cSCD来源期刊 林业工程学报 中文核心期刊 中国科技核心期刊 JOURNAL OF FORESTRY ENGINEERING RCCSE中国核心学术期刊 木材功能化研究新进展 王成毓,杨照林,王鑫,于倩倩 引用本文 王成毓,杨照林,王鑫.等.木材功能化研究新进展J林业工程学报,2019.4(3):10-18. 在线阅读Ⅴiewonlinehttps://doi.org/10.13360is.2096-1359.201903.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 纳米纤维素基导电材料及其在电子器件领域的研究进展 Recent progress of nanocellulose-based electroconductive materials and their applications as electronic devices 林业工程学报.2018.,3(3):1-1lhps/ doi. org10.13360jisn.2096-1359201803.001 透明木材的研究进展 Research progress of transparent wood:a review 林业工程学报.20183(4:12-18htps/ doi. org//10.13360jisn.2096-1359.2018.04002 木材热处理研究及产业化进展 Development of wood heat treatment research and industrialization 林业工程学报.2019.4(4:1-11hps/ dolors/10.13360/jisn,2096-1359.2019.04001 人造板用大豆蛋白胶黏剂研究进展 Research progress of soy protein adhesive for wood? based composites 林业工程学报.2020,5(2:1-11hps/ dolors/10.13360/jisn2096-1359.201906030 木陶瓷的研究进展及发展趋势 Research progress and development trends of woodceramics 林业工程学报.2020,5(1):1-10hps/ dolor/10.13360/jisn2096-1359201906016
木材功能化研究新进展 王成毓, 杨照林, 王鑫, 于倩倩 引用本文: 王成毓, 杨照林, 王鑫, 等. 木材功能化研究新进展[J]. 林业工程学报, 2019, 4(3): 10-18. 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13360/j.issn.2096-1359.2019.03.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 纳米纤维素基导电材料及其在电子器件领域的研究进展 Recent progress of nanocellulose-based electroconductive materials and their applications as electronic devices 林业工程学报. 2018, 3(3): 1-11 https://doi.org/10.13360/j.issn.2096-1359.2018.03.001 透明木材的研究进展 Research progress of transparent wood:a review 林业工程学报. 2018, 3(4): 12-18 https://doi.org/10.13360/j.issn.2096-1359.2018.04.002 木材热处理研究及产业化进展 Development of wood heat treatment research and industrialization 林业工程学报. 2019, 4(4): 1-11 https://doi.org/10.13360/j.issn.2096-1359.2019.04.001 人造板用大豆蛋白胶黏剂研究进展 Research progress of soy protein adhesive for wood?based composites 林业工程学报. 2020, 5(2): 1-11 https://doi.org/10.13360/j.issn.2096-1359.201906030 木陶瓷的研究进展及发展趋势 Research progress and development trends of woodceramics 林业工程学报. 2020, 5(1): 1-10 https://doi.org/10.13360/j.issn.2096-1359.201906016
林业工程学报,2019,4(3):10-18 Journal of Forestry Engineering O1:10.13360/jisn.2096-1359.2019.03.002 木材功能化研究新进展 王成毓,杨照林,王鑫,于倩倩 (东北林业大学材料科学与工程学院,东北林业大学木材仿生智能研究中心,哈尔滨150040) 摘要:木材不仅仅是一种具有可持续、可再生、可生物降解的环境友好型材料,同时具有多级的层次结构、优良 的各向异性、多样的化学性能等优点。随着纳米技术及其他先进技术的发展,通过简单的设计制备方法,直接对 木材进行自上而下的组装,得到具有功能性的木质材料,打破了木材在实际应用上的局限性,并有希望替代传统 的玻璃、塑料等难降解材料。