依旧是木头！胡良兵教授，今日Nature Sustainability！

研究背景

对更可持续材料的寻找激发了对用于隔热和降噪的轻质多孔结构的研究，例如用于建筑和冷链运输。木材被称为地球上最具可再生性的材料之一，因其高强度/重量比、广泛丰富、低成本和相对可持续性而长期用于建筑。

然而，与传统的石油和矿物基多孔结构（例如发泡聚苯乙烯泡沫和矿棉）相比，天然木材在降低噪音或防止热量损失方面的效果要差得多。

主要内容

在此，美国马里兰大学胡良兵教授报道了一种具有优异降噪和隔热能力，被称为“insulwood”的可扩展的高孔隙率木结构，该结构通过快速（~1小时）高温工艺从天然木材中去除木质素和半纤维素，然后进行低成本的环境干燥。在250~3000 Hz 的频率范围内，Insulwood表现出~0.93的高孔隙率、0.37的高降噪系数（10 mm厚的木材）、0.038 W m^-1K^-1的低径向导热系数，以及在60%应变下具有~1.5 MPa的高抗压强度。

此外，这种新型木质材料可以快速加工成真空绝热板（~0.01 W m^-1K^-1），用于空间有限的隔热应用（例如冰箱、冷链运输和旧建筑）。该材料的独特之处在于可再生材料、高孔隙率、高吸音性、低导热性和高机械性的组合，以及高效、经济和可扩展的制造。这些特性使Insulwood有望成为改善噪音和热调节的可持续建筑材料。

相关研究以“A scalable high-porosity wood for sound absorption and thermal insulation”为题发表在Nature Sustainability上。

图文解析

图1. 真空绝热板的制造和热性能

本文采用了一种快速且具有成本效益的自上而下的方法，产生了高度多孔的纤维素基结构，称之为“insulwood”的天然结构（图1a），同时通过密封和吸尘材料中的空气来进一步抑制绝缘木内部的传热，以形成高度绝缘的真空隔热板（VIP，图1a）。这种制造工艺与纸浆和造纸工业中用于脱木素、化学回收方法和废水处理的现有基础设施兼容，简化了向工业制造的过渡。

图2. 木材的形貌和结构

作者选择天然泡桐木作为其快速生长和高生物质产量的起始材料，作为替代方案，使用~5.0wt%NaOH水溶液进行脱木素去除木质素和半纤维素，比当前最先进的方法快十倍以上。

SEM图像表明，天然泡桐木具有蜂窝状细胞结构，具有薄的细胞壁，构成垂直排列的气管（孔径为20-50μm）和大血管（孔径为100-200μm）的木结构。经过脱木素处理和干燥后，所得形貌和结构与起始材料相比发生了显著变化。脱木素后，Insulwood的密度是天然木材的~40%（图2h），孔隙率从~80%增加到~93%。

图3. 吸音效果

木材的吸音性能主要由其表面结构和内部孔隙的特性决定，天然木材虽然孔隙丰富，但由于表面坚硬致密，连续毛孔数量少，吸音性能较差。脱木素后，由于高温化学处理后木细胞壁的脱落，在表面均匀地形成了许多毫米级裂纹，这些裂缝允许更多的入射声波穿透材料，起到吸音孔的作用。

此外，脱木素处理在细胞壁之间产生许多相互连接的小孔，这为通过空气-细胞壁摩擦的声波消散提供了曲折的途径。经过测量，脱木素过程大大提高了天然木材的吸声系数。

图4. 热性能和机械性能

虽然隔热材料可以减少热传递，但由于孔隙的体积分数大，它们也往往表现出较弱的结构稳定性。与传统的隔热材料（如EPS、矿棉和玻璃棉）相比，本文的一个重要进步是其抗压缩的机械强度。

由于微米级的孔隙，传统的隔热材料，如EPS泡沫，玻璃棉和矿棉以及开发的绝缘木表现出比停滞空气更高的导热系数，为了达到建筑物（例如墙壁和屋顶）所需的隔热性能，传统的隔热材料必须具有高达50厘米的厚度，从而减少了空间和复杂的几何结构。

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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依旧是木头！胡良兵教授，今日Nature Sustainability！

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