减少建筑材料生命周期内的CO2以及设备的运行能耗，将最大限度地降低CO2排放。另外，来自道路交通、建筑工地和社会活动的噪音，会影响居民的健康和福祉。因此，开发一种既能阻止声音传输，又能减缓热量损失的多功能建筑材料，是提高居住者舒适度和降低碳足迹的关键。高孔隙率结构(>0.9)可以通过增加气-孔壁摩擦来有效地衰减声能，并通过减小材料的横截固体面积和增加传热路径的曲折度来减少热传输。木材是一种可再生的结构材料，由于其优异的机械强度、天然丰富性和低成本，已在建筑中使用了数千年。然而，由于天然木材的孔隙率相对较低，且纤维素多糖(纤维素和半纤维素)较高的径向热导率(0.1-0.4 W m-1 K-1)，使其无法有效减少热损失。此外，天然木材(没有人造孔隙)是反射声音的，因此是一个很差的噪音吸收器。
基于此，来自马里兰大学的Liangbing Hu团队报告了一种快速且具有成本效益的自上而下方法，将快速高温脱木质素技术应用于天然木材，然后进行低成本的环境压力干燥，以生产一种保留天然结构的高多孔纤维素基结构，称之为“insulwood”。其中，Insulwood具有>0.93的高孔隙率，在250-3,000 Hz的频率范围内(对于10毫米厚的木材样品)具有0.37的高降噪系数和0.038 W m-1 K-1的低热导率，并且由于保留了原始的分层木材结构，达到1.5 MPa的高抗压强度(60%压缩)。这种制造工艺与纸浆和造纸工业中现有的去木质素、化学回收方法和废水处理基础设施兼容，简化了向工业制造的过渡。因此，这项工作展示了一种可持续的、可扩展的墙体、屋顶和地板隔热材料，可以在减少热量和声音传递方面提高住宅舒适度，并提供巨大的潜在环境效益。
图文解读
为了制备insulwood (图2a)，作者选择天然泡桐木(泡桐，密度0.25-0.30 g cm-3，沿生长方向切割)作为起始材料，因为其生长速度快，生物量高。虽然最近开发的100°C原位脱木质素技术可以从天然木材中去除木质素和半纤维素，但大多数早期研究需要多个步骤和含硫化学物质(例如Na2SO3和Na2S)，导致处理时间长(~5-10小时)(图2b)。如图2c,d所示，天然泡桐木具有蜂窝状的细胞结构，细胞壁薄，构成垂直排列的管腔(孔径20-50 μm)和大管径(孔径100-200 μm)。图2e,f显示，由于木质素/半纤维素基质的剥离，相邻的木细胞壁之间产生了大量<10 μm的小空隙，从而增加了结构孔隙度。通过比较天然木材和insulwood (图2g)的FTIR光谱来证实木质素去除，其中1593、1504和1462 cm−1处的特征木质素峰值(芳香烃骨架振动)在化学处理后消失。1737 cm−1和1236 cm−1峰的损失表明，天然木材中的半纤维素也被去木质素处理去除。采用二维广角x射线散射(WAXS)分析了绝缘木的晶型。WAXS表明，在高温脱木质素过程中，纤维素I保持了其结构，部分纤维素Iβ增加。由于脱木质素，insulwood的密度是天然木材的40%(图2h)，孔隙率从~80%增加到~93%。
Fig. 2. Morphology and structure of the natural wood starting material and insulwood. (a) A digital image of a large-scale sheet of insulwood, which is assembled from six identical smaller sheets. (b) Comparison of the manufacturing rates of porous wood-based structures fabricated by various top-down processes. (c) Crosssectional SEM image of the natural wood starting material. (d) Enlargement of c, demonstrating the adjacent, bonded cells in the natural wood. (e) Cross-sectional SEM image of the insulwood. (f) Enlargement of e, demonstrating the separation of the adjacent cells in the porous insulwood. (g) FTIR spectra of the natural wood and insulwood. (h) Density of the natural wood and insulwood.
