン欠損木材ブロック内の前記天然の内部チャネルを前記充填材料で実質的に完全に浸透させることにより透過性木材複合部材を形成する、充填材料と、
   を含む、木材ベースの光伝送システム。
2. 前記透過性木材複合部材が、上部切断面と底部切断面とを有し、前記所定の角度関係が、前記天然の内部チャネルの前記方向と、前記透過性木材複合部材の前記上部および底部切断面の少なくとも一方との間で、約９０°の角度を構成している、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
3. 前記透過性木材複合部材が、前記透過性木材複合部材の前記天然の内部チャネルの前記方向と実質的に一致する方向に配置された上部切断面および底部切断面を有する、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
4. 前記充填材料が、
   ポリエステル繊維ガラス、ポリウレタンポリマー、加硫ゴム、ベークライト、Ｄｕｒｏｐｌａｓｔ、尿素ホルムアルデヒド、メラミン樹脂、ジアリルフタレート（ＤＡＰ）、ポリイミドおよびビスマレイミド、シアネートエステルまたはポリシアヌレート、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ベンゾキサジン樹脂、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、シアネートエステル樹脂、エポキシ（エポキシド）樹脂、フェノール（ＰＦ）樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリウレタン（ＰＵＲ）樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂、を含む熱硬化性ポリマー、
   アクリル、ＡＢＳ、ナイロン、ＰＬＡ、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、テフロン、を含む熱硬化性樹脂、
   セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルローストリアセテート、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、溶解セルロース、ナノフィブリル化セルロース、セルロースナノクリスタル、を含むセルロース誘導体、
   例えば液晶、圧力／温度感知材料、圧電材料、無色のポリマーナノ接着剤、低粘度透過性液体エポキシ樹脂前駆体、樹脂および非白化脂環式硬化剤の混合物、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、およびポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の、機能性屈折率整合材料、
   からなる群から選択される少なくとも１種の材料を含む、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
5. 前記透過性木材複合部材が、約１ｍｍ以上の長さおよび幅をそれぞれ有し、かつ約１００μｍ以上の厚さを有するブロックとして構成されている、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
6. 前記透過性木材複合部材が、４００ｎｍから１１００ｎｍの可視光波長範囲で、約８０％から９５％の範囲の光透過率および約８０％から１００％の範囲の光学ヘイズを有する、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
7. 前記充填ポリマーの屈折率が、光波長λ＝５５０ｎｍで約１．５３である、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
8. 前記木材ベースの光伝送システムが、フォトニックシステム、太陽電池、光検出器、ディスプレイ、およびアドバンスト光マネジメントを有する広角照明システムのうちの少なくとも１つを含むオプトエレクトロニクスシステムをさらに含む、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
9. 前記太陽電池の少なくとも１つが、光学活性層と、１００μｍと３ｍｍの間の範囲の厚さを有する層として形成されていて前記光学活性層と光学的に接触して配置される前記透過性木材複合部材の少なくとも１つとを含む、請求項８に記載の木材ベースの光伝送システム。
10. 前記透過性木材複合部材が、２３．５〜４５ＭＰａ以上の破断強度での高い機械的強度および高い延性を示し、前記木材ベースの光伝送システムが光採取建築構造物を含む、請求項１に記載の木材ベースの光伝送システム。
11. 天然木材から前記天然木材の天然の内部チャネルの方向に対して所定の角度関係で予め切断されてリグニン欠損木材ブロックを形成するように処理された所定の寸法の木材ブロックであって、前記木材ブロック内の前記天然の内部チャネルが天然のセルロース含有材料で形成された壁を有する、木材ブロックと、
    前記リグニン欠損木材ブロック内の前記内部チャネルに実質的に完全に浸透し、前記木材ブロック内の前記内部チャネルの壁の前記セルロース含有材料と架橋する充填ポリマーであって、前記充填ポリマーが前記内部チャネルの壁の前記天然のセルロース含有材料の屈折率と実質的に一致する屈折率を有する、充填ポリマーと、
    を含む透過性木材複合材。
12. 前記木材ブロックが、約１００μｍ〜１４ｍｍの範囲の所定の距離だけ互いに離れて配置された上部切断面と底部切断面とを備えて構成されていて、前記上部および底部の面の少なくとも一方が、前記天然の内部チャネルを横断する関係でまたは実質的にそれに沿って延在している、請求項１１に記載の木材ベースの光伝送システム。
