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研究背景

對更可持續(xù)材料的尋找激發(fā)了對用于隔熱和降噪的輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的研究，例如用于建筑和冷鏈運(yùn)輸。木材被稱為地球上最具可再生性的材料之一，因其高強(qiáng)度/重量比、廣泛豐富、低成本和相對可持續(xù)性而長期用于建筑。

然而，與傳統(tǒng)的石油和礦物基多孔結(jié)構(gòu)（例如發(fā)泡聚苯乙烯泡沫和礦棉）相比，天然木材在降低噪音或防止熱量損失方面的效果要差得多。

主要內(nèi)容

在此，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授報道了一種具有優(yōu)異降噪和隔熱能力，被稱為“insulwood”的可擴(kuò)展的高孔隙率木結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過快速（~1小時）高溫工藝從天然木材中去除木質(zhì)素和半纖維素，然后進(jìn)行低成本的環(huán)境干燥。在250~3000 Hz 的頻率范圍內(nèi)，Insulwood表現(xiàn)出~0.93的高孔隙率、0.37的高降噪系數(shù)（10 mm厚的木材）、0.038 W m^-1K^-1的低徑向?qū)嵯禂?shù)，以及在60%應(yīng)變下具有~1.5 MPa的高抗壓強(qiáng)度。

此外，這種新型木質(zhì)材料可以快速加工成真空絕熱板（~0.01 W m^-1K^-1），用于空間有限的隔熱應(yīng)用（例如冰箱、冷鏈運(yùn)輸和舊建筑）。該材料的獨(dú)特之處在于可再生材料、高孔隙率、高吸音性、低導(dǎo)熱性和高機(jī)械性的組合，以及高效、經(jīng)濟(jì)和可擴(kuò)展的制造。這些特性使Insulwood有望成為改善噪音和熱調(diào)節(jié)的可持續(xù)建筑材料。

相關(guān)研究以“A scalable high-porosity wood for sound absorption and thermal insulation”為題發(fā)表在Nature Sustainability上。

圖文解析

圖1. 真空絕熱板的制造和熱性能

本文采用了一種快速且具有成本效益的自上而下的方法，產(chǎn)生了高度多孔的纖維素基結(jié)構(gòu)，稱之為“insulwood”的天然結(jié)構(gòu)（圖1a），同時通過密封和吸塵材料中的空氣來進(jìn)一步抑制絕緣木內(nèi)部的傳熱，以形成高度絕緣的真空隔熱板（VIP，圖1a）。這種制造工藝與紙漿和造紙工業(yè)中用于脫木素、化學(xué)回收方法和廢水處理的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施兼容，簡化了向工業(yè)制造的過渡。

圖2. 木材的形貌和結(jié)構(gòu)

作者選擇天然泡桐木作為其快速生長和高生物質(zhì)產(chǎn)量的起始材料，作為替代方案，使用~5.0wt%NaOH水溶液進(jìn)行脫木素去除木質(zhì)素和半纖維素，比當(dāng)前最先進(jìn)的方法快十倍以上。

SEM圖像表明，天然泡桐木具有蜂窩狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)，具有薄的細(xì)胞壁，構(gòu)成垂直排列的氣管（孔徑為20-50μm）和大血管（孔徑為100-200μm）的木結(jié)構(gòu)。經(jīng)過脫木素處理和干燥后，所得形貌和結(jié)構(gòu)與起始材料相比發(fā)生了顯著變化。脫木素后，Insulwood的密度是天然木材的~40%（圖2h），孔隙率從~80%增加到~93%。

圖3. 吸音效果

木材的吸音性能主要由其表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)部孔隙的特性決定，天然木材雖然孔隙豐富，但由于表面堅硬致密，連續(xù)毛孔數(shù)量少，吸音性能較差。脫木素后，由于高溫化學(xué)處理后木細(xì)胞壁的脫落，在表面均勻地形成了許多毫米級裂紋，這些裂縫允許更多的入射聲波穿透材料，起到吸音孔的作用。

此外，脫木素處理在細(xì)胞壁之間產(chǎn)生許多相互連接的小孔，這為通過空氣-細(xì)胞壁摩擦的聲波消散提供了曲折的途徑。經(jīng)過測量，脫木素過程大大提高了天然木材的吸聲系數(shù)。

圖4. 熱性能和機(jī)械性能

雖然隔熱材料可以減少熱傳遞，但由于孔隙的體積分?jǐn)?shù)大，它們也往往表現(xiàn)出較弱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的隔熱材料（如EPS、礦棉和玻璃棉）相比，本文的一個重要進(jìn)步是其抗壓縮的機(jī)械強(qiáng)度。

由于微米級的孔隙，傳統(tǒng)的隔熱材料，如EPS泡沫，玻璃棉和礦棉以及開發(fā)的絕緣木表現(xiàn)出比停滯空氣更高的導(dǎo)熱系數(shù)，為了達(dá)到建筑物（例如墻壁和屋頂）所需的隔熱性能，傳統(tǒng)的隔熱材料必須具有高達(dá)50厘米的厚度，從而減少了空間和復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。

Zhao, X., Liu, Y., Zhao, L. et al. A scalable high-porosity wood for sound absorption and thermal insulation. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-022-01035-y

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