《Journal of Cleaner Production》：A transparent bamboo with superior ultraviolet-resistance and thermal-insulating capacity towards durable sustainable buildings
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开发了一种紫外线稳定的透明竹材（URTB），采用氢化环氧树脂（HEP）与紫外线吸收剂（UVA）及受阻胺光稳定剂（HALS）构建三元基体，实现透光率80%、隔热系数0.245 W/(m·K)、防水角99.68°，在36℃高温下每日节能66.8 kWh，CO?减排40.08 kg，经12天紫外线加速老化后透光率仅下降3.09%，tensile strength提升至127.8 MPa，解决传统改性材料中紫外线抵抗与结构性能难以平衡的难题，为绿色建筑户外应用提供新方案。
Xishuan Fang|Chengliang Zhou|Xingong Li
中南林业科技大学材料与能源学院，中国长沙，410004
摘要
基于环氧树脂的透明竹材在绿色建筑领域具有很高的吸引力，因为它具有出色的机械性能、光学性能和化学耐受性。然而，环氧树脂中丰富的醚基团和芳香骨架使其难以抵抗紫外线辐射，从而导致基于环氧树脂的透明竹材的户外使用寿命有限。现有的关于提高紫外线抗性的研究较为零散，抗紫外线老化性能与结构刚性之间的矛盾仍未解决，这限制了其在实际户外应用中的使用。在这项研究中，使用经过紫外线吸收剂和受阻胺光稳定剂改性的氢化环氧树脂作为混合基质，制备了一种具有紫外线抗性的透明竹材（URTB）。URTB的光透射率、高雾度、低热导率和水接触角分别达到了80%、95.89%、0.245 W/(m·K)和99.68°，同时具备了透光性、隐私保护、保温和防水性能。当室外温度达到36°C时，在办公楼中用URTB替换普通玻璃可以每天节省66.8千瓦时的能源，并减少40.08公斤的二氧化碳排放。此外，在经过12天的紫外线加速老化后，URTB的透射率仅下降了3.09%，其拉伸强度从109.1 MPa显著增加到127.8 MPa。URTB优异的紫外线抗性源于混合环氧基质的稳定性、紫外线吸收能力和自由基清除能力，形成了“源头抑制-能量拦截-损伤终止”的三步抗紫外线机制。这使得URTB能够在建筑立面、天窗和阳光房等户外应用中抵抗紫外线辐射并保持稳定的性能。本研究为透明竹材在绿色和可持续建筑中的广泛应用奠定了基础。
引言
随着全球对环境保护和可持续发展的关注日益增加，绿色可持续建筑已成为建筑行业发展的重要趋势（Zhu等人，2023年）。据统计，通过门窗的热量损失占建筑物总热量损失的40%以上（Xia等人，2021b）。传统玻璃由于隔热性能差，导致严重的能源浪费，同时还具有密度高、易碎、制造能耗高、不可再生和不可降解等缺点，难以满足绿色建筑的要求（Mi等人，2020年）。因此，开发新的绿色建筑材料已成为当务之急（Qian等人，2024年）。在众多新材料的探索中，透明竹材（TB）因其出色的环境可持续性、机械性能、美观特性和隔热性能而逐渐受到关注（Mai等人，2022年）。预计它将弥补传统玻璃的不足，在推动绿色可持续建筑方面发挥重要作用（Li等人，2022b）。
透明竹材通常是通过天然竹材（NB）中的木质素成分脱木质素或改性制备的，然后将折射率匹配的聚合物（如环氧树脂EP和聚甲基丙烯酸甲酯）浸渍到改性后的竹材中（Wang等人，2022a）。用EP制备的透明竹材具有许多优点，如优异的光学性能、机械强度、环境适应性和尺寸稳定性等（Wang等人，2024年）。为了扩大其应用领域，研究人员通过在EP浸渍液中引入功能性成分，成功开发出了具有磁性（Wang等人，2022b）、荧光性（Wang等人，2022c）、电磁屏蔽性（Wang等人，2023a）、热致变色性（Ji等人，2023年）、光致变色性（Zhang等人，2023年）和辐射冷却性（Zhou等人，2021年）等特性的功能化透明竹材。针对尺寸和厚度的限制，通过“碱预处理-交联-脱木质素”策略结合柔性EP浸渍，实现了适用于大规模生产的大尺寸和柔性透明竹材（Wang等人，2023b）。此外，受胶合板制造技术的启发，开发出了多层透明竹材，有效突破了厚度控制的瓶颈（Zhang等人，2024年）。这些研究成果表明，基于EP的透明竹材在绿色建筑、室内和室外装饰以及光学设备等领域具有广泛的应用潜力。