笔者综述了在原木基础上通过对木材成分去除、孔道修饰以及高温碳化等方法处 理,赋予木材在不同领域以新应用的相关研究成果;介绍了近年来功能性木材在污水处理、太阳能海水渼化、储 能元件、电子器件以及建筑上的应用,并对在应用过程中亟待解决的问题进行了分析;最后对木材科学的发展提 出了自己的观点,认为虽然木材在应用上取得了较大突破,但在基础研究上还需要更加深入,木质功能材料走向 商业化还面临很大挑战 关键词:木材;环境友好;功能化;应用领域 中图分类号:S785;S7817 文献标志码:A 文章编号:2096-1359(2019)03-0010-09 New research progress of functional wood WANG Chengyu, YANG Zhaolin, WANG Xin, YU Qianqian College of Material Science and Engineering, the Research Center of Wood Bionic intelligence Norheast Forestry Universiry, Harbin 150040, China) Abstract the ever-increasing world population and continuous depletion of fossil fuel reserves, people interests to sustainable materials. Having some excellent properties, such as low-toxic, renewable high strength, wood plays a vital role in people's daily life, providing convenient living circumstances for our daily livelihood and work. However, as a structural, accumulation energy starting material, wood has many potentially ap- plied fields which never were paid enough attentions by human. As a new method to make renovation in materials ologies will alter people's way of living. Apart from being sustainable, renewable, and biodegradable, wood hba aua nanotechnologies may change material utilization patterns. Combining eminent raw materials with advanced nanotech- merous advantages including mesoporous and hierarchical structure, excellent anisotropy, and multiple chemistries. Recently, many researchers from all over the world have been using diverse methods to modify pristine wood and at- tempt making it useful in many newly developed fields, such as transparent wood, battery, seawater desalination, etc. With the developing of nanotechnology and other advanced technologies, strategies for designing functional wood based materials via the simple preparation method, including the top-down assembly approaches directly from wood breaking the limitation of traditional wood in practical application. Wood-based materials are promising to replace the man-made traditional nonrenewable materials such as plastic and glass. In this review, the synthetic method and novel application for wood-based materials in the various fields are summarized, including both synthetic method for func- tional wood-based materials by removing the some components of wood, modifying the mesoporous of wood and car bonizing the wood block in high temperatures, and the novel applications in the areas of oily wastewater treatment solar-steam-assisted desalination, energy storage, and electronic devices. Authors analyze the unsolved problems and hallenges of functional wood in ns, It Is necessary to go deep to proceed fundamental research theoretically. Wood-based materials are facing a huge challenge to commercial- ization. In this review, the wood-base material, research progress and extrusive work in improving wood composite material are summarized at first. Then the theories of several references in modifying wood-base material and specifi 收稿日期:2018-11-30 修回日期:2019-03-08 基金项目:国家自然科学基金(31770605,31822008);黑龙江省杰出青年基金(JC2018006)。 作者简介:王成毓,女,教授,研究方向为超疏水性木材与生物质材的仿生合成及应用。E-mal: angry@ nefu. edu
