【摘 要】
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大量臭氧层空洞导致紫外辐射增强,对人体和各种建筑材料造成了难以估量的损害。传统的建筑材料（如玻璃）不但难降解、环保性低,而且在常规条件下不具有紫外屏蔽性能。因此,开发一种绿色环保的紫外屏蔽材料是解决该问题的有效方式。绿色透明木材作为一种新型材料得到了快速发展,在建筑、家具等前沿领域均展现出了不凡的潜力,有望代替玻璃等传统透明材料实现可持续发展。但是,有关紫外屏蔽透明木材的研究仍不多见,因此,开发具
【基金项目】
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湖南省湖湘青年英才支持计划（2020RC3041）,2021.1-2023.12; 长沙市杰出创新青年培养计划（kq2009015）; 湖南省研究生创新项目（QL2021021）:具有可调滤光功能的透明复合木材的制备与应用研究,2021.6-2022.6
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大量臭氧层空洞导致紫外辐射增强,对人体和各种建筑材料造成了难以估量的损害。传统的建筑材料（如玻璃）不但难降解、环保性低,而且在常规条件下不具有紫外屏蔽性能。因此,开发一种绿色环保的紫外屏蔽材料是解决该问题的有效方式。绿色透明木材作为一种新型材料得到了快速发展,在建筑、家具等前沿领域均展现出了不凡的潜力,有望代替玻璃等传统透明材料实现可持续发展。但是,有关紫外屏蔽透明木材的研究仍不多见,因此,开发具有紫外屏蔽性能的透明木材具有重要意义。本论文首先研究了高透明度、高雾度的明木材的制备工艺,随后研究了不同温度下Ce掺杂的ZnO（Ce-ZnO）的紫外屏蔽性能和理化特性,筛选出最优的制备参数。然后,采用真空浸渍技术将Ce-ZnO和环氧树脂的混合物导入到木材内部,制备了具有紫外屏蔽性能的Ce-ZnO/透明木材,并对其进行性能研究。最后,利用密度泛函理论（Density functional theory,DFT）解译紫外屏蔽机理。具体研究内容如下:（1）使用能让发色基团进行脱色的溶液（木质素保留溶液）对厚度为0.5 mm和3 mm的椴木片分别进行2h和5h的脱色处理,就能得到木质素保留木材。通过真空-常压循环的方法将环氧树脂渗透到木质素保留木材的内部管道,制备了透明度和雾度分别为86%和80%的透明木材。研究发现,木质素保留木材中的具备紫外屏蔽性能的木质素成分得到了保留,并且所制备的透明木材拥有良好的机械性能和热稳定性。（2）以乙酸锌和硝酸铈为原料,通过水热法在90℃、120 ℃和150℃三种不同温度下制备了 Ce-ZnO样品。测试这3种样品在紫外区域的吸收度,结果表明在150℃下制备的样品的紫外吸收强度最高。经过Ce元素掺杂后,ZnO仍然保留最稳定的六方纤锌矿结构,且样品纯度和结晶度都很高。并且分析化学成分发现Ce-ZnO中含有Zn、O、Ce三种离子,其中铈离子有两个价态,为正三价和正四价,多价态有利于对紫外的吸收。（3）利用简便的真空-常压循环方法将Ce-ZnO和环氧树脂的混合物导入到木质素保留木材中,制备了具有紫外屏蔽性能的Ce-ZnO/透明木材。Ce-ZnO和木材/环氧树脂之间的界面结合效应使得Ce-ZnO/透明木材的拉伸强度和断裂伸长率分别增加到12.88MPa和33.03%,约为原始木材的2倍,机械性能得到显著改善。此外,Ce-ZnO/透明木材的热导率为0.48 W m-1 K-1,比大多常用的建筑材料（如玻璃、混凝土）都要低。热重结果表明,Ce-ZnO/透明木材的热稳定性也得到了提升。利用金黄色葡萄球菌和黑曲霉分别对样品的紫外屏蔽性能和防霉性能进行了测试,Ce-ZnO/透明木材表现出比普通透明木材更好的紫外屏蔽特性,且比原始木材更优异的防霉特性。（4）利用DFT对纯ZnO和Ce-ZnO的特性进行比较分析,模拟计算出ZnO和Ce-ZnO的晶胞结构,随后对其能带、态密度和紫外屏蔽性能等进行分析。Ce掺杂后的ZnO带隙变窄,从2.60eV下降到2.46eV,紫外屏蔽性能增强;态密度则反映Ce-ZnO具有良好的光电特性,并且光电转换效率增加紫外吸收变强;吸收系数表明掺杂后的ZnO材料的紫外吸收性能得到了改善;低折射率和反射率则说明Ce-ZnO在可见光区域有良好的透射率。综上所述,以木材多孔框架为模板,通过水热法和真空-常压循环浸渍可制备光学特性优异、导热率低、机械性能良好、紫外屏蔽性能和防霉性能优异的多功能Ce-ZnO/透明木材。该材料的制备有望代替玻璃等传统建筑材料应用于日常生活中,在解决固体废弃物和紫外辐射危害的同时,为木材资源的多方位利用提供新思路。
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