溫室氣體排放引起的氣候變化對人類社會的可持續(xù)性發(fā)展構(gòu)成了越來越大的威脅。全球二氧化碳排放總量每年約為 360 億噸，主要來自化石燃料的燃燒。與1901年至1960 年期間相比，1986 年至 2016 年期間全球年平均氣溫上升了 0.7 攝氏度以上。此外，石油等化石燃料是不可再生的，需要數(shù)億年的時間才能形成，開發(fā)和使用碳足跡低甚至為負的可再生材料，是應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)、構(gòu)建綠色未來的重要舉措。2020 年，整個建筑行業(yè)，包括建筑材料和運行管理，排放了約 119 億噸的二氧化碳，占全球二氧化碳總排放量的37%，是排放占比最大的門類。設(shè)計節(jié)能環(huán)保的綠色建筑，一方面依賴于新型固碳材料的開發(fā)，另一方面依賴于實現(xiàn)建筑材料的多功能化，以同時滿足建筑應(yīng)用多方面的需求。
地球上有約3萬億棵樹（相當(dāng)于每人約400棵），森林覆蓋了地球上30％以上的土地，并提供了可再生和可持續(xù)的資源。木材已經(jīng)被人類社會在一些領(lǐng)域使用了數(shù)千年，包括建筑、家具、工具以及用作燃料。2001 年至 2019 年，全球森林每年從大氣中吸收約 156 億噸二氧化碳。政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 報告和《巴黎協(xié)定》都強調(diào)了促進森林保護和增加森林碳儲量以實現(xiàn)人為凈零排放的重要性。作為一種來源豐富的可再生材料，木材在人類社會的可持續(xù)發(fā)展中扮演不可或缺的角色，特別是在廣泛的產(chǎn)品和應(yīng)用中替代不可再生的石油基材料。多種因素推動了木材的廣泛使用，包括減少碳排放，緩解能源和水安全的危機，以及對可持續(xù)工業(yè)增長的渴望。由于來源豐富，木材可以很好地滿足社會對低成本和高性能復(fù)合材料的需求，并且對環(huán)境的影響非常小。
圖1.新型建筑應(yīng)用木材基功能材料的設(shè)計及對環(huán)境的影響
圖2.木材的化學(xué)改性方法
鑒于在木材基功能材料領(lǐng)域的一系列開創(chuàng)性工作，近日，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授（通訊作者）、李騰教授和胡明教授，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院IngoBurgert教授，威斯康星大學(xué)潘學(xué)軍教授，耶魯大學(xué)姚元教授，USDA J.Y. Zhu博士等國際木材科學(xué)領(lǐng)域的專家共同合作在Chemical Reviews上撰寫了題目為“Emerging Engineered Wood for Building Applications”的綜述論文。這篇綜述深入探討了建筑用改性木材的最新進展，除了作為結(jié)構(gòu)材料，也涵蓋了建筑性能的更多方面的應(yīng)用。文章首先從理論計算的角度提供木材基功能材料的多尺度設(shè)計原則，系統(tǒng)性概述了木材的結(jié)構(gòu)和組成以及改性策略。然后探索了木材的固有屬性，這些屬性源自其分層的多孔、各向異性的結(jié)構(gòu)和木質(zhì)纖維素成分。文章進一步討論了木材結(jié)構(gòu)設(shè)計、改性和功能化應(yīng)用方面的原則和近年來該領(lǐng)域取得的進展，重點討論了通過各種結(jié)構(gòu)成分改性賦予木材的機械、熱學(xué)、光學(xué)和能源等方面優(yōu)異的性能，此外，文章也從生命周期評估（LCA）和技術(shù)經(jīng)濟分析（TEA）的角度詳述了木材制品從取得原材料，經(jīng)生產(chǎn)、使用直至廢棄的整個過程對環(huán)境所產(chǎn)生影響的和成本，以指導(dǎo)綠色建筑材料的設(shè)計，最終實現(xiàn)未來建筑的節(jié)能減排和技術(shù)固碳，緩解氣候變化產(chǎn)生的重大影響。最后，該綜述概述了該研究領(lǐng)域當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和對未來方向的展望：
(1) 許多木制品的制造過程中會產(chǎn)生化學(xué)廢液。如何優(yōu)化脫木素/改性工藝并在不影響性能的情況下實現(xiàn)無廢料的閉環(huán)制造仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
(2) 化學(xué)試劑在木材塊體結(jié)構(gòu)中的不均勻滲透、擴散可能會阻礙工程木制品的大規(guī)模制造。此外，考慮到木材中存在結(jié)節(jié)和其他缺陷，新型木制品放大生產(chǎn)和性能的均一性以滿足行業(yè)需求仍面臨一系列挑戰(zhàn)。
(4) 傳統(tǒng)木制品中常用的粘合劑，如甲醛樹脂，在產(chǎn)品制造或使用期間會釋放揮發(fā)性氣體，甚至致癌物質(zhì)。在不犧牲產(chǎn)品的可回收性、可重復(fù)使用性和功能性的情況下，需要開發(fā)綠色、耐用、安全、健康的粘合劑。
(5) 工程木制品的生物降解性也是其長期服役一個障礙，導(dǎo)致木制品在直接暴露于空氣中會過快降解。接下來需要更多的研究，以實現(xiàn)產(chǎn)品服役期間的耐用性和退役后的生物降解性之間的平衡。
(6) 應(yīng)根據(jù)適用的建筑規(guī)范或性能標(biāo)準(zhǔn)對木制品的抗真菌、抗白蟻、防火和防潮性能進行系統(tǒng)評估。
(7) 需要開發(fā)準(zhǔn)確、無損和低成本的方法用來全面監(jiān)測工程木材的性能隨服役期的變化。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.2c00450