林业工程学报， ２０１９，４（３）：１０－１８ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＤＯＩ：１０．１３３６０ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０１９．０３．００２ 收稿日期：２０１８－１１－３０ 修回日期：２０１９－０３－０８ 基金项目：国家自然科学基金（３１７７０６０５，３１８２２００８）； 黑龙江省杰出青年基金（ＪＣ２０１８００６）。 作者简介：王成毓，女，教授，研究方向为超疏水性木材与生物质材的仿生合成及应用。 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｃｙ＠ ｎｅｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 木材功能化研究新进展 王成毓，杨照林，王鑫，于倩倩 （东北林业大学材料科学与工程学院，东北林业大学木材仿生智能研究中心，哈尔滨 １５００４０） 摘 要：木材不仅仅是一种具有可持续、可再生、可生物降解的环境友好型材料，同时具有多级的层次结构、优良 的各向异性、多样的化学性能等优点。 随着纳米技术及其他先进技术的发展，通过简单的设计制备方法，直接对 木材进行自上而下的组装，得到具有功能性的木质材料，打破了木材在实际应用上的局限性，并有希望替代传统 的玻璃、塑料等难降解材料。 笔者综述了在原木基础上通过对木材成分去除、孔道修饰以及高温碳化等方法处 理，赋予木材在不同领域以新应用的相关研究成果；介绍了近年来功能性木材在污水处理、太阳能海水淡化、储 能元件、电子器件以及建筑上的应用，并对在应用过程中亟待解决的问题进行了分析；最后对木材科学的发展提 出了自己的观点，认为虽然木材在应用上取得了较大突破，但在基础研究上还需要更加深入，木质功能材料走向 商业化还面临很大挑战。 关键词：木材；环境友好；功能化；应用领域 中图分类号：Ｓ７８５；Ｓ７８１．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９６－１３５９（２０１９）０３－００１０－０９ Ｎｅｗ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｗｏｏｄ ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｙｕ， ＹＡＮＧ Ｚｈａｏｌｉｎ， ＷＡＮＧ Ｘｉｎ， ＹＵ Ｑｉａｎｑｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｗｏｏｄ Ｂｉｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ， Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５００４０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｖｅｒ⁃ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｗｏｒｌｄ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌ ｒｅｓｅｒｖｅｓ， ｐｅｏｐｌｅ ｈａｖｅ ｔｕｒｎｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ ｔｏ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｈａｖｉｎｇ ｓｏｍｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｗ⁃ｔｏｘｉｃ， ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ， ｗｏｏｄ ｐｌａｙｓ ａ ｖｉｔａｌ ｒｏｌｅ ｉｎ ｐｅｏｐｌｅｓ ｄａｉｌｙ ｌｉｆｅ， ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｌｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｆｏｒ ｏｕｒ ｄａｉｌｙ ｌｉｖｅｌｉｈｏｏｄ ａｎｄ ｗｏｒｋ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ａｓ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ， ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ， ｗｏｏｄ ｈａｓ ｍａｎｙ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ ａｐ⁃ ｐｌｉｅｄ ｆｉｅｌｄｓ ｗｈｉｃｈ ｎｅｖｅｒ ｗｅｒｅ ｐａｉｄ ｅｎｏｕｇｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ｂｙ ｈｕｍａｎ． Ａｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｍａｙ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎｓ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｅｍｉｎｅｎｔ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ａｄｖａｎｃｅｄ ｎａｎｏｔｅｃｈｎ⁃ ｏｌｏｇｉｅｓ ｗｉｌｌ ａｌｔｅｒ ｐｅｏｐｌｅｓ ｗａｙ ｏｆ ｌｉｖｉｎｇ． Ａｐａｒｔ ｆｒｏｍ ｂｅｉｎｇ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ， ｒｅｎｅｗａｂｌｅ， ａｎｄ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｌｅ， ｗｏｏｄ ｈａｓ ｎｕ⁃ ｍｅｒｏｕｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ａｎｄ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ， ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｈｅｍｉｓｔｒｉｅｓ． Ｒｅｃｅｎｔｌｙ， ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｆｒｏｍ ａｌｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｉｎｇ ｄｉｖｅｒｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｍｏｄｉｆｙ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ｗｏｏｄ ａｎｄ ａｔ⁃ ｔｅｍｐｔ ｍａｋｉｎｇ ｉｔ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎ ｍａｎｙ ｎｅｗｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｉｅｌｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｗｏｏｄ， ｂａｔｔｅｒｙ， ｓｅａｗａｔｅｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ， ｅｔｃ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｏｆ ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｗｏｏｄ⁃ ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｖｉａ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｐ⁃ｄｏｗｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｆｒｏｍ ｗｏｏｄ， ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗｏｏｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｗｏｏｄ⁃ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｍａｎ⁃ｍａｄｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｎｏｎｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｐｌａｓｔｉｃ ａｎｄ ｇｌａｓｓ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ， ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｎｏｖｅｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｗｏｏｄ⁃ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｆｉｅｌｄｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｏｔｈ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆｕｎｃ⁃ ｔｉｏｎａｌ ｗｏｏｄ⁃ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ ｒｅｍｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｍｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｗｏｏｄ， ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｏｆ ｗｏｏｄ ａｎｄ ｃａｒ⁃ ｂｏｎｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｏｄ ｂｌｏｃｋ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａｓ ｏｆ ｏｉｌｙ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ｓｏｌａｒ⁃ｓｔｅａｍ⁃ａｓｓｉｓｔｅｄ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ， ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ， ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ． Ａｕｔｈｏｒｓ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｕｎｓｏｌｖｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｗｏｏｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｓｏｍｅ ｏｐｉｎｉｏｎｓ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｗｏｏｄ⁃ ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ａｌｔｈｏｕｇｈ， ｗｏｏｄ⁃ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｄ ａ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｇｏ ｄｅｅｐ ｔｏ ｐｒｏｃｅｅｄ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ． Ｗｏｏｄ⁃ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｆａｃｉｎｇ ａ ｈｕｇｅ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｔｏ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ⁃ ｉｚａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｖｉｅｗ， ｔｈｅ ｗｏｏｄ⁃ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ， ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｅｘｔｒｕｓｉｖｅ ｗｏｒｋ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｗｏｏｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｔ ｆｉｒｓｔ． Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｗｏｏｄ⁃ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｓｐｅｃｉｆｉｃ
第3期 王成毓,等:木材功能化研究新进展 application areas are illuminated. The existing issues and developing direction in wood composite materials in the Keywords: wood; environmental-friendly: functional; applied field 随着能源的日益短缺和环境污染问题的逐渐上最紧迫的问题之一,严重威胁着人们的健康。在 加深,环境友好型的易降解、可再生的材料越来越城市生活污水、工业废水中都存在着诸多的污染 受到人们的关注。木材是一种可再生易降解的材物,同时石油开采和运输过程中泄漏事故频发,导 料,覆盖了超过全球陆地面积的30%,不仅能吸收致海水污染、环境破坏和生态失调等问题。许 二氧化碳、释放氧气,还能广泛应用于生活、工作和多科学家都在努力寻找一种高效简单的污水快捷 娱乐各个领域。特别是木材及其衍生物,除了丰富处理方法。尽管在废水处理方面已经进行了大量 和可降解以外,还是一种碳中性材料。由于植物中的研究[s,但考虑到对环境可能造成二次污染问 的碳是光合作用的结果,因此在降解过程中不会造题,研究的重点已经开始转向利用可降解的生物质 成大气中二氧化碳含量的增加。基于以上因素,木材料进行污水的处理。木材是一种有着丰富的多 材被认为是石油的潜在替代品,更有利于环境的可级介孔结构天然材料,此外在细胞壁内不同化合物 持续发展。千百年来木材一直是日常生活中不可具有多种功能基团,丰富且错乱的孔道结构可以增 缺少的一部分,是制作工具、房屋建筑等的重要组加水流经过木材的时间,细胞内壁上的官能团则能 成部分。然而,木材因为本身固有的性质在诸多领进行后续的反应处理。因此只需通过简单的物理 域的应用受到限制,如机械性能低、非透明性、低导化学处理,木材就可以在污水处理上得到应用并达 电性等,因此,在一些应用领域逐步被玻璃、金属、到预期目标。由此可见,木材在废水处理方面的优 塑料等材料替代。随着纳米技术的发展,可成功从势是十分明显的。最近,Chen等通过水浴的方 木材中提取出纳米级别的木材衍生物,使得木材及法直接在原木上生长了钯粒子,并用来降解含有甲 其衍生物材料可以使用于环境、能源、生物医疗等基蓝有机化合物染料的污水,如图所示(图1a)。 新领域。因此,应该重新审视木基材料,通过先进由于复杂的木材介孔结构为污水提供了最佳的垂 技术满足可持续发展的要求,从而消除对不可再生直通道,使其有足够的停留时间让有机化合物接触 资源日益减少的担忧。 到内部细胞壁上的催化剂,同时随着木质素及半纤 近几十年来,木材衍生物如纤维素、木质素等维素的减少,木材细胞壁表面的钯纳米颗粒数目减 的组成和木材衍生物的结构研究有了显著的进少。这是由于纤维素、半纤维素和木质素分子的极 展3,但这一过程需要复杂的制备方法,从纳米性基团(一COOH,OH,—C=0)可以将钯捕获 纤维素分离到材料的组装,需要大量的人力、物力并使其还原。在进行脱木素等处理后表面基团减 以及能源消耗。相比之下,木材本身就具有一种天少,使得被还原的钯粒子数目减少,这种变化可 然的分级结构,从以米为单位级的树干,毫米级的在添加还原钯和没有添加还原钯木材的颜色对比 年轮,微米级的木材细胞,到纳米级的纤维素分子,上直接观察到。由图1b可见,含有亚甲基蓝的污 是一类结构层次分明、构造有序的多尺度分级结构水在通过钯修饰的木材后,污水由蓝色变为无色。 天然复合材料。除拥有精妙的多尺度分级结构外,从紫外-可见光吸收光谱可知,对比处理前后,亚甲 还具有天然形成的精细分级微纳米通道,孔径尺寸基蓝的吸收峰值消失了,由此表明化合物完全降解 具有从毫米到纳米的明显分级特征,因此更有利于(图1c)。在pH1~12的变化范围中(图ld),降解 用于水、离子和氧气等其他营养物质的运输。这些效率在不同的p下是稳定的,而在水中的通量最 特性为木材的功能化设计创造了良好的基础。在高可达1×10L/(m2h)(图le)。 这里笔者介绍了几种功能化木材在储能、污水处 此外,Fu等和Cuan等将木材脱除木质 理、淡化海水、电子领域以及建筑方面的应用研究素及改性处理,使木材得到丰富的多级孔道结构以 概况,以供同行参考。 应用于油水分离上,这样的处理为吸附提供了有利 木材在污水处理方向的应用 的条件。Fu等将树脂/丙酮溶液浸渍到预先处 理好的模板中,得到了一种疏水亲油的复合材料 在经济快速发展的同时,人类不可避免地要承经过处理的木材依旧保持着原有的孔道结构,而在 受随之而来的环境恶化问题。水污染一直是世界细胞壁上的纳米级孔道则被树脂完全填充。由该
