福建农林大学余雁教授AFM：可持续、高性能、可回收的竹基透明面板！

随着全球能源消耗的持续增长，透明建筑材料在节能建筑中的应用日益重要。传统的透明木材虽具备良好的透光性和机械性能，但其制备过程中大量依赖化石基聚合物，缺乏可回收性，且难以实现大尺寸生产，限制了其可持续发展潜力。

近日，福建农林大学余雁教授、国家林业和草原局竹子研究开发中心郭登康助理研究员和武汉大学陈朝吉教授合作，研究提出了一种全新的策略，通过竹粉制备出全生物基、高性能、可水循环回收的透明面板。该材料具有高透光度（>85%）和高雾度（>75%），优异的机械强度（拉伸强度约83 MPa）和耐水性，并能提升钙钛矿太阳能电池的转换效率。其独特的湿法回收性能进一步体现了低碳环保的优势。相关论文以“Sustainable, High-Performance, Aqu-Recyclable Transparent Panels via Phase Engineering and Water-Induced Plasticization of Bamboo”为题，发表在

Advanced Functional Materials

图1. 竹源醛化全纤维素粉末及其可回收透明面板的制备示意图。通过调控木素含量和纤维素氧化程度，有效改变纤维素结晶结构，增强链段运动性并引入活性醛基；进一步以水为塑化剂，通过热压法制备出高强度、可降解的透明面板。

研究人员首先通过对竹粉进行脱木素处理，再经由高碘酸钠氧化引入醛基，成功制备出醛化竹全纤维素（H-A）。傅里叶变换红外光谱和固体核磁共振结果显示，醛基成功引入并主要以水合醛和半缩醛形式存在。X射线衍射分析表明，随着氧化时间延长，纤维素结晶度显著下降，逐渐转变为无定形结构，从而提升了其可塑性。

图2. 醛化全纤维素的合成与表征。a) H-A样品中可能存在的化学结构；b) H与H-A的傅里叶变换红外光谱；c) H与H-A的核磁共振谱；d) 竹材、H与H-A的X射线衍射图谱；e) 不同氧化时间下醛化全纤维素的XRD谱；f) 结晶度指数与g) 微晶宽度随氧化时间的变化；h) 基于(200)、(110)和(1-10)晶面积分计算结晶度与微晶宽度。

水在该材料中扮演了关键角色。通过低场核磁共振分析，研究人员发现水分子以“结合水”和“自由水”两种状态存在，并能有效破坏纤维素分子间的氢键和半缩醛结构，显著增强其链段运动能力。分子动力学模拟进一步证实，水分子的存在大幅提高了材料的压缩变形率，使其在热压过程中更易形成致密结构。

图3. 水对醛化全纤维素化学结构与塑性的影响。a) 不同含水率下样品的时域NMR谱；b) 水分子在纤维素纤维周围的聚集示意图；c) 结合水与自由水示意图；d) H-A与e) H在干燥与100%含水状态下的FTIR谱；f) 无水状态下醛化纤维素的分子结构示意图；g) 无水和h) 含60%水状态下醛化纤维素在压缩过程中的形态变化；i) 分子动力学模拟的变形率；j) 透明面板的损耗模量曲线。

在结构表征中，扫描电子显微镜图像显示，未经水处理的样品表面存在微米级孔隙，而经水塑化后的样品表面光滑致密。小角X射线散射结果也表明，水处理后的材料孔径分布更小，结构更为紧密。此外，醛基含量随水含量增加而下降，说明水促进了半缩醛结构的形成，进一步增强了材料的稳定性。

图4. 全生物基透明面板的结构分析。a–d) H-A₀的宏观照片、立体显微镜与SEM图像；e–h) H-A₁₀₀的对应图像；i) 热压后醛化纤维素中半缩醛结构与氢键网络转变示意图；j) 不同样品中醛基含量；k) 90%相对湿度下的吸湿性；l) 竹材、H-A₀与H-A₁₀₀的一维SAXS强度与二维SAXS图；m) 图4l中SAXS数据对应的孔径分布；n) 二维WAXS图与o)方位角强度分布。

该透明面板表现出卓越的力学性能，其拉伸强度随含水量的增加而提升，最高达83 MPa，远超多数竹基自粘结复合材料。同时，材料还具备优异的各向同性和抗冲击韧性，其硬度也高于环氧树脂和传统透明木材。耐水性测试表明，高水含量样品在浸泡24小时后仍保持85%以上的原始强度，显示出良好的水稳定性。

在光学性能方面，该面板透光率最高达85%，雾度超过75%，且可实现较大厚度（1.5 mm）和尺寸（最大100 cm²）的制备。激光透射实验表明，高水含量样品光斑集中，适合实际采光应用。此外，该材料还具有较低的热导率（0.27 W·m⁻¹·K⁻¹），表现出良好的隔热性能。将其应用于钙钛矿太阳能电池时，能显著提升光电转换效率从22.57%至23.33%。

图5. 全生物基透明面板的力学与光学性能。a) 密度；b) 拉伸应力-应变曲线；c) 拉伸强度；d) H-A₁₀₀与玻璃的韧性对比；e) 24小时吸水率测试；f) 浸水24小时后的湿拉伸强度；g) 1.5 mm厚样品的透光率曲线；h) 不同厚度样品的透光率；i) 雾度值；j) 基于透明面板的钙钛矿太阳能器件示意图；k) J-V曲线；l) 有/无透明面板层器件的外量子效率（EQE）与积分电流。

该透明面板还具备出色的环境友好特性。废弃面板可通过机械粉碎并调控水分进行循环再制，或直接加水作为高性能竹材胶黏剂使用，粘结强度达3.19 MPa。土壤埋藏实验显示，该材料在四个月内仍保持结构完整，但具备可控降解潜力，避免了长期环境残留。生命周期评估表明，其生产过程对全球变暖、富营养化和人体毒性等方面的影响均低于环氧树脂。

图6. 全生物基透明面板的可回收性、生物降解性与环境影响。a) 透明面板的回收流程：通过调控水分可再压成透明面板或加水制成竹材胶黏剂；b) 透明面板、玻璃与环氧树脂在湿润土壤中的降解情况；c) 透明面板与环氧树脂在多项环境指标中的对比。

综上所述，该研究通过相工程与水诱导塑化策略，成功开发出一种具有高强度、高透光、耐水、可回收和可降解的全生物基透明面板，为下一代可持续建筑和光学应用提供了新的材料解决方案。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！