三嗪化木碳点赋能木纹无损可视紫外屏蔽耐光PVA膜

宋纪元; 吕少一; 张龙飞; 周兆兵; 彭立民

北京林业大学学报 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (12) : 159 -169.

宋纪元, 吕少一, 张龙飞, 周兆兵, 彭立民

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摘要

【目的】紫外光（200～400 nm）辐照下，木材表面木质素及抽提物降解生成醌类发色基团，导致不可逆的变色反应与力学性能劣化，此问题已成为制约木材高端化应用的瓶颈。现行防护策略常以牺牲木纹美感为代价，或因分散性差、透明性不足而难以兼顾审美与长效屏蔽，亟需开发“高紫外屏蔽-高可见透明”的一体化新材料。为此，本研究提出以三嗪功能化木源碳点（CDs）为核心构建聚乙烯醇（PVA）复合薄膜，旨在保持木材天然纹理的同时，提升其耐光变色的稳定性。【方法】以富含萜类抽提物、耐腐抗虫的速生杉木粉为碳源，150℃水热预抽提富集碳水化合物后，加富氮三肼三嗪（THT）为表面修饰剂，高温水热碳化制得THT-CDs；再与PVA共混，流延成PVA@THT-CDs复合薄膜。TEM、FTIR、XPS、XRD、荧光光谱和UV-Vis分光光度计联合表征THT-CDs的形貌、化学结构及光学性能，并量化复合薄膜的紫外屏蔽效率，以无机ZnO和有机UV-384涂层为参照。随后，将薄膜覆于薄木表面，在高功率紫外灯下加速老化，定期测定CIE Lab色度参数，评估其抑色性能。借助光纤光谱仪采集薄膜在370 nm单波长及模拟日光下的透射光谱，对比两束光透过后的谱图差异，解析木材表面的光传输行为及黄变机制。【结果】THT-CDs呈类石墨球形，平均粒径5.53 nm，在水中分散性优异；在372 nm激发下，THT-CDs发出445 nm明亮蓝光，荧光量子产率达21.4%，显示出高效的光致发光性能。当添加量仅为2%时，PVA@THT-CDs复合薄膜可屏蔽90.3%以上的紫外光，380 nm与400 nm处透过率分别降至0.3%和9.7%，而800 nm可见光透过率仍保持82.4%，其紫外-可见选择性分离效率显著优于ZnO和UV-384对照膜。CIE色度轨迹进一步证实，该复合薄膜在加速紫外老化过程中能有效抑制基材色差增大，展现出卓越的光学稳定性。【结论】本研究通过三嗪功能化木材衍生碳点，成功解决了传统材料的紫外吸收弱、屏蔽效率低、透明性不足的技术瓶颈；借助THTCDs的广谱紫外吸收-可见光转换机制，实现了“高紫外屏.蔽与高透明”的协同效应，在木材表面构筑了一层透明、长效且保留天然木纹的耐光老化薄膜。该策略不仅突破了传统屏蔽材料透明性不足的局限，也为速生杉木的高值化利用开辟了新路径，对推动木质家居、展陈制品及室外景观材的绿色升级具有现实可行性。