Professorerna Yiqiang Wu och Caichao Wan, tillsammans med deras team från Central South University of Forestry and Technology (CSUFT), har banat väg för ett transparent material som härrör från naturlig bambu. Detta material har en flamskyddande barriär i tre lager, som effektivt minskar värmeavgivning, bromsar flamspridning och begränsar utsläpp av brännbara flyktiga ämnen, giftig rök och CO. Deras resultat har dokumenterats i tidskriften Research .
Kiselglas, ett allmänt använt transparent material i byggbranschen, har sett en ökad användning som ett väsentligt byggmaterial under de senaste 50 åren. Dess mångsidighet återspeglas i att den globala glasproduktionen når cirka 130 miljoner ton 2020.
Enligt C. Wan, professor vid College of Materials Science and Engineering vid CSUFT och motsvarande författare till artikeln, "Trots dess många fördelar som hög transparens och tillgången på råmaterial, brottas traditionellt kiselglas fortfarande med utmaningar inklusive sprödhet, hög densitet och betydande CO2 utsläpp och växthusgaser under tillverkningsprocessen."
Under de senaste åren har intresset för transparenta träprodukter ökat, tack vare deras anmärkningsvärda egenskaper som hög transparens, utmärkt mekanisk hållfasthet och överlägsna värmeisoleringsegenskaper.
Transparent trä erbjuder inte bara miljöfördelar utan har också en enorm potential som ett lönsamt alternativ till traditionella glasmaterial.
Ändå finns det flera begränsningar förknippade med användningen av transparent trä:a) Den globala träbristen, särskilt i Kina, utgör en utmaning; trots ansträngningar att öka produktionen genom plantager, beräknas efterfrågan på industriellt rundvirke år 2050 överstiga utbudet; b) användningen av polymerer i transparent trä gör det mycket känsligt för brand, vilket utgör en potentiell fara; och c) det finns ett behov av att ytterligare förbättra de funktionella egenskaperna hos transparent trä utöver dess grundläggande optiska och mekaniska egenskaper.
"Bambu, ofta kallad 'den andra skogen', har en snabb tillväxt och förnyelsehastighet, vilket gör att den kan nå mognad och användas som byggnadsmaterial inom fyra till sju år efter tillväxt", säger Wan, "med en produktion på fyra gånger högre än trä per hektar, bambu är känt för sin exceptionella effektivitet."
"När det gäller kemisk sammansättning delar bambu likheter med trä, huvudsakligen bestående av lignin, cellulosa och hemicellulosa. Dessutom påminner bambuens interna hierarkiska struktur mycket om träets, med hög porositet och permeabilitet på grund av snyggt arrangerade vertikala kanaler. Detta egenskap antyder den potentiella användningen av bambu i produktionen av transparenta kompositmaterial", säger Y. Yang, Ph.D. student i Wans labb och huvudstudieförfattare.
Teamets lösning är att impregnera ett oorganiskt flytande natriumsilikat (Na2 O·nSiO2 ) in i den delignifierade bambustrukturen med en enkel och effektiv vakuumimpregneringsteknik. Därefter appliceras en hydrofob behandling på mellanprodukten.
"Genom denna strategi kan vi bygga en flamskyddsbarriär i tre lager som består av ett toppsilanskikt, ett mellanskikt av SiO2 bildas genom hydrolys–kondensation av Na2 SiO3 på ytan och ett inre lager av Na2 SiO3 )," säger Wan.
"Denna strategi uppnår en lång antändningstid på 116 s, låg total värmeavgivning på 0,7 MJ/m 2 , låg total rökproduktion på 0,063 m 2 , och låg toppkoncentration av CO på 0,008 kg/kg."
Böjnings- och dragmodulerna för den transparenta bambun är så höga som 7,6 ± 1,3 respektive 6,7 ± 1,1 GPa, vilket visar dess utmärkta mekaniska egenskaper.
Dessutom, när den används som ett substrat för perovskitsolceller, visar den genomskinliga bambu potentialen att fungera som ett ljushanteringsskikt på grund av dess höga ljusgenomsläpplighet på 71,6 % och ett imponerande dimvärde på 96,7 %, vilket leder till en markant förbättring av 15,29 % i effektkonverteringseffektivitet.
Forskarna är glada över att denna upptäckt öppnar dörren för applikationer för grönt flamskyddande glas och optiska enheter. "I framtida forskning kommer vi att fokusera på storskalig tillverkning och multifunktionalisering av denna transparenta bambu", tillägger Wan.
Mer information: Jiahui Su et al, A Novel Flame-Retardant, Smoke-Suppressing, and Superhydrophobic Transparent Bamboo, Forskning (2024). DOI:10.34133/research.0317
Journalinformation: Forskning
Tillhandahålls av Research