第 ３ 期 王成毓，等：木材功能化研究新进展 ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅａｓ ａｒｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｗｏｏｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ａｒｅ ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ ａｔ ｌａｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｏｏｄ； ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ⁃ｆｒｉｅｎｄｌｙ； ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ； ａｐｐｌｉｅｄ ｆｉｅｌｄ 随着能源的日益短缺和环境污染问题的逐渐 加深，环境友好型的易降解、可再生的材料越来越 受到人们的关注。 木材是一种可再生易降解的材 料，覆盖了超过全球陆地面积的 ３０％，不仅能吸收 二氧化碳、释放氧气，还能广泛应用于生活、工作和 娱乐各个领域。 特别是木材及其衍生物，除了丰富 和可降解以外，还是一种碳中性材料。 由于植物中 的碳是光合作用的结果，因此在降解过程中不会造 成大气中二氧化碳含量的增加。 基于以上因素，木 材被认为是石油的潜在替代品，更有利于环境的可 持续发展。 千百年来木材一直是日常生活中不可 缺少的一部分，是制作工具、房屋建筑等的重要组 成部分。 然而，木材因为本身固有的性质在诸多领 域的应用受到限制，如机械性能低、非透明性、低导 电性等，因此，在一些应用领域逐步被玻璃、金属、 塑料等材料替代。 随着纳米技术的发展，可成功从 木材中提取出纳米级别的木材衍生物，使得木材及 其衍生物材料可以使用于环境、能源、生物医疗等 新领域。 因此，应该重新审视木基材料，通过先进 技术满足可持续发展的要求，从而消除对不可再生 资源日益减少的担忧。 近几十年来，木材衍生物如纤维素、木质素等 的组成和木材衍生物的结构研究有了显著的进 展［１－３］ ，但这一过程需要复杂的制备方法，从纳米 纤维素分离到材料的组装，需要大量的人力、物力 以及能源消耗。 相比之下，木材本身就具有一种天 然的分级结构，从以米为单位级的树干，毫米级的 年轮，微米级的木材细胞，到纳米级的纤维素分子， 是一类结构层次分明、构造有序的多尺度分级结构 天然复合材料。 除拥有精妙的多尺度分级结构外， 还具有天然形成的精细分级微纳米通道，孔径尺寸 具有从毫米到纳米的明显分级特征，因此更有利于 用于水、离子和氧气等其他营养物质的运输。 这些 特性为木材的功能化设计创造了良好的基础。 在 这里笔者介绍了几种功能化木材在储能、污水处 理、淡化海水、电子领域以及建筑方面的应用研究 概况，以供同行参考。 １ 木材在污水处理方向的应用 在经济快速发展的同时，人类不可避免地要承 受随之而来的环境恶化问题。 水污染一直是世界 上最紧迫的问题之一，严重威胁着人们的健康。 在 城市生活污水、工业废水中都存在着诸多的污染 物，同时石油开采和运输过程中泄漏事故频发，导 致海水污染、环境破坏和生态失调等问题［４－７］ 。 许 多科学家都在努力寻找一种高效简单的污水快捷 处理方法。 尽管在废水处理方面已经进行了大量 的研究［８－９］ ，但考虑到对环境可能造成二次污染问 题，研究的重点已经开始转向利用可降解的生物质 材料进行污水的处理。 木材是一种有着丰富的多 级介孔结构天然材料，此外在细胞壁内不同化合物 具有多种功能基团，丰富且错乱的孔道结构可以增 加水流经过木材的时间，细胞内壁上的官能团则能 进行后续的反应处理。 因此只需通过简单的物理 化学处理，木材就可以在污水处理上得到应用并达 到预期目标。 由此可见，木材在废水处理方面的优 势是十分明显的。 最近，Ｃｈｅｎ 等［８］ 通过水浴的方 法直接在原木上生长了钯粒子，并用来降解含有甲 基蓝有机化合物染料的污水，如图所示（图 １ａ）。 由于复杂的木材介孔结构为污水提供了最佳的垂 直通道，使其有足够的停留时间让有机化合物接触 到内部细胞壁上的催化剂，同时随着木质素及半纤 维素的减少，木材细胞壁表面的钯纳米颗粒数目减 少。 这是由于纤维素、半纤维素和木质素分子的极 性基团（—ＣＯＯＨ，—ＯＨ， —ＣＯ）可以将钯捕获， 并使其还原。 在进行脱木素等处理后表面基团减 少，使得被还原的钯粒子数目减少，这种变化可以 在添加还原钯和没有添加还原钯木材的颜色对比 上直接观察到。 由图 １ｂ 可见，含有亚甲基蓝的污 水在通过钯修饰的木材后，污水由蓝色变为无色。 从紫外⁃可见光吸收光谱可知，对比处理前后，亚甲 基蓝的吸收峰值消失了，由此表明化合物完全降解 （图 １ｃ）。 在 ｐＨ １～１２ 的变化范围中（图 １ｄ），降解 效率在不同的 ｐＨ 下是稳定的，而在水中的通量最 高可达 １×１０ ５ Ｌ ／ （ｍ ２·ｈ）（图 １ｅ）。 此外，Ｆｕ 等［９］ 和 Ｇｕａｎ 等［１０］ 将木材脱除木质 素及改性处理，使木材得到丰富的多级孔道结构以 应用于油水分离上，这样的处理为吸附提供了有利 的条件。 Ｆｕ 等［９］ 将树脂／ 丙酮溶液浸渍到预先处 理好的模板中，得到了一种疏水亲油的复合材料， 经过处理的木材依旧保持着原有的孔道结构，而在 细胞壁上的纳米级孔道则被树脂完全填充。 由该 １１
