全球范围内建筑物占能源消耗的约40%，是约38%的二氧化碳（CO2）排放的来源。减少建筑材料生命周期中所排放的二氧化碳，以及供暖、通风和空调系统的运行能耗，对最大限度地减少二氧化碳排放起着关键作用。与建筑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，这可能影响居民的健康和福祉。木材被称为地球上最可再生的材料之一，因其强度/重量比高、数量多、成本低和相对可持续而被广泛和长期用于建筑。然而，天然木材在减少噪音或防止热量损失方面的效果远不如传统的石油和矿物基多孔结构（例如，发泡聚苯乙烯和矿棉）。因此，开发一种高性能的多功能建筑材料，既能阻挡声音的传播，又能延缓热量通过墙壁和屋顶的流失，是改善居住者舒适度和降低碳足迹的关键。
基于以上挑战，马里兰大学胡良兵教授课题组报告了一种高孔隙率的木质结构（绝缘木（insulwood））的非凡降噪和隔热能力，它是通过高温工艺快速的从天然木材中去除木质素和半纤维素，然后再进行低成本的环境干燥而制成的。绝缘木表现出约0.93的高孔隙率，在250-3000Hz的频率范围内有0.37的高降噪系数，0.038 W/m-1·K-1的低径向热导率和60%应变时约1.5兆帕的高抗压强度。这种新的木质材料可以快速加工成真空保温板，用于空间有限的保温应用。这种材料的独特之处在于它结合了可再生源材料、高孔隙率、高吸音率、低导热率和高机械强度，以及高效、经济和可扩展的制造。这些特性使绝缘木有希望成为一种可持续的建筑材料，以改善噪音和热调节。相关成果以“A scalable high-porosity wood for sound absorption and thermal insulation”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为Xinpeng Zhao, Yu Liu和 Liuxian Zhao。
绝缘木的制备及其结构特点
选择天然泡桐木作为起始材料，使用~5.0wt%的NaOH水溶液在高温下进行脱木质化，这比目前最先进的方法快十倍以上。这种方法保留了分层排列的纤维素纤维的自然结构，使脱木质素的木材具有良好的机械强度。如图2c,d所示，天然泡桐木材具有蜂窝状的细胞结构，细胞壁很薄，构成了木材结构中垂直排列的通道。经过脱木质素处理和干燥后，在相邻的木材细胞壁之间产生了许多小空隙，导致结构孔隙率增加。通过比较天然木材和绝缘木材的傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了木质素的去除（图2g）。作为脱木质素的结果，绝缘木的密度是天然木材的~40%（图2h），孔隙率从~80%增加到~93%。
绝缘木的吸声性能
在脱木质素后，由于高温化学处理后木材细胞壁的脱落，在绝缘木的表面均匀地形成了许多毫米级的裂缝（图2e，f）。这些裂缝允许更多的入射声波穿透材料，起到吸音孔的作用。此外，脱木质素处理在细胞壁之间产生了许多相互连接的小孔，这为声波通过空气-细胞壁摩擦消散提供了曲折的途径。作者还测量绝缘木在250Hz-3000Hz频率范围内的吸声系数（图3a），结果表明，脱木质化过程大大改善了天然木材的吸声系数。在500Hz和2500Hz的频率下，绝缘木的吸声系数大约是天然木材的10倍（图3c）。
为了揭示基本的物理现象，作者使用有限元模拟研究了天然木材起始材料和绝缘木内部的声音传播。图3d-i比较了天然木材和绝缘木材在500Hz频率下的声压和速度以及总热粘性功率耗散的分布情况。由于刚性的表面和紧密的木质细胞，入射的声波被反射（图3d），在入射声波表面附近的木质细胞内的空气中只引起非常低的声速（图3e）。相比之下，由于脱木质化产生的表面裂缝和微孔，入射声波可以穿透绝缘木（图3g），在绝缘木内的空气中引起高得多的声速（图3h）。图3f和图3i之间的比较证实，声波和分离的木细胞壁之间的摩擦将入射波的能量耗散成热。总的来说，在很宽的频率范围内，绝缘木比各种厚度相似的多孔结构表现出更好的吸音效果。
绝缘木的热能和机械性能
木材中的传热主要是由通过固体木材细胞壁和孔隙内的空气分子的热传导决定的。去除木材细胞壁中的木质素和半纤维素，降低了绝缘木的固体含量，从而减少了木材细胞壁的固体导热性。如图4b所示，在温差为2.0K的情况下，通过绝缘木的热通量比通过天然木材的热通量低得多，这是由于孔隙率增加了。同时，由于脱木质素后木材细胞之间形成了孔隙，绝缘木的热通量比天然木材更均匀地分布（图4a,b），接近于一维热传导。作者将绝缘木放在一个热板上（约100℃），用红外热像仪绘制其温度分布图，从而直接观察到绝缘木作为热屏障的有效性。结果表明，绝缘木在径向的隔热性能与EPS泡沫相当。绝缘木的热导率很低大约是天然木材的三分之一，绝缘木在径向的保温性能与EPS相当（图4c）。此外，与传统的隔热材料相比，此隔热材料的一个重要进步是其抗压的机械强度有所提高。
小结
综上所述，文中报告了一种快速、低成本和可扩展的方法在脱木质化、溶剂交换和环境干燥过程的基础上制造纤维素基多孔绝缘木。木质素和半纤维素通过化学处理在1小时内从天然木材中去除，这使木材细胞壁之间创造许多孔隙而不破坏分层排列的纤维素纤维。文中展示了利用已经建立的基础设施和纸浆和造纸业的设备制造一块尺寸为60cm×45cm×1.25cm的绝缘木材。由于其高孔隙率（约93%），绝缘木展示了一个10mm厚的样品在250Hz-3000Hz的频率下的0.37的高降噪。高孔隙率也使绝缘木具有低导热性，这与广泛使用的热绝缘EPS泡沫接近。此外，多孔木结构对于制造具有超低导热率的VIP非常有吸引力，与现有的耗时和能源密集型方法相比，作者的快速脱木素过程和环境干燥方法具有更高的生产效率、更低的成本和可扩展性。这种新开发的廉价和可持续的纤维素基绝缘木具有低导热性、高吸音系数、高机械强度和减少二氧化碳排放的特点，可以取代建筑、交通和工业中使用的传统多孔材料。