为了探究这些结构变化是否影响声音的传输，作者使用双传声器传递函数方法测量了绝缘木在250-3,000 Hz频率范围内的吸声系数(图3a)。对于一块10 mm厚的insulwood，作者发现在250-1250 Hz的频率范围内，吸声系数相对较大，为0.2；随着频率增加到2500 Hz，吸声系数急剧增加到~0.75(图3b)。而10 mm厚的天然木材起始材料在250-2000 Hz频率范围内的吸声系数为~0.02，随着频率增加到3000 Hz，吸声系数增加到0.07。结果表明，脱木质素工艺大大提高了天然木材的吸声系数。例如，在频率为500和2500 Hz时，insulwood的吸声系数大约是天然木材的十倍(图3c)。图3d-i比较了频率为500 Hz时天然木材和insulwood的声压和声速分布以及总热粘功率耗散。由于坚硬的表面和紧密填充的木细胞，入射声波会被反射(图3d)，只会诱导非常低的声速(~10−11 m s-1；图3e)在靠近入射声波表面的木细胞内的空气。相比之下，由于脱木质素产生的表面裂纹和微孔，入射声波可以穿透绝缘木(图3g)，产生更高的声速(~10−3 m s-1；图3h)在insulwood内的空气中。图3f与图3i的对比证实，声波与分离木单元壁之间的摩擦将入射波能量耗散为热量。此外，作者还比较了在不同频率范围内insulwood与矿物羊毛、聚丙烯/聚苯乙烯泡沫等其他多孔材料的吸声系数(图3j)。总体而言，在较宽的频率范围内，insulwood的吸声性能优于相同厚度的各种多孔结构。
Fig. 3. Sound absorption of the insulwood. (a) SEM image of the insulwood with the pores aligned along the wood growth direction. (b) The sound-absorption coefficient of the natural wood and insulwood as a function of frequency. (c) The sound-absorption coefficient of the insulwood compared with that of the natural wood at frequencies of 500 Hz and 2,500 Hz. Simulated distributions of the acoustic pressure (d), acoustic velocity (e) and total thermo-viscous power dissipation density (f) inside the natural wood at a frequency of 500 Hz. Simulated distributions of the acoustic pressure (g), acoustic velocity (h) and total thermo-viscous power dissipation density (i) inside the insulwood at a frequency of 500 Hz. (j) Comparison of the sound-absorption coefficients of the insulwood with various sound-absorption materials.
图4a的仿真结果表明，通过固体(木细胞壁)的热流比通过气孔(木细胞内部)内空气的热流要高得多，这证实了固体传导是天然木材高导热性的原因。木材细胞壁中木质素和半纤维素的去除降低了insulwood的固体含量，降低了木材细胞壁的固体热导率。如图4b所示，在2.0 K的温差下，insulwood的热流比天然木材的热流要低得多，这是因为insulwood的孔隙率增加了。如图4c所示，绝缘木的温度分布(径向)与热板上EPS泡沫(~0.016 g cm-3, 98.4%孔隙率)非常相似，其导热系数为~0.038 W m-1 K-1，这一结果表明隔热木的径向保温性能与EPS泡沫相当。如图4d所示，insulwood的低导热系数，约为天然木材(~0.1 W m-1 K-1)的三分之一。图4e为insulwood径向压应变-应力曲线。当径向应变为60%时，压应变可达1.5 MPa，远高于废木基泡沫、玻璃/石棉、EPS泡沫等传统多孔结构(图4e,f)。此外，insulwood的对齐通道可以在VIP制造过程中实现更快的抽气，这将大大减少气体抽气时间和能耗，从而进一步降低成本(图4g)。如图4h所示，作者发现insulwood的排气速度比传统EPS快两倍。这些独特的特性表明了insulwood VIPs的商业潜力，特别是作为传统材料的可持续替代品。作为概念证明，进一步以insulwood作为核心，制作了一个初始insulwood VIP设计(图4i)。
Fig. 4. Thermal and mechanical properties of insulwood. Simulated heat flow within the natural wood (a) and insulwood (b) under a temperature difference of 2 K. (c) Infrared image of the insulwood and EPS on a hot plate at a temperature of ~100 °C. (d) Comparison of the thermal conductivities of natural wood, insulwood and EPS. (e) Stress–strain curves of the insulwood under compression along the radial direction. (f) Comparison of the mechanical strength of insulwood with conventional thermal insulation materials. (g) SEM image of the aligned pores in the insulwood. (h) Comparison of the outgassing rate of the insulwood with that of EPS. (i) Image of a VIP made using insulwood as the core material.
总结
总之，本研究报告了一种基于原位脱木质素、溶剂交换和环境干燥工艺的快速、低成本和可扩展的制造纤维素基多孔绝缘木的方法。木质素和半纤维素占木材质量的60%，通过化学处理在1.0小时内从天然木材中去除，这使能够在木材细胞壁之间创造大量的孔隙，而不会破坏分层排列的纤维素纤维。由于其高孔隙率(~93%)，insulwood在10毫米厚的样品中，在250-3,000 Hz频率下显示出0.37的高降噪。高孔隙率也使绝缘木的导热系数低至0.038 W m-1 K-1，接近广泛使用的保温EPS泡沫塑料。此外，多孔木结构对于制造具有超低热导率(~0.01 W m-1 K-1)的VIPs具有很高的吸引力，因为该材料的快速排气速率、可持续性和环境安全。与现有耗时、耗能的方法相比，本文的快速脱木质素工艺和环境干燥法具有更高的生产效率、更低的成本和可扩展性。这种新开发的经济实惠、可持续的纤维基insulwood具有低导热系数、高吸声系数、高机械强度和减少二氧化碳排放，可以取代建筑、交通和工业中使用的传统多孔材料。
