透明木性能研究及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

高婧淑 朱 齡 高 越 張耀麗 張仲鳳

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇南京 210037；3.淮南師范學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽 淮南 232001；4.中南林業(yè)科技大學(xué)；國家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心；湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

作為一種可再生的生物質(zhì)材料，木材被廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。隨著新能源科技的發(fā)展，木材功能和智能化的研發(fā)與設(shè)計逐漸成為新的發(fā)展趨勢[1-2]。透明木因其原材料容易獲得、生產(chǎn)過程簡便、透光率好、熱導(dǎo)率小等優(yōu)點，在電子原件、太陽能電池板、新型節(jié)能建材等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前木質(zhì)改性設(shè)計領(lǐng)域的研發(fā)重點。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)注逐漸集中于產(chǎn)品外觀的美觀性、材料的環(huán)保性、功能的延伸性等方面。因此，開發(fā)綠色環(huán)保的新型材料，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中具有重要意義。透明木材是當(dāng)前木材領(lǐng)域的研究前沿，但在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，對于透明木材的設(shè)計應(yīng)用還很少。因此，本文從透明木的發(fā)展及性能、透明木應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的可行性、透明木應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的評估與展望這幾個方面進(jìn)行論述，希望推動相關(guān)研究，拓展這一新型材料在產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用范圍。

1 透明木的性能及發(fā)展

1.1 透明木的制備方法

如圖1所示，透明木材是將普通木材脫除木質(zhì)素之后，再用折射率匹配的樹脂對其浸漬[3]。目前，常用的脫木素方法有亞氯酸鈉法、氫氧化鈉與亞硫酸鈉法、保留木質(zhì)素法等[4]。Li等[5-6]用1wt%亞氯酸鈉和pH為4.6的醋酸緩沖液在80 ℃下提取干燥樣品，制備出的厚度為1.2 mm，透光率為85%，霧度為71%的透明木。Yaddanapudi等[7]將脫除木素的木材試樣與PMMA進(jìn)行融合，制備出厚度為0.1 mm和0.7 mm透明木試樣，最大透光率可以達(dá)到70%，最高霧度為59%，且具有較高的抗拉強度和硬度，可作為透光建筑材料和太陽能電池窗的優(yōu)質(zhì)代替材料。Li等[8]使用改性脫木素溶液對木材進(jìn)行預(yù)處理，這種處理方式可以保留大量的木質(zhì)素，同時可形成透明的外觀。由此可見，制備透明木的方法很多，選擇適合的方法并對其進(jìn)行改進(jìn)可以提高透明木的制備效率，從而進(jìn)一步優(yōu)化透明木的性能。

圖1 透明木的制備流程及實物展示Fig.1 Preparation process and physical demonstration of transparent wood

1.2 樹種對透明木性能的影響

對于不用的樹種，即使使用相同的脫木素方法，其制備出的透明木性能及形態(tài)也會存在較大差異。Li等[8]通過木質(zhì)素改性的方法制備不同樹種的透明木材，由圖2可知，不同樹種制備出的透明木材其顏色與透光性差別較大。王雅婧等[9]以紅橡木和白楊為研究對象，用保留木質(zhì)素法制備出了五種不同厚度的透明木，同樣發(fā)現(xiàn)樹種對于透明木材的透光性影響較大，總體色調(diào)上是偏向暖色，適用于裝飾性透明材料。秦建鯤等[10]選取了3種不同密度的樹種作為研究對象，采用層壓多層薄木片的方法制作了最大厚度為10 mm的透明木材，并測試其光學(xué)性能及力學(xué)性能。王旋[11]利用楊木和杉木制備透明木材，發(fā)現(xiàn)兩者透光率較為接近，影響透光性的主要因素為木質(zhì)素的殘余量和木材內(nèi)部PMMA的分布均勻性。初始木材基材的滲透性是決定透明木材透光性能好壞的重要因素。

圖2 不同樹種制備的透明木材對比Fig.2 Comparison of transparent wood prepared from different tree species

1.3 基材形態(tài)對透明木性能的影響

當(dāng)前透明木的基材尺寸較小，且與預(yù)聚合樹脂的滲透性較差。因此，如何通過綠色高效的工藝制備大尺寸透明木材，以滿足各種應(yīng)用需要是目前面臨的問題。豐富的形態(tài)也是產(chǎn)品設(shè)計重要的組成部分。因此，對透明木基材形態(tài)進(jìn)行研究十分必要。Tang[12]使用一種非常簡單有效的方法制備出柔性透明木薄膜材料，透光率可高達(dá)90%，且力學(xué)特性高于原木材，可作為手機保護(hù)膜。Wang[3]利用木纖維制備了尺寸為300 mm×300 mm×10 mm的透明木材，透光率為68%，霧度為82%，是目前制備出的尺寸最大和透光率最高的透明木，解決了透明木尺寸局限性的問題。Li等[13]以不同目數(shù)的木粉為原料制備透明木，發(fā)現(xiàn)由100～120目木粉制備的材料性能優(yōu)異，透光率可達(dá)62%，拉伸性能好。Gao等[14]將木材剩余物處理成不同目數(shù)的木粉，并制備了木粉增強多孔透明木。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用80目的木粉且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，其在透明木材中的分散較為均勻，透光性能最優(yōu)。