然而，基于EP的透明竹材在长期户外应用中存在老化和变黄的问题，这严重限制了其使用寿命和应用范围。暴露在紫外线（UV）辐射下，透明竹材中的EP会发生老化反应（Wang等人，2023c）。具体来说，醚键和不饱和芳香骨架等化学键的键能较低，容易发生断裂，从而产生自由基和过氧化物。这些中间体随后引发链式反应，导致分子链的断裂、交联和氧化。这些链式反应导致基于EP的透明竹材的物理和化学性能逐渐下降（Wu等人，2022年）。此外，改性竹材中的纤维素、半纤维素和未完全去除的木质素在紫外线照射下也会发生结构变化，产生有色物质，导致透明竹材的老化和变黄（Fei等人，2024年）。先前的研究探讨了脱色方法对透明竹材紫外线抗性的影响，并研究了其在紫外线加速老化过程中的外观和分子结构变化（Kong等人，2024年）。另一项研究使用EP和聚氨酯丙烯酸酯的双树脂混合策略开发了柔性透明竹材复合材料（Wang等人，2025年）。虽然这种方法增强了抗黄化性能，但牺牲了基于EP的透明竹材的固有刚性，限制了其在具有特定机械性能要求的应用中的使用。总体而言，目前关于基于EP的透明竹材的抗紫外线改性的研究存在明显局限性：缺乏系统的研究，相关文献也很少。传统的改性方法通常需要在紫外线抗性和关键性能（如光学性能、机械强度和隔热性能）之间进行权衡。例如，喷涂涂层可以增强紫外线抗性，但会降低材料的透光性；加入其他树脂以改善抗黄化性能往往会影响材料的固有刚性；此外，功能性成分与基体之间的兼容性不足可能导致机械强度下降。这些挑战共同阻碍了多种性能的同时优化。更重要的是，目前尚未建立有效的紫外线抗性机制，无法从源头上阻止紫外线引起的老化链式反应。因此，限制这些材料实际户外应用的核心瓶颈长期未得到解决。
为了解决这个问题，本研究创新性地构建了一种由氢化环氧树脂（HEP）、甲酰胺型紫外线吸收剂（UVA）和受阻胺光稳定剂（HALS）组成的三元混合基质，用于制备具有优异紫外线抗性的透明竹材（URTB）。核心创新在于打破传统的单一改性模式，首先结合基底分子结构优化和双重功能稳定剂的协同作用，形成了“源头抑制-能量拦截-损伤终止”的三步抗紫外线机制：首先，氢化EP通过其饱和的分子结构在基底层面降低紫外线敏感性，从源头上最小化老化反应的起始（Li等人，2024年）；其次，UVA与EP之间的良好兼容性确保了在240-330纳米波长范围内有效吸收紫外线能量，建立了抵御紫外线入侵的第一道防线；第三，HALS通过捕获自由基，阻止老化过程的传播和扩散。
这种多维协同策略不仅显著提高了紫外线抗性，同时保持了80%的光透射率、95.89%的高雾度、0.245 W/(m·K)的低热导率以及优异的机械性能，从而解决了传统改性方法中“紫外线抗性和功能性能难以平衡”的长期矛盾。此外，该方法工艺简单可控，便于工业化生产。它为透明竹材在建筑幕墙和天窗等户外场景中的长期稳定应用提供了实际解决方案，同时也为绿色和可持续建筑材料的高性能发展开辟了新的技术途径。
材料与化学
天然竹材（NB）来自湖南桃花江竹业有限公司。亚氯酸钠、醋酸和无水乙醇购自中国医药化学试剂有限公司；环氧树脂（CG135）和固化剂来自昆山九美电子材料有限公司；UVA（N-（乙氧羰基苯基）-N'-甲基-N'-苯甲酰胺）和HALS（双（1,2,2,6,6-五甲基-4-哌啶基）癸酸酯）来自常州新慈素聚合物材料有限公司；氢化环氧树脂（HEP）及其固化剂来自...
形态与组成
使用扫描电子显微镜（SEM）在不同放大倍数下观察了天然竹材（NB）、改性竹材（DB）和紫外线抗性透明竹材（URTB）的横截面形态（图2）。天然竹材的横截面呈现出多孔结构，可以观察到紧密排列的薄壁细胞、相邻细胞之间的角以及细胞壁层之间的间隙。经过脱木质素处理后，竹材的颜色从原来的黄色变为白色。由于竹材中的木质素和提取物被去除，同时保留了一部分半纤维素...
结论
为了解决基于EP的透明竹材在紫外线作用下老化和变黄的问题，本研究通过由氢化环氧树脂（HEP）、甲酰胺型紫外线吸收剂（UVA）和受阻胺光稳定剂（HALS）组成的三元混合基质，成功开发出了一种具有紫外线抗性的透明竹材（URTB）。URTB具备了80%的光透射率、95.89%的雾度、0.245 W/(m·K)的热导率和99.68°的水接触角，集成了透光、隐私保护、保温和防潮等多种功能。
作者贡献声明
Xishuan Fang：撰写——原始稿件、验证、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析。Chengliang Zhou：撰写——审稿与编辑、数据可视化、方法论指导。Xingong Li：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢湖南省科学技术创新计划项目（2021RC4062）、湖南省自然科学基金项目（2023JJ31001）和湖南省教育厅优秀青年基金（24B0261）的财政支持。