林业工程学报 第4卷 Pd NP is-situ wavelength(nm) °cmmd(m b金属钯-木材复合材料降解亚甲基蓝和硼氢化钠混合物示意图;c.亚甲基藍降解前 后紫外可见光光谱;d、e.不同条件下亚甲基蓝降解效率曲线 图1金属钯木材复合材料对染料的降解 Fig. 1 Degradation of dyes by metal palladium-wood composite 方法得到的功能性木材,疏水角可以达到140°,且研究完善。同时作为一种治理污染的装置,在对污 在水下具有高亲油特性,处理后的木材在短时间内水进行处理的过程中不能产生二次污染。例如,为 可以吸收大量的油。而Guan等0用甲基三甲基了达到疏水性,通常使用氟化物或有机硅烷化学物 硅烷对脱掉木质素及半纤维素的木材模板进行修质改性,这些化学物质大多对人体和环境有害。因 饰,得到具有大量波浪状堆叠层的“木制海绵”,这此,在保证功能化的同时,应注意其对环境的影响 种木制多孔海绵有着优良的机械性能,在承受避免使用有毒化学品。此外,还应该扩大木质功能 60%的应变后,外力去除仍可完全恢复原样。在压化材料在污染物处理方面的使用范围,除对水体中 缩应变分别为20%,40%和60%时的应力应变大的有害物质处理外,还应该进一步扩大到其他领 致分为2个阶段:当应变小于30%时,为线性弹力域,例如空气和土壤等。 区域,这表现为木制海绵骨架受压时的弹性变形 当大于30%的时候应力突然增加是因为致密化2木材在海水淡化方面的应用 区域与堆叠层相互挤压而造成的。这种木制海绵 随着人口增长和气候变化等因素的影响,人们 在经过100次应变为40%压缩后,仍然为原始高度对淡水的需求量越来越大,全球淡水资源短缺的情 的93%,能量损失系数由第一个循环的0.54降至况日益紧迫。根据此前的一项研究估计,全球缺水 第100个周期的0.25。对材料的疏水性测试发现,人口有17亿-31亿,这就意味着目前的缺水情况 该材料的外表面疏水角可达151°,内表面可达比预计的更加严重。虽然地球上的海水资源非常 134°。这些优良的机械性能,以及低密度、高孔隙丰富,但是97%的水都在海洋里,因此为了解决淡 度和疏水/亲油的特性,赋予了木制多孔海绵高达水资源缺乏的问题一直以来世界各国的科学家都 41g/g的吸油能力和优秀的再循环能力。在集油把目光投向了海洋。使用太阳能蒸发方式从海水 装置的基础上,以木制海绵制备的过滤器可以从水中获得淡水,被认为最绿色清洁的方法之一。自 中连续分离污染物,通量高达847L/(h·g)。 1872年世界上第一座太阳能蒸馏器在智利诞生 木质功能性材料在污水处理上的应用,充分利人们用太阳能进行海水淡化的研究进程就一直没 用了木材独特的孔道结构,通过修饰改良,打破了有停止目前,各种光吸收剂如泡沫碳、石墨 木材应用上的限制。与以往的粉体、薄膜、海绵等烯、纳米金、Ti2O3纳米粒子、碳纳米管等已被用作 材料相比,木质三维(3D)材料不仅具有多孔结构、高效太阳能蒸汽蒸发的光热转换材料-。与此 比表面积大、吸收率高等特点,还具有来源广泛、成同时,具有亲水性的二维或三维的多孔材料因构建 本低廉、对环境影响更小和便于大规模生产加工的了高效的水运输通道,在太阳能蒸发装置上有着很 优势。 好的应用前景。但是现有的大多数蒸发装置都需 然而,到目前为止,木质材料在污水处理方面复杂的制造工艺及昂贵的成本,因而不可能大规模 应用仍处在初级阶段,还需要科研工作者进一步的制备推广,这大大限制了其在生活中的应用。树木
林 业 工 程 学 报 第 ４ 卷 ａ、ｂ．金属钯⁃木材复合材料降解亚甲基蓝和硼氢化钠混合物示意图；ｃ．亚甲基蓝降解前、 后紫外可见光光谱；ｄ、ｅ．不同条件下亚甲基蓝降解效率曲线 图 １ 金属钯⁃木材复合材料对染料的降解［８］ Ｆｉｇ． １ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｙｅｓ ｂｙ ｍｅｔａｌ ｐａｌｌａｄｉｕｍ⁃ｗｏｏｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ 方法得到的功能性木材，疏水角可以达到 １４０°，且 在水下具有高亲油特性，处理后的木材在短时间内 可以吸收大量的油。 而 Ｇｕａｎ 等［１０］ 用甲基三甲基 硅烷对脱掉木质素及半纤维素的木材模板进行修 饰，得到具有大量波浪状堆叠层的“木制海绵”，这 种木制多孔海绵有着优良的机械性能，在承受 ６０％的应变后，外力去除仍可完全恢复原样。 在压 缩应变分别为 ２０％，４０％和 ６０％时的应力⁃应变大 致分为 ２ 个阶段：当应变小于 ３０％时，为线性弹力 区域，这表现为木制海绵骨架受压时的弹性变形； 当大于 ３０％的时候，应力突然增加，是因为致密化 区域与堆叠层相互挤压而造成的。 这种木制海绵 在经过 １００ 次应变为 ４０％压缩后，仍然为原始高度 的 ９３％，能量损失系数由第一个循环的 ０．５４ 降至 第 １００ 个周期的 ０．２５。 对材料的疏水性测试发现， 该材料的外表面疏水角可达 １５１°，内表面可达 １３４°。 这些优良的机械性能，以及低密度、高孔隙 度和疏水／ 亲油的特性，赋予了木制多孔海绵高达 ４１ ｇ ／ ｇ 的吸油能力和优秀的再循环能力。 在集油 装置的基础上，以木制海绵制备的过滤器可以从水 中连续分离污染物，通量高达 ８４．７ Ｌ ／ （ｈ·ｇ）。 木质功能性材料在污水处理上的应用，充分利 用了木材独特的孔道结构，通过修饰改良，打破了 木材应用上的限制。 与以往的粉体、薄膜、海绵等 材料相比，木质三维（３Ｄ）材料不仅具有多孔结构、 比表面积大、吸收率高等特点，还具有来源广泛、成 本低廉、对环境影响更小和便于大规模生产加工的 优势。 然而，到目前为止，木质材料在污水处理方面 应用仍处在初级阶段，还需要科研工作者进一步的 研究完善。 同时作为一种治理污染的装置，在对污 水进行处理的过程中不能产生二次污染。 例如，为 了达到疏水性，通常使用氟化物或有机硅烷化学物 质改性，这些化学物质大多对人体和环境有害。 因 此，在保证功能化的同时，应注意其对环境的影响， 避免使用有毒化学品。 此外，还应该扩大木质功能 化材料在污染物处理方面的使用范围，除对水体中 的有害物质处理外，还应该进一步扩大到其他领 域，例如空气和土壤等。 ２ 木材在海水淡化方面的应用 随着人口增长和气候变化等因素的影响，人们 对淡水的需求量越来越大，全球淡水资源短缺的情 况日益紧迫。 根据此前的一项研究估计，全球缺水 人口有 １７ 亿～３１ 亿，这就意味着目前的缺水情况 比预计的更加严重。 虽然地球上的海水资源非常 丰富，但是 ９７％的水都在海洋里，因此为了解决淡 水资源缺乏的问题一直以来世界各国的科学家都 把目光投向了海洋。 使用太阳能蒸发方式从海水 中获得淡水，被认为最绿色清洁的方法之一。 自 １８７２ 年世界上第一座太阳能蒸馏器在智利诞生， 人们用太阳能进行海水淡化的研究进程就一直没 有停止［１１－１５］ 。 目前，各种光吸收剂如泡沫碳、石墨 烯、纳米金、Ｔｉ ２Ｏ３纳米粒子、碳纳米管等已被用作 高效太阳能蒸汽蒸发的光热转换材料［１６－１９］ 。 与此 同时，具有亲水性的二维或三维的多孔材料因构建 了高效的水运输通道，在太阳能蒸发装置上有着很 好的应用前景。 但是现有的大多数蒸发装置都需 复杂的制造工艺及昂贵的成本，因而不可能大规模 制备推广，这大大限制了其在生活中的应用。 树木 １２
