透明木性能研究及其在产品设计中的应用

高婧淑 朱 龄 高 越 张耀丽 张仲凤

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京 210037；3.淮南师范学院经济与管理学院，安徽 淮南 232001；4.中南林业科技大学；国家林业和草原局绿色家具工程技术研究中心；湖南省绿色家居工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

作为一种可再生的生物质材料，木材被广泛应用于人们的生产生活中。随着新能源科技的发展，木材功能和智能化的研发与设计逐渐成为新的发展趋势[1-2]。透明木因其原材料容易获得、生产过程简便、透光率好、热导率小等优点，在电子原件、太阳能电池板、新型节能建材等方面展现出广阔的应用前景，成为当前木质改性设计领域的研发重点。随着社会经济的发展，人们对产品设计的关注逐渐集中于产品外观的美观性、材料的环保性、功能的延伸性等方面。因此，开发绿色环保的新型材料，并将其应用于产品设计中具有重要意义。透明木材是当前木材领域的研究前沿，但在产品设计领域，对于透明木材的设计应用还很少。因此，本文从透明木的发展及性能、透明木应用于产品设计的可行性、透明木应用于产品设计的评估与展望这几个方面进行论述，希望推动相关研究，拓展这一新型材料在产品设计的应用范围。

1 透明木的性能及发展

1.1 透明木的制备方法

如图1所示，透明木材是将普通木材脱除木质素之后，再用折射率匹配的树脂对其浸渍[3]。目前，常用的脱木素方法有亚氯酸钠法、氢氧化钠与亚硫酸钠法、保留木质素法等[4]。Li等[5-6]用1wt%亚氯酸钠和pH为4.6的醋酸缓冲液在80 ℃下提取干燥样品，制备出的厚度为1.2 mm，透光率为85%，雾度为71%的透明木。Yaddanapudi等[7]将脱除木素的木材试样与PMMA进行融合，制备出厚度为0.1 mm和0.7 mm透明木试样，最大透光率可以达到70%，最高雾度为59%，且具有较高的抗拉强度和硬度，可作为透光建筑材料和太阳能电池窗的优质代替材料。Li等[8]使用改性脱木素溶液对木材进行预处理，这种处理方式可以保留大量的木质素，同时可形成透明的外观。由此可见，制备透明木的方法很多，选择适合的方法并对其进行改进可以提高透明木的制备效率，从而进一步优化透明木的性能。

图1 透明木的制备流程及实物展示Fig.1 Preparation process and physical demonstration of transparent wood

1.2 树种对透明木性能的影响

对于不用的树种，即使使用相同的脱木素方法，其制备出的透明木性能及形态也会存在较大差异。Li等[8]通过木质素改性的方法制备不同树种的透明木材，由图2可知，不同树种制备出的透明木材其颜色与透光性差别较大。王雅婧等[9]以红橡木和白杨为研究对象，用保留木质素法制备出了五种不同厚度的透明木，同样发现树种对于透明木材的透光性影响较大，总体色调上是偏向暖色，适用于装饰性透明材料。秦建鲲等[10]选取了3种不同密度的树种作为研究对象，采用层压多层薄木片的方法制作了最大厚度为10 mm的透明木材，并测试其光学性能及力学性能。王旋[11]利用杨木和杉木制备透明木材，发现两者透光率较为接近，影响透光性的主要因素为木质素的残余量和木材内部PMMA的分布均匀性。初始木材基材的渗透性是决定透明木材透光性能好坏的重要因素。

图2 不同树种制备的透明木材对比Fig.2 Comparison of transparent wood prepared from different tree species