2 透明木應(yīng)用于設(shè)計中的可行性分析

透明木作為一種綠色可持續(xù)發(fā)展的新型材料，其來源利用了木材邊角料，節(jié)約了木材資源，優(yōu)化了木材的透光率，提高了隔熱性能。利用木纖維可以制備出大尺寸的透明木，有利于工業(yè)化的大批量生產(chǎn)。相比于塑料、玻璃等透明材料，透明木的更環(huán)保，且在形態(tài)、光學(xué)性能、力學(xué)性能方面能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

2.1 豐富的自然形態(tài)

“形態(tài)”是指物體的形式要素給人的一種有關(guān)物體“態(tài)”的感覺和印象[15]?！靶螒B(tài)”由“形”和“態(tài)”組成，形者神之質(zhì)，神者形之用，二者共生共滅、相輔相成[16]。因此，形態(tài)在產(chǎn)品設(shè)計中起到了十分關(guān)鍵的作用。如何利用透明木本身的形態(tài)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計也將成為新的研究方向。自然界中樹木分為軟木和硬木兩種，這兩種樹種在結(jié)構(gòu)上存在著很大的差別。因此，不同木材制備出的透明木，其視覺形態(tài)及美學(xué)效果也不盡相同。在透明木美學(xué)特性的基礎(chǔ)上，胡良兵團(tuán)隊利用具有一定紋理的脫木素木塊進(jìn)行層合疊加，設(shè)計出具有美學(xué)特性的透明圖案，給人帶來強烈的視覺沖擊及美學(xué)體驗。如圖3所示，兩塊具有生長輪的木材A和B，先固定A的紋理方向，再把B旋轉(zhuǎn)180°后疊加在A上，從而得到了具有美學(xué)效果的透明木材[17]。

圖3 透明木格子圖案設(shè)計過程Fig.3 Transparent wood lattice pattern design process

2.2 優(yōu)異的透光性

透明度屬于產(chǎn)品設(shè)計美學(xué)范疇內(nèi)的一部分，而透明材料的應(yīng)用，令這一美學(xué)風(fēng)格方興未艾，為人類社會中的藝術(shù)和文化領(lǐng)域帶來積極影響[18]。如圖4所示，透明木不僅具有透明風(fēng)格，而且具有較高的透光率與霧度，在光致發(fā)光等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Gan等[17]將量子點（CDs）浸漬在木纖維素模板（CT）中，制備了具有光轉(zhuǎn)換功能的光致發(fā)光透明木材（PTW）。結(jié)果表明:通過控制CDs的尺寸和表面化學(xué)基團(tuán)，可獲得不同波長的發(fā)射官能團(tuán)，且通過控制CDs的含量，制備出可用于白光轉(zhuǎn)換的PTW，光線轉(zhuǎn)換均勻，見圖5。Qiu等[19]制備出一種具有熱可逆光學(xué)特性的柔性透明木材（SBO/TW），它具有可修正的光學(xué)特性。隨著溫度的升高，SBO/TW的透光率可以從不透明變?yōu)橥该鳎粗嗳?。SBO/TW在智能照明控制系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。Li等[13]以不同目數(shù)的木粉為原料制備木粉透明木，并將其與長余輝材料相結(jié)合，制備出長余輝透明纖維木（LATFW）復(fù)合材料，通過分析LATFW的熒光強度，透光率、拉伸率等性能，揭示了其性能因木粉目數(shù)而異，提供了生產(chǎn)特定透光率的光屬性材料的方法。周凝宇等[20]對樺木進(jìn)行脫木質(zhì)素預(yù)處理，設(shè)計出一種具有疏水性的熒光透明木材（CTW）。結(jié)果表明：CTW具有較高的紫外光吸收能力，能夠阻擋83.1%的UV-A和86.2%的UV-B，可見光透光率達(dá)到78.5 %，且在紫外光下呈亮藍(lán)色熒光。隨著人們對透明木光學(xué)性能的深入探究，設(shè)計出了熒光透明木材料、熱可逆透明木等智能透明材料，這將拓展透明木的應(yīng)用范圍，如可將其應(yīng)用在透明智能或安全標(biāo)志照明等產(chǎn)品設(shè)計中。這種環(huán)保節(jié)能的新型透明材料可替代玻璃和塑料，成為設(shè)計中不可或缺的新型材料。

