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研究背景

對更可持續材料的尋找激發了對用于隔熱和降噪的輕質多孔結構的研究，例如用于建筑和冷鏈運輸。木材被稱為地球上最具可再生性的材料之一，因其高強度/重量比、廣泛豐富、低成本和相對可持續性而長期用于建筑。

然而，與傳統的石油和礦物基多孔結構（例如發泡聚苯乙烯泡沫和礦棉）相比，天然木材在降低噪音或防止熱量損失方面的效果要差得多。

主要內容

在此，美國馬里蘭大學胡良兵教授報道了一種具有優異降噪和隔熱能力，被稱為“insulwood”的可擴展的高孔隙率木結構，該結構通過快速（~1小時）高溫工藝從天然木材中去除木質素和半纖維素，然后進行低成本的環境干燥。在250~3000 Hz 的頻率范圍內，Insulwood表現出~0.93的高孔隙率、0.37的高降噪系數（10 mm厚的木材）、0.038 W m^-1K^-1的低徑向導熱系數，以及在60%應變下具有~1.5 MPa的高抗壓強度。

此外，這種新型木質材料可以快速加工成真空絕熱板（~0.01 W m^-1K^-1），用于空間有限的隔熱應用（例如冰箱、冷鏈運輸和舊建筑）。該材料的獨特之處在于可再生材料、高孔隙率、高吸音性、低導熱性和高機械性的組合，以及高效、經濟和可擴展的制造。這些特性使Insulwood有望成為改善噪音和熱調節的可持續建筑材料。

相關研究以“A scalable high-porosity wood for sound absorption and thermal insulation”為題發表在Nature Sustainability上。

圖文解析

圖1. 真空絕熱板的制造和熱性能

本文采用了一種快速且具有成本效益的自上而下的方法，產生了高度多孔的纖維素基結構，稱之為“insulwood”的天然結構（圖1a），同時通過密封和吸塵材料中的空氣來進一步抑制絕緣木內部的傳熱，以形成高度絕緣的真空隔熱板（VIP，圖1a）。這種制造工藝與紙漿和造紙工業中用于脫木素、化學回收方法和廢水處理的現有基礎設施兼容，簡化了向工業制造的過渡。

圖2. 木材的形貌和結構

作者選擇天然泡桐木作為其快速生長和高生物質產量的起始材料，作為替代方案，使用~5.0wt%NaOH水溶液進行脫木素去除木質素和半纖維素，比當前最先進的方法快十倍以上。

SEM圖像表明，天然泡桐木具有蜂窩狀細胞結構，具有薄的細胞壁，構成垂直排列的氣管（孔徑為20-50μm）和大血管（孔徑為100-200μm）的木結構。經過脫木素處理和干燥后，所得形貌和結構與起始材料相比發生了顯著變化。脫木素后，Insulwood的密度是天然木材的~40%（圖2h），孔隙率從~80%增加到~93%。

圖3. 吸音效果

木材的吸音性能主要由其表面結構和內部孔隙的特性決定，天然木材雖然孔隙豐富，但由于表面堅硬致密，連續毛孔數量少，吸音性能較差。脫木素后，由于高溫化學處理后木細胞壁的脫落，在表面均勻地形成了許多毫米級裂紋，這些裂縫允許更多的入射聲波穿透材料，起到吸音孔的作用。

此外，脫木素處理在細胞壁之間產生許多相互連接的小孔，這為通過空氣-細胞壁摩擦的聲波消散提供了曲折的途徑。經過測量，脫木素過程大大提高了天然木材的吸聲系數。

圖4. 熱性能和機械性能

雖然隔熱材料可以減少熱傳遞，但由于孔隙的體積分數大，它們也往往表現出較弱的結構穩定性。與傳統的隔熱材料（如EPS、礦棉和玻璃棉）相比，本文的一個重要進步是其抗壓縮的機械強度。

由于微米級的孔隙，傳統的隔熱材料，如EPS泡沫，玻璃棉和礦棉以及開發的絕緣木表現出比停滯空氣更高的導熱系數，為了達到建筑物（例如墻壁和屋頂）所需的隔熱性能，傳統的隔熱材料必須具有高達50厘米的厚度，從而減少了空間和復雜的幾何結構。

Zhao, X., Liu, Y., Zhao, L. et al. A scalable high-porosity wood for sound absorption and thermal insulation. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-022-01035-y

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依舊是木頭！胡良兵教授，今日Nature Sustainability！

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