1.3 基材形态对透明木性能的影响

当前透明木的基材尺寸较小，且与预聚合树脂的渗透性较差。因此，如何通过绿色高效的工艺制备大尺寸透明木材，以满足各种应用需要是目前面临的问题。丰富的形态也是产品设计重要的组成部分。因此，对透明木基材形态进行研究十分必要。Tang[12]使用一种非常简单有效的方法制备出柔性透明木薄膜材料，透光率可高达90%，且力学特性高于原木材，可作为手机保护膜。Wang[3]利用木纤维制备了尺寸为300 mm×300 mm×10 mm的透明木材，透光率为68%，雾度为82%，是目前制备出的尺寸最大和透光率最高的透明木，解决了透明木尺寸局限性的问题。Li等[13]以不同目数的木粉为原料制备透明木，发现由100～120目木粉制备的材料性能优异，透光率可达62%，拉伸性能好。Gao等[14]将木材剩余物处理成不同目数的木粉，并制备了木粉增强多孔透明木。结果发现：当使用80目的木粉且质量分数为10%时，其在透明木材中的分散较为均匀，透光性能最优。

2 透明木应用于设计中的可行性分析

透明木作为一种绿色可持续发展的新型材料，其来源利用了木材边角料，节约了木材资源，优化了木材的透光率，提高了隔热性能。利用木纤维可以制备出大尺寸的透明木，有利于工业化的大批量生产。相比于塑料、玻璃等透明材料，透明木的更环保，且在形态、光学性能、力学性能方面能够满足产品设计领域的应用要求。

2.1 丰富的自然形态

“形态”是指物体的形式要素给人的一种有关物体“态”的感觉和印象[15]。“形态”由“形”和“态”组成，形者神之质，神者形之用，二者共生共灭、相辅相成[16]。因此，形态在产品设计中起到了十分关键的作用。如何利用透明木本身的形态进行产品设计也将成为新的研究方向。自然界中树木分为软木和硬木两种，这两种树种在结构上存在着很大的差别。因此，不同木材制备出的透明木，其视觉形态及美学效果也不尽相同。在透明木美学特性的基础上，胡良兵团队利用具有一定纹理的脱木素木块进行层合叠加，设计出具有美学特性的透明图案，给人带来强烈的视觉冲击及美学体验。如图3所示，两块具有生长轮的木材A和B，先固定A的纹理方向，再把B旋转180°后叠加在A上，从而得到了具有美学效果的透明木材[17]。

图3 透明木格子图案设计过程Fig.3 Transparent wood lattice pattern design process

2.2 优异的透光性

透明度属于产品设计美学范畴内的一部分，而透明材料的应用，令这一美学风格方兴未艾，为人类社会中的艺术和文化领域带来积极影响[18]。如图4所示，透明木不仅具有透明风格，而且具有较高的透光率与雾度，在光致发光等领域有着广泛的应用。Gan等[17]将量子点（CDs）浸渍在木纤维素模板（CT）中，制备了具有光转换功能的光致发光透明木材（PTW）。结果表明:通过控制CDs的尺寸和表面化学基团，可获得不同波长的发射官能团，且通过控制CDs的含量，制备出可用于白光转换的PTW，光线转换均匀，见图5。Qiu等[19]制备出一种具有热可逆光学特性的柔性透明木材（SBO/TW），它具有可修正的光学特性。随着温度的升高，SBO/TW的透光率可以从不透明变为透明，反之亦然。SBO/TW在智能照明控制系统中具有巨大的应用潜力。Li等[13]以不同目数的木粉为原料制备木粉透明木，并将其与长余辉材料相结合，制备出长余辉透明纤维木（LATFW）复合材料，通过分析LATFW的荧光强度，透光率、拉伸率等性能，揭示了其性能因木粉目数而异，提供了生产特定透光率的光属性材料的方法。周凝宇等[20]对桦木进行脱木质素预处理，设计出一种具有疏水性的荧光透明木材（CTW）。结果表明：CTW具有较高的紫外光吸收能力，能够阻挡83.1%的UV-A和86.2%的UV-B，可见光透光率达到78.5 %，且在紫外光下呈亮蓝色荧光。随着人们对透明木光学性能的深入探究，设计出了荧光透明木材料、热可逆透明木等智能透明材料，这将拓展透明木的应用范围，如可将其应用在透明智能或安全标志照明等产品设计中。这种环保节能的新型透明材料可替代玻璃和塑料，成为设计中不可或缺的新型材料。

