【文献解读】Advanced Materials：高介孔结构木材自致密化形成高强度光透明薄膜

木材纳米技术已成为一种自上而下制备纤维素基功能性材料的策略。木材及木质材料细胞壁中纤维素微纤丝的多尺度层次结构和内在排列进一步启发了新型木材基材料的制造，其性能优于现有的纤维素纳米纤维(CNFs)或纤维素纳米晶体制备的材料。这些木材基材料拥有与传统木材材料截然不同的功能，如具有各向异性光学特性的透明木材、连续分离油/水的木材气凝胶、基于木材结构高效的太阳能水蒸发材料、具有特殊拉伸强度的致密木材复合材料。

近日瑞典皇家理工学院的Qi Zhou等在Advanced Materials发表研究论文，报道了由TEMPO/NaClO/NaClO₂体系在中性条件(pH = 6.8)氧化去木素木材得到高介孔结构木材的研究方法。Tempo-氧化介孔结构木材不仅具有高比表面积，还拥有良好的压缩性和高孔隙率。此外，在湿化学状态下的Tempo-氧化介孔结构木材经环境条件下干燥，无需机械压合或加热合即可自行致密形成有一定光透明度、雾度的薄膜。

木材是一种主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的天然高分子复合材料。Balsa木具有密度低、细胞壁薄、微纤丝倾角小的特点，有利于木材纳米材料的制备。用NaClO₂对Balsa木在pH 4.6, 80℃条件下脱木素12 h后，白色木材中残留了1.28%的木质素，保留了纤维素和大部分半纤维素。实际上，脱木素化后木糖的损失为2%。在脱木素处理后，蜂窝状的细胞状木质细胞壁结构保存良好。由于木质素的去除，在富含木质素的次生细胞壁和胞间层中出现可见的空隙。脱木素化过程增加了细胞壁的可及性，暴露了纤维素纤维的表面，以便进一步进行化学改性。此外，在次生细胞壁中还发现了少量以聚集形式存在的纤维素纤丝及纳米孔，而初生细胞壁仍是较为密集的纤维网络结构。其中采用超临界干燥法制备的Tempo-氧化介孔结构木材的比表面积高达249 m² g⁻¹，介孔在3 ~ 50nm之间。此外，还对不同干燥方法得到Tempo-氧化介孔结构木材气凝胶进行了切向压缩试验。

接着将不同几何形状的balsa轻木通过NaClO₂脱去木素和Tempo氧化后，在环境条件下，不施加任何额外压力将2mm厚的balsa木单板风干成80µm厚的透明薄膜。通过扫描电镜可以看出脱木素木材表面粗糙致密，细胞壁有明显的弯曲变形现象；Tempo-氧化介孔结构木材完全坍塌成膜，具有分层致密的结构，这与之前报道的经过机械压缩、加热的致密木材非常相似。Tempo-氧化介孔结构木材的致密化主要依靠木材细胞壁及细胞腔内水分的移动产生了弹性毛细管力。Tempo氧化显著增加了木质细胞壁的柔韧性，允许细胞结构完全坍塌。Tempo氧化介孔结构木材的含水率从94.5%(去木素木材)到99.5%，表明亲水性提高了，而且由于纤丝化作用，羟基活性位点更多。一旦细胞腔的两侧接触，纤维素纤丝上丰富的羟基之间就会形成强氢键，从而使变形锁定，从而达到致密的目的。

最后检测了致密木材的力学性能和光透明性能。在400-760 nm的波长范围内，以tempoo -氧化介孔结构木材的光学透过率约为80%，光学雾度约为70%。

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原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202003653