第3期 王成毓,等:木材功能化研究新进展 作为自然生物,其光合作用依赖于水和二氧化碳,率。多孔的碳化层能够有效地吸收阳光,增加光的 通过根部吸收地下水,然后将水向上运输,再经叶反射路径,最大限度地吸收太阳能,使顶部表面的 片蒸发。据报道树木通过根部系统吸收的水,超过热量局部化,同时由于木材的隔热性能优异2),水 ∞0%通过蒸腾作用回到了空气中。树木的蒸腾可以沿着垂直排列的微通道传输到木材顶部的表 作用是太阳能利用和水净化的自然模型。而理想面。图2c试验测定了表层碳化的木材、无定形碳 的太阳能淡化水装置一般具有连续的阳光吸收、隔和天然木材的光吸收光谱。由于双层木材的微观 热和良好的水运输通道特性。对于光吸收层而言,结构和双层结构之间的协同作用,双层木材几乎吸 需具有高的宽带太阳能吸收和有效的光热转化能收了整个波长范围内的所有入射光,吸收率接近 力;而良好的热绝缘部分应具有较低的热传导能99%。如图2d所示,该装置最大太阳能蒸汽生成 力,以减少水热量的损失;具有亲水性和多孔的微速率超过122kg/(m2h),其能量转化效率约为 观结构将有助水及蒸汽的流通2。 90%。Liu等{2还报告了一种基于木材的太阳能 受树木蒸腾作用的启发,天然木材具有开放和蒸发装置,它由天然木材和一层用作吸收光线的石 对齐的徵通道,可用于制作有效的海水淡化装墨烯氧化物组成。木材具有高度多孔的微观结构 置2。Zhu等(近来设计了一种以木材为基础的(图2e),氧化石墨烯层紧密附着在多孔木材基体 太阳能淡化海水的装置,该装置巧妙地利用了木材上,这种结构有助于提高太阳能吸收和光热转换能 天然的开放孔道及亲水特点,将木材表面碳化,形力(图2)。这种装置具有多孔结构、高吸光性、良 成一种独特的双层结构(图2a)。如图2b是双层好的亲水性和低导热性特点,在12kW/m2的模拟 木材的SEM图,可见顶部碳化的部分依旧保持着太阳光照射下,蒸发速率高达14.02kg/(m2h) 木材原有的孔道结构,这极大地提升了水的运输速(图2g)。 absorpion Surface Carbonization Water pumping 8910 150180210 u 100 a.木材碳化后的双层结构;b.SEM图;c、d光吸收图谱以及不同光照条件下的蒸汽速率; e玉覆盖石墨烯前、后木材的微孔结构;g原木和石墨-木材在水中的蒸发速率 图2处理后的木材在水中的蒸发速率{2 Fig. 2 Rate of evaporation of treated wood from water 将处理过的木材用作太阳能海水淡化,其原理 尽管将天然木材进行处理用于太阳能海水淡 是直接利用了木材的天然孔道以及亲水的特性,与化有导热系数低、亲水性好、力学性能强且能量转 其他的太阳能蒸发装置相比,制备工艺简单,原料化率高等优点,但仍有一些问题需要解决。例如天 更加广泛,绿色可降解,对环境几乎无污染,便于更然木材长期浸泡在水中,会发生腐烂现象,逐渐被 大规模的生产加工。 微生物分解。因此,需要进一步提高天然木材在高
第 ３ 期 王成毓，等：木材功能化研究新进展 作为自然生物，其光合作用依赖于水和二氧化碳， 通过根部吸收地下水，然后将水向上运输，再经叶 片蒸发。 据报道树木通过根部系统吸收的水，超过 ９０％通过蒸腾作用回到了空气中［２０］ 。 树木的蒸腾 作用是太阳能利用和水净化的自然模型。 而理想 的太阳能淡化水装置一般具有连续的阳光吸收、隔 热和良好的水运输通道特性。 对于光吸收层而言， 需具有高的宽带太阳能吸收和有效的光热转化能 力；而良好的热绝缘部分应具有较低的热传导能 力，以减少水热量的损失；具有亲水性和多孔的微 观结构将有助水及蒸汽的流通［２１］ 。 受树木蒸腾作用的启发，天然木材具有开放和 对齐的微通道，可用于制作有效的海水淡化装 置［２２］ 。 Ｚｈｕ 等［２１］近来设计了一种以木材为基础的 太阳能淡化海水的装置，该装置巧妙地利用了木材 天然的开放孔道及亲水特点，将木材表面碳化，形 成一种独特的双层结构（图 ２ａ）。 如图 ２ｂ 是双层 木材的 ＳＥＭ 图，可见顶部碳化的部分依旧保持着 木材原有的孔道结构，这极大地提升了水的运输速 率。 多孔的碳化层能够有效地吸收阳光，增加光的 反射路径，最大限度地吸收太阳能，使顶部表面的 热量局部化，同时由于木材的隔热性能优异［２３］ ，水 可以沿着垂直排列的微通道传输到木材顶部的表 面。 图 ２ｃ 试验测定了表层碳化的木材、无定形碳 和天然木材的光吸收光谱。 由于双层木材的微观 结构和双层结构之间的协同作用，双层木材几乎吸 收了整个波长范围内的所有入射光，吸收率接近 ９９％。 如图 ２ｄ 所示，该装置最大太阳能蒸汽生成 速率超过 １２．２ ｋｇ ／ （ｍ ２·ｈ），其能量转化效率约为 ９０％。 Ｌｉｕ 等［２４］还报告了一种基于木材的太阳能 蒸发装置，它由天然木材和一层用作吸收光线的石 墨烯氧化物组成。 木材具有高度多孔的微观结构 （图 ２ｅ），氧化石墨烯层紧密附着在多孔木材基体 上，这种结构有助于提高太阳能吸收和光热转换能 力（图 ２ｆ）。 这种装置具有多孔结构、高吸光性、良 好的亲水性和低导热性特点，在 １２ ｋＷ／ ｍ ２的模拟 太阳光照射下，蒸发速率高达 １４． ０２ ｋｇ ／ （ ｍ ２·ｈ） （图 ２ｇ）。 ａ．木材碳化后的双层结构；ｂ．ＳＥＭ 图；ｃ、ｄ．光吸收图谱以及不同光照条件下的蒸汽速率； ｅ、ｆ．覆盖石墨烯前、后木材的微孔结构； ｇ．原木和石墨－木材在水中的蒸发速率 图 ２ 处理后的木材在水中的蒸发速率［２２－２４］ Ｆｉｇ． ２ Ｒａｔｅ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒｅａｔｅｄ ｗｏｏｄ ｆｒｏｍ ｗａｔｅｒ 将处理过的木材用作太阳能海水淡化，其原理 是直接利用了木材的天然孔道以及亲水的特性，与 其他的太阳能蒸发装置相比，制备工艺简单，原料 更加广泛，绿色可降解，对环境几乎无污染，便于更 大规模的生产加工。 尽管将天然木材进行处理用于太阳能海水淡 化有导热系数低、亲水性好、力学性能强且能量转 化率高等优点，但仍有一些问题需要解决。 例如天 然木材长期浸泡在水中，会发生腐烂现象，逐渐被 微生物分解。 因此，需要进一步提高天然木材在高 １３