圖4 透明木優(yōu)異的透光性Fig.5 Excellent light transmission of transparent wood

圖5 具有熒光性的透明木材Fig.5 Transparent wood with fluorescent properties

2.3 堅韌的力學(xué)性能

材料性能中最重要的是力學(xué)性能，實驗證明，基于納米纖維素透明復(fù)合材料的力學(xué)性能更強，甚至在一些建筑結(jié)構(gòu)中可代替鋼材，避免鋼鐵帶來的能耗[21]。Wu等[22]將椴木進(jìn)行不同程度的脫木素處理制備透明木，實驗表明，透明木比天然木材具有更高的拉伸強度。當(dāng)木質(zhì)素含量為15%時，其抗拉強度最高可達(dá)171.4 MPa。Yaddanapudi等[7]使用山毛櫸木制備透明木，發(fā)現(xiàn)其具有較高的抗拉強度和硬度，同時具有高透光率。Chen等[23]制備出一種阻燃TW/聚酰亞胺（FRTW/PI）的透明復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RTW/PI的機械強度提高了169 MPa，是天然木材的42倍，在建筑中可代替玻璃。同時，F(xiàn)RTW/PI在離開火源2 s內(nèi)還能保持良好的自熄性能，具有一定的阻燃性。相對原始木材，透明木材的強度更高，可以作為承重結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑中[24-25]。此外，相比玻璃、塑料等更容易降解，其霧度特性還起到一定的隱私保護(hù)作用[26-27]。

3 透明木應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的評估與展望——結(jié)合設(shè)計實例分析

綜上可知，透明木作為一種新型節(jié)能環(huán)保材料，不論是從造型還是功能，都非常適用于目前產(chǎn)品設(shè)計的開發(fā)和研究，將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計市場將具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，本節(jié)根據(jù)透明木的性能優(yōu)點，并結(jié)合當(dāng)前文創(chuàng)產(chǎn)品的熱點，設(shè)計了兩款由透明木設(shè)計的文創(chuàng)產(chǎn)品(見圖6)。

圖6 透明木材產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用實例Fig.6 Example of transparent wood product design application

3.1 透明木在燈具中的設(shè)計應(yīng)用

圖6a為“天花亂墜”透明木系列燈具。此款燈具的設(shè)計靈感來源于南京特色雨花石，雨花石晶瑩剔透，其美麗的色彩和千變?nèi)f化的花紋是它的特色之處。本設(shè)計通過提煉雨花石細(xì)膩的花紋和色彩，運用吊燈和落地?zé)舻男问椒謩e表現(xiàn)“天花”與“亂墜”，通過燈光將雨花石千變?nèi)f化的紋理表現(xiàn)的淋漓盡致，希望以此產(chǎn)品傳承獨特的南京地域文化。燈具的主體是由具有柔性的透明木制備而成，由于柔性材料可以彎曲成任意形態(tài)，可以將雨花石舒展的紋理充分表現(xiàn)出來。同時，通過與不同含量及不同顏色的熒光納米粒子的復(fù)合，可展現(xiàn)出不同飽和度及亮度的半透明色彩，營造出豐富的燈光效果。

3.2 透明木在加濕器中的設(shè)計應(yīng)用

圖6b為“煙雨樓臺”的燈具兼具加濕器設(shè)計?！澳铣陌侔耸?，多少樓臺煙雨中”出自唐朝詩人杜牧的詩。將“煙雨樓臺”這一抽象意境提煉為具象簡潔的江南特色建筑形式，加濕器蒸騰的水霧恰如江南煙雨，營造出詩情畫意的場景。在此基礎(chǔ)上，增加了照明的功能，透明木的透光性能使得江南水鄉(xiāng)意境更富柔美的情調(diào)，并增加了產(chǎn)品的實用性。通過本次產(chǎn)品設(shè)計，既巧妙的發(fā)掘了透明木的特性制備出貼近人們生活的產(chǎn)品，又傳承了南京特色文化。

4 結(jié)語

透明木材原料來源廣且價格低廉，具有強度大、隔熱和透明度好等優(yōu)點，使其在電磁設(shè)備、光電學(xué)、建筑等領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用價值[28-29]。然而，在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域?qū)ν该髂镜脑O(shè)計應(yīng)用較少，其原因在于設(shè)計師通常注重產(chǎn)品的造型和設(shè)計，而忽略對材料和功能的研究。新材料能提升產(chǎn)品的美學(xué)形態(tài)并賦予產(chǎn)品更強的結(jié)構(gòu)性能。因此，對于這種集藝術(shù)性和環(huán)保性為一體的新型透明材料，透明木在一定程度上可替代玻璃和塑料?；谕该髂镜难苌a(chǎn)品將在設(shè)計領(lǐng)域展示出更加廣闊的應(yīng)用前景，成為設(shè)計師的創(chuàng)作源泉，從而逐步影響并改變我們的設(shè)計環(huán)境和生活體驗。