图4 透明木优异的透光性Fig.5 Excellent light transmission of transparent wood

图5 具有荧光性的透明木材Fig.5 Transparent wood with fluorescent properties

2.3 坚韧的力学性能

材料性能中最重要的是力学性能，实验证明，基于纳米纤维素透明复合材料的力学性能更强，甚至在一些建筑结构中可代替钢材，避免钢铁带来的能耗[21]。Wu等[22]将椴木进行不同程度的脱木素处理制备透明木，实验表明，透明木比天然木材具有更高的拉伸强度。当木质素含量为15%时，其抗拉强度最高可达171.4 MPa。Yaddanapudi等[7]使用山毛榉木制备透明木，发现其具有较高的抗拉强度和硬度，同时具有高透光率。Chen等[23]制备出一种阻燃TW/聚酰亚胺（FRTW/PI）的透明复合材料。研究发现，FRTW/PI的机械强度提高了169 MPa，是天然木材的42倍，在建筑中可代替玻璃。同时，FRTW/PI在离开火源2 s内还能保持良好的自熄性能，具有一定的阻燃性。相对原始木材，透明木材的强度更高，可以作为承重结构应用于建筑中[24-25]。此外，相比玻璃、塑料等更容易降解，其雾度特性还起到一定的隐私保护作用[26-27]。

3 透明木应用于产品设计的评估与展望——结合设计实例分析

综上可知，透明木作为一种新型节能环保材料，不论是从造型还是功能，都非常适用于目前产品设计的开发和研究，将其应用于产品设计市场将具有广阔的应用前景。因此，本节根据透明木的性能优点，并结合当前文创产品的热点，设计了两款由透明木设计的文创产品(见图6)。

图6 透明木材产品设计应用实例Fig.6 Example of transparent wood product design application

3.1 透明木在灯具中的设计应用

图6a为“天花乱坠”透明木系列灯具。此款灯具的设计灵感来源于南京特色雨花石，雨花石晶莹剔透，其美丽的色彩和千变万化的花纹是它的特色之处。本设计通过提炼雨花石细腻的花纹和色彩，运用吊灯和落地灯的形式分别表现“天花”与“乱坠”，通过灯光将雨花石千变万化的纹理表现的淋漓尽致，希望以此产品传承独特的南京地域文化。灯具的主体是由具有柔性的透明木制备而成，由于柔性材料可以弯曲成任意形态，可以将雨花石舒展的纹理充分表现出来。同时，通过与不同含量及不同颜色的荧光纳米粒子的复合，可展现出不同饱和度及亮度的半透明色彩，营造出丰富的灯光效果。

3.2 透明木在加湿器中的设计应用

图6b为“烟雨楼台”的灯具兼具加湿器设计。“南朝四百八十寺，多少楼台烟雨中”出自唐朝诗人杜牧的诗。将“烟雨楼台”这一抽象意境提炼为具象简洁的江南特色建筑形式，加湿器蒸腾的水雾恰如江南烟雨，营造出诗情画意的场景。在此基础上，增加了照明的功能，透明木的透光性能使得江南水乡意境更富柔美的情调，并增加了产品的实用性。通过本次产品设计，既巧妙的发掘了透明木的特性制备出贴近人们生活的产品，又传承了南京特色文化。

4 结语

透明木材原料来源广且价格低廉，具有强度大、隔热和透明度好等优点，使其在电磁设备、光电学、建筑等领域有着巨大的潜在应用价值[28-29]。然而，在产品设计领域对透明木的设计应用较少，其原因在于设计师通常注重产品的造型和设计，而忽略对材料和功能的研究。新材料能提升产品的美学形态并赋予产品更强的结构性能。因此，对于这种集艺术性和环保性为一体的新型透明材料，透明木在一定程度上可替代玻璃和塑料。基于透明木的衍生产品将在设计领域展示出更加广阔的应用前景，成为设计师的创作源泉，从而逐步影响并改变我们的设计环境和生活体验。