胡良兵《Nature》子刊：用于吸音和隔热的可伸缩高孔隙率木材！

在美国，建筑占能源消耗的40%，是38% CO₂的来源。减少建筑材料生命周期内的碳，以及供暖、通风和空调系统的运行能耗，将能最大限度地减少CO₂排放。与建筑物相关的另一个问题是来自道路交通、建筑工地和社会活动的噪音，这些噪音会影响居民的健康和福祉。因此，开发一种高性能的多功能建筑材料，既能阻止声音传输，又能减缓通过墙壁和屋顶的热量损失，是提高居住者舒适度和降低碳足迹的关键。木材被称为地球上最可再生的材料之一，因其高强度/重量比、丰富的资源、低成本和相对的可持续性，长期以来一直广泛用于建筑。然而，与传统的基于石油和矿物的多孔结构(例如，发泡聚苯乙烯泡沫和矿棉)相比，天然木材在降低噪音或防止热量损失方面的效果要差得多。

在此，来自美国马里兰大学的胡良兵团队报告了一种快速且具有成本效益的自上而下方法，将快速高温脱木质素技术应用于天然木材，然后进行低成本的环境压力干燥，以生产一种保留天然结构的高多孔纤维素基结构，称之为绝缘木材(insulwood)。其中，绝缘木材具有>0.93的高孔隙率，在250-3,000 Hz的频率范围内(对于10毫米厚的木材样品)具有0.37的高降噪系数和0.038 W m^-1 K^-1的低热导率，并且由于保留了原始的分层木材结构，达到1.5 MPa的高抗压强度(60%压缩)。这种制造工艺与纸浆和造纸工业中现有的去木质素、化学回收方法和废水处理基础设施兼容，简化了向工业制造的过渡。因此，这项工作展示了一种可持续的、可扩展的墙体、屋顶和地板隔热材料，可以在减少热量和声音传递方面提高住宅舒适度，并提供巨大的潜在环境效益。相关论文以题为“A scalable high-porosity wood for sound absorption and thermal insulation”发表在Nature Sustainability上。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41893-022-01035-y

高孔隙率结构(>0.9)可以通过增加气-孔壁摩擦来有效地衰减声能，并通过减小材料的横截固体面积和增加传热路径的曲折度来减少热传输。木材是一种可再生的结构材料，由于其优异的机械强度、天然丰富性和低成本，已在建筑中使用了数千年。然而，由于天然木材的孔隙率相对较低，且纤维素多糖(纤维素和半纤维素)较高的径向热导率(0.1-0.4W m^-1 K^-1)，使其无法有效减少热损失。此外，天然木材(没有人造孔隙)是反射声音的，因此是一个很差的噪音吸收器。本研究报告了一种高孔隙率绝缘木材的非凡降噪和隔热能力，其通过使用快速(约1小时)高温工艺去除天然木材中的木质素和半纤维素，然后进行低成本环境干燥而制成。该材料的独特之处在于结合了可再生资源材料、高孔隙率、高吸音性、低导热性和高机械强度，以及高效、经济和可规模化的制造，这些属性使绝缘木材有望成为改善噪音和热调节的可持续建筑材料。

图1. 绝缘木材和以绝缘木材为基础的真空隔热板的制备和热性能。

图2.天然木材起始材料和绝缘木材的形态和结构。

图3. 绝缘木材的吸声性能。

图4. 绝缘木材的热力学性能。

总的来说，本研究报告了一种基于原位脱木质素、溶剂交换和环境干燥工艺的快速、低成本制造纤维素基多孔绝缘木材的方法。通过化学处理从天然木材中去除木质素和半纤维素，能够在木材细胞壁之间创造大量的孔隙，而不会破坏分层排列的纤维素纤维。由于其高孔隙率(~93%)，10毫米厚的绝缘木材样品在250-3,000 Hz频率下显示出0.37的高降噪。高孔隙率也使绝缘木的导热系数低至0.038 W m^–1 K^–1，接近广泛使用的保温EPS泡沫塑料。与现有耗时、耗能的方法相比，本文的快速脱木质素工艺和环境干燥法具有更高的生产效率、更低的成本和可扩展性。这种新开发的经济实惠、可持续的纤维基绝缘木材有望取代建筑、交通和工业中使用的传统多孔材料。(文：Meiko)。