【文献解读】Chemical Engineering Journal：坚固耐用的纤维素复合膜，用于节能建筑中的高效光管理
背景介绍
节能建筑已经成为我们碳中和社会中的一个普遍概念，它通过控制光线和温度来大幅减少能源消耗。在照明方面，能够充分利用自然阳光，使建筑拥有充足的照明和热舒适，从而减轻日益增加的额外能源消耗和环境污染负担。在住宅和商业建筑中，玻璃通常被用作采光材料(如窗户和屋顶)。但玻璃材料除透光外，光管理能力较差，导致照度不均匀，眩光不适;以及它们的脆弱性和安全问题。虽然已经有很多方法来解决玻璃材料的这些问题，例如在玻璃本体中引入微结构以实现光的散射，掺杂功能材料以降低其脆性，但这些技术通常会导致加工的复杂性和昂贵的成本。
为了解决以上问题，福建农林大学陈礼辉教授团队和华中科技大学姚永刚教授团队提出了一种简单、省时、低成本的策略，将酚醛树脂填充到纤维素膜的纤维支架中，然后进行热压处理得到宽带光管理纤维素复合膜（Cellulose-CF）。结果表明，纤维素复合膜展现出高的透光率（86%）、雾度（90%）、优越的抗紫外性能，同时还具有较强的机械强度（抗拉强度140 MPa）、热稳定性和阻燃能力, 从而使阳光在建筑中得到柔和、均匀、大面积、安全的照明，形成舒适、健康、节能的环境。纤维素复合膜是通过一种简单的、可扩展的热压工艺合成，可以完全适应当前的造纸工业。
该研究近以题为“Strong, robust cellulose composite film for efficient light management in energy efficient building”发表在了《Chemical Engineering Journal》上。
图文解读
通过对Cellulose-CF的截面和表面观察发现，起始纤维素膜截面具有疏松多孔结构，其中纤维支架中充满大量空气，表面含有大量纤维。然而，经过酚醛树脂填充和热压处理后的纤维素膜截面更加的致密，表面也更加的平整。通过XPS与FTIR表征测试发现了纤维素复合膜新的环酮结构（C=O）生成，从而证明了Cellulose-CF颜色变化的原因。
Cellulose-CF具有高的拉伸强度（~ 140MPa），是起始纤维素膜（~40 MPa）的3倍左右。与其它类似的纤维素和塑料基材料相比，Cellulose-CF具有更加优秀的拉伸强度。此外，通过外部力量冲击测试发现, 在相同的受力条件下，Cellulose-CF-glass能够维持完好的形貌结构，而普通玻璃瞬间破碎，体现出了Cellulose-CF具有很高的冲击吸收能力，为节能建筑的安全性提供坚实的保障。
Cellulose-CF表现出优秀的热稳定性，特别在350℃，Cellulose-CF比起始纤维素膜的质量损失率更低，达到了0.65%，同时也具有更高的残留质量为30%。燃烧测试发现，起始纤维素膜容易点燃，并在短时间内完全燃烧，而Cellulose-CF在遇火时具有超强的稳定性，甚至会导致火的自我熄灭。另外，Cellulose-CF还具有理想的水稳定性。即使经过长时间的浸泡(100天)，Cellulose-CF在水下的形状、尺寸和形态仍然保持得很好，而纤维素膜只需要10天就会分解。Cellulose-CF湿强度是初始纤维素膜湿强度的90倍，达到了135Mpa。
结论
综上所述，我们展示了一种宽带光管理纤维素复合膜，具有密集的结构和丰富的官能团(如苯环和共轭键)。这种结构和组成的差异，能够有效地传播和散射可见光，并对紫外光有很强的吸附和反射作用，从而使纤维素复合膜具有较高的光学透过率（~86%）和雾度（~90%），而紫外光的透过率可以忽略不计。这无疑为人类创造了一个舒适、健康、节能的生活和工作环境。此外，纤维素复合膜具有较高的机械性能和冲击吸收能力，优异的水下稳定性，以及优异的阻燃性能，所有这些都进一步支持了它作为长期室内或室外节能建筑的候选者，朝着我们的碳中和社会迈进。
原为链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131469
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