13. 前記充填ポリマーが１．４８に近接する屈折率を有する、請求項１１に記載の木材ベースの光伝送システム。
14. 前記充填ポリマーの屈折率が、λ＝５５０ｎｍの光波長で約１．５３である、請求項１３に記載の木材ベースの光伝送システム。
15. 前記充填ポリマーが、
    ポリエステル繊維ガラス、ポリウレタンポリマー、加硫ゴム、ベークライト、Ｄｕｒｏｐｌａｓｔ、尿素ホルムアルデヒド、メラミン樹脂、ジアリルフタレート（ＤＡＰ）、ポリイミドおよびビスマレイミド、シアネートエステルまたはポリシアヌレート、フラン樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ベンゾキサジン樹脂、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、シアネートエステル樹脂、エポキシ（エポキシド）樹脂、フェノール（ＰＦ）樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド、ポリウレタン（ＰＵＲ）樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂、を含む熱硬化性ポリマー、
    アクリル、ＡＢＳ、ナイロン、ＰＬＡ、ポリベンズイミダゾール、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、テフロン、を含む熱硬化性樹脂、
    セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルローストリアセテート、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、溶解セルロース、ナノフィブリル化セルロース、セルロースナノクリスタル、を含むセルロース誘導体、
    例えば液晶、圧力／温度感知材料、圧電材料、無色のポリマーナノ接着剤、低粘度透過性液体エポキシ樹脂前駆体、樹脂および非白化脂環式硬化剤の混合物、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、およびポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の、機能性屈折率整合材料、
    からなる群から選択される少なくとも１種のポリマーを含む、請求項１１に記載の木材ベースの光伝送システム。
16. （ａ）木材ブロックを天然木材から前記天然木材の天然の内部チャネルと所定の角度関係で予め切断する工程であって、前記内部チャネルが、セルロース含有材料から形成されかつリグニンで充填されている壁を有する、工程と、
    （ｂ）前記リグニンを前記木材ブロックの天然の内部チャネルから除去して、リグニン欠損木材ブロックを形成する工程と、
    （ｃ）前記リグニン欠損木材ブロックの前記天然の内部チャネルに、前記内部チャネルの壁の前記セルロース含有材料の屈折率と実質的に一致する屈折率を有する充填ポリマーを順次浸透させる工程と、
    を含む、木材ベースの光伝送システムの製造方法。
17. 前記工程（ｂ）において、脱イオン水中のＮａＯＨ溶液と脱イオン水中のＮａ₂ＳＯ₃溶液とを混合することによってリグニン除去溶液を調製する工程と、
    前記予め切断された木材ブロックを前記リグニン除去溶液中で約１２時間沸騰させる工程と、
    前記予め切断された木材ブロックを高温蒸留水中ですすぐ工程と、
    前記すすがれた予め切断された木材ブロックを蒸留水中のＨ₂Ｏ₂の溶液を含む漂白溶液中で前記予め切断された木材ブロックの色が消失するまで沸騰させることにより、リグニン欠損木材ブロックを得る工程と、
    を更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記工程（ｃ）において、前記リグニン欠損木材ブロックを液相中の前記充填ポリマーに浸漬する工程と、
    前記液体充填ポリマーを２００Ｐａの圧力下で約５〜１０分間脱気して、前記リグニン欠損木材ブロックから気体およびエタノール溶媒を除去する工程と、
    大気圧を前記液体充填ポリマーに適用して、前記内部チャネルの浸潤工程を促進させる工程と、
    前記大気圧の適用を所定回数繰り返すことにより、前記液体充填ポリマーに浸漬されたポリマー浸透木材ブロックを得る工程と、
    前記液体充填ポリマーが固化するまで、前記ポリマー浸透木材ブロックを前記充填ポリマー中に約３０℃〜６０℃でおよそ１２時間平静に維持する工程と、
    前記ポリマー浸透木材ブロックを固化充填ポリマーから除去して透過性木材複合部材を得る工程と、
    を含む、請求項１６に記載の方法。
19. 光学活性層を含む太陽電池を作製する工程と、
    エタノールを前記光学活性層の表面に堆積する工程と、
    前記透過性木材複合部材を前記光学活性層上に連続的に接触して載置してサンドイッチ構造体を形成する工程と、
    前記光学活性層に結合された前記透過性木材複合部材を含むサンドイッチ構造体を室温で乾燥させて、前記透過性木材複合部材を前記太陽電池に堅固に取り付ける工程と、
    を更に含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記透過性木材複合部材を窓および屋根の少なくとも一方の場所で建物に取り付ける工程を更に含む、請求項１６に記載の方法。

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