木头大王胡良兵教授联合国际团队最新 Chem. Rev.综述：用于绿色建筑的新兴木材基功能材料

点击上方“蓝字” 一键订阅

温室气体排放引起的气候变化对人类社会的可持续性发展构成了越来越大的威胁。全球二氧化碳排放总量每年约为 360 亿吨，主要来自化石燃料的燃烧。与1901年至1960 年期间相比，1986 年至 2016 年期间全球年平均气温上升了 0.7 摄氏度以上。此外，石油等化石燃料是不可再生的，需要数亿年的时间才能形成，开发和使用碳足迹低甚至为负的可再生材料，是应对可持续发展挑战、构建绿色未来的重要举措。2020 年，整个建筑行业，包括建筑材料和运行管理，排放了约 119 亿吨的二氧化碳，占全球二氧化碳总排放量的37%，是排放占比最大的门类。设计节能环保的绿色建筑，一方面依赖于新型固碳材料的开发，另一方面依赖于实现建筑材料的多功能化，以同时满足建筑应用多方面的需求。

地球上有约3万亿棵树（相当于每人约400棵），森林覆盖了地球上30％以上的土地，并提供了可再生和可持续的资源。木材已经被人类社会在一些领域使用了数千年，包括建筑、家具、工具以及用作燃料。2001 年至 2019 年，全球森林每年从大气中吸收约 156 亿吨二氧化碳。政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 报告和《巴黎协定》都强调了促进森林保护和增加森林碳储量以实现人为净零排放的重要性。作为一种来源丰富的可再生材料，木材在人类社会的可持续发展中扮演不可或缺的角色，特别是在广泛的产品和应用中替代不可再生的石油基材料。多种因素推动了木材的广泛使用，包括减少碳排放，缓解能源和水安全的危机，以及对可持续工业增长的渴望。由于来源丰富，木材可以很好地满足社会对低成本和高性能复合材料的需求，并且对环境的影响非常小。

图1.新型建筑应用木材基功能材料的设计及对环境的影响

近年来新型木材基功能材料的设计与制备领域，马里兰大学胡良兵教授团队及合作者做出了一系列具有突破性创新的研究成果，包括超强木头（Nature,2018）、辐射制冷木头（Science,2019）、3D可塑木头（Science, 2021）、固体电解质木头（Nature,2021）、透明木头（Advanced Materials，2016）、低热收集木头（Nature Materials, 2019）、隔热木头（Science Advances， 2018）等新型木材基功能材料，引起了学术界广泛的关注。

图2.木材的化学改性方法

鉴于在木材基功能材料领域的一系列开创性工作，近日，马里兰大学胡良兵教授（通讯作者）、李腾教授和胡明教授，瑞士苏黎世联邦理工学院IngoBurgert教授，威斯康星大学潘学军教授，耶鲁大学姚元教授，USDA J.Y. Zhu博士等国际木材科学领域的专家共同合作在Chemical Reviews上撰写了题目为“Emerging Engineered Wood for Building Applications”的综述论文。这篇综述深入探讨了建筑用改性木材的最新进展，除了作为结构材料，也涵盖了建筑性能的更多方面的应用。文章首先从理论计算的角度提供木材基功能材料的多尺度设计原则，系统性概述了木材的结构和组成以及改性策略。然后探索了木材的固有属性，这些属性源自其分层的多孔、各向异性的结构和木质纤维素成分。文章进一步讨论了木材结构设计、改性和功能化应用方面的原则和近年来该领域取得的进展，重点讨论了通过各种结构成分改性赋予木材的机械、热学、光学和能源等方面优异的性能，此外，文章也从生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）的角度详述了木材制品从取得原材料，经生产、使用直至废弃的整个过程对环境所产生影响的和成本，以指导绿色建筑材料的设计，最终实现未来建筑的节能减排和技术固碳，缓解气候变化产生的重大影响。最后，该综述概述了该研究领域当前面临的挑战和对未来方向的展望：

(1) 许多木制品的制造过程中会产生化学废液。如何优化脱木素/改性工艺并在不影响性能的情况下实现无废料的闭环制造仍然是一个巨大的挑战。

(2) 化学试剂在木材块体结构中的不均匀渗透、扩散可能会阻碍工程木制品的大规模制造。此外，考虑到木材中存在结节和其他缺陷，新型木制品放大生产和性能的均一性以满足行业需求仍面临一系列挑战。

(3) 尽管某些工程木材具有良好的性能，但在潮湿环境里的膨胀会导致尺寸的不稳定和不可逆的形变。通常需要额外的处理工艺，包括加热、喷漆、精加工和表面改性，以消除各种不利影响并延长暴露于各种环境中的工程木制品的使用寿命。

(4) 传统木制品中常用的粘合剂，如甲醛树脂，在产品制造或使用期间会释放挥发性气体，甚至致癌物质。在不牺牲产品的可回收性、可重复使用性和功能性的情况下，需要开发绿色、耐用、安全、健康的粘合剂。

(5) 工程木制品的生物降解性也是其长期服役一个障碍，导致木制品在直接暴露于空气中会过快降解。接下来需要更多的研究，以实现产品服役期间的耐用性和退役后的生物降解性之间的平衡。

(6) 应根据适用的建筑规范或性能标准对木制品的抗真菌、抗白蚁、防火和防潮性能进行系统评估。

(7) 需要开发准确、无损和低成本的方法用来全面监测工程木材的性能随服役期的变化。

(8) 设计可回收、利用的木材基功能材料，在木制品的服役期间无碳排放，并尽可能减少报废排放，系统评估新型木材功能材料大规模应用长期的环境影响及经济效益。

图3.木材基功能材料的回收和重复使用

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.2c00450

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多