一种基于木材的激光散射体及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种基于木材的激光散射体及其制备方法和应用，属于光学材料及木材科学。

背景技术：

1、发光二极管(led)和激光二极管(ld)固态照明设备具有高功率密度、高亮度、小尺寸和低能耗的特性。当前，led是最有效的照明设备，但它们存在发光转换效率低的问题，既使在高电流密度下，依然存在光量子转换效率低的问题，严重限制了它们在汽车前灯、投影显示器和泛光灯投影仪等高亮度领域的应用。

2、为了解决这个问题，ld被认为是一种替代led的固态照明解决方案，因为该项技术不会出现发光效率低的问题。ld照明具有很高的光电转换效率，通过简单地增加输入电流密度可获得更高亮度的光照效果。此外，ld还具有良好的指向性、高亮度、照射距离远和使用寿命长等优点，适用于汽车、城市景观、智能照明、激光闪光灯和可见光通信等高亮度领域的应用。因此，ld被视为下一代高亮度的固态光源。然而，ld的光束存在高度集中，并且只能发射单色光，这两者都阻碍了它们提供照明领域所需的3d均匀光要求。为了解决这一问题，目前，主要通过将紫外线或蓝色ld照射含有荧光粉的光转换器来实现多色光效果，同时光转换器内部具有大量散射中心，将聚焦的激光束进行散射，从而获得用于照明的高散射光源。然而，此类器件的亮度受到荧光粉光转换器的斯托克斯位移和内部量子效率的强烈限制。

3、随着光照明领域的发展，越来越多的人提出使用高散射体来散射聚焦的激光束以获得3d均匀照明光源。专利cn113831837a提出一种粒径可控激光散射体及其制备方法与应用，这种材料采用有机硅烷溶液作为前驱体，再通过酸或碱催化剂催化反应形成水凝胶，散射体需要通过超临界二氧化碳干燥之后，才能得到具有三维孔隙结构材料。这种材料非常有利于激光照明，对于实现高功率激光照明具有巨大推动作用。然而，这种制备方法过程复杂、成本较高，而且使用的硅类物质不可降解，产品使用结束之后，易产生大量的白色污染。2020年，有研究人员采用纳米级壁厚的互连中空六方氮化硼(bn)微管组成一个散射体，将照射到其上面的激光进行大朗散射，实现光的各向同性分布，起到照明效果。然而，bn微管需要在高温的石英管炉中制造；这些制造过程需要消耗大量的能源。

4、木材是一种天然可降解、可再生的材料，自古以来一直被用于建筑和家具领域。近年来，随着纳米技术的发展，通过调节木材的多孔结构和独特的化学成分，制备出大量木质功能复合材料。如透明木材、高强致密木材、和光子木材等。透明木材是一种新型的木质复合材料，通过脱除木质素或改性木质素发色团，然后将折射率与纤维素匹配的聚合物浸入木质纤维素骨架中，固化而成。然而，由于透明木材内部的强烈光散射，导致其具有很高的雾度，目前主要研究集中于如何降低雾度(最小化散射)以提高其透明度。很少有研究人员考虑如何充分利用这种高雾度特性来制造木质功能材料。透明材料的雾度越高，其光散射效果就越强。这意味着，当聚集的光束照射高雾度材料时，光束将被散射到三维空间中，从而实现照明效果。因此，可以推断，如果将透明木材的雾度进一步增加，其散射性能将变得更加显著，从而有效地将聚集的光束散射到周围空间，实现照明。

5、专利cn113664938a提出采用脱出木质素或者改性木质素发色基团结构等措施来制备大幅面透明木材，该专利公开了将木质素或者木质素发色官能团脱除掉之后，将折射率与纤维素匹配的树脂加入木材骨架中，提高光的透过率，将木材变得透明。这种方案是用来制备透明木材，所得的产品无法应用于散射激光。

6、为了解决上述遇到的问题，本发明提出采用天然木材来制备绿色环保、可降解、碳排放低的散射体材料。

技术实现思路

1、因此，基于上述现有技术中的各种问题，本发明的主要目的在于提供基于木材的激光散射体照明材料及其制备方法，以及基于木材的激光散射体在激光照明材料领域中的用途，利用木材天然可降解、绿色环保、成本低、制造工艺简单等优势，克服现有技术中的不足。

2、为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于木材的激光散射体，由脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材及浸入木材内部孔隙结构的折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂组成；通过紫外固化或者热固化制成。

4、所述折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂的折射率＜1.53或者＞1.53。所述的树脂是指聚乙二醇二丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、丙烯酸酯衍生物、聚氨酯预聚物、聚氨酯改性环氧树脂、聚乙烯吡络烷酮、聚乙二醇、聚二甲基硅氧烷、正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、硅橡胶中的一种或多种的混合。

5、脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材中，折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂的施加量为5-95wt.％。

6、上述木材激光散射体在可见光范围内的透光率为0～90％，反射率为0～99％，散射率即雾度≥60％；木材激光散射体能够将400～800nm波长范围内的激光光源散射为三维均匀的照明光源。

7、另一种基于木材的激光散射体，由脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材及浸入木材内部孔隙结构的透明树脂和荧光材料组成。通过将透明树脂和荧光材料同时浸入脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材内部孔隙结构，再经光固化或者热固化制成。

8、所述的透明树脂为任何一种透明树脂，即可以是上述折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂，也可以是其他透明树脂，如折射率与木材纳米纤维素折射率匹配的透明树脂。

9、所述的荧光材料包括掺杂稀土元素的铝酸盐荧光材料、硅酸盐荧光材料、氮化物荧光材料、磷酸盐荧光材料、硫化物荧光材料中的任意一种或两种以上的组合。所述荧光材料的粒径为0.1～100μm，能够将400～800nm波长范围内的激光光源散射并转化为三维均匀的照明光源。

10、脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材中，透明树脂和荧光材料的施加量为5-95wt.％；所述的荧光材料与透明树脂均匀混合在一起，荧光材料占荧光材料与透明树脂混合物总质量的1％-80％。

11、上述两种基于木材的激光散射体中，所述脱出木质素木材是指木材木质素的质量含量≤10％；所述的脱出木质素发色基团是木质素中的羰基、羧基、醛基和酯基等官能团质量含量≤10％。采用的木材可以是轻木、泡桐、杉木、杨木、水曲柳和松木等中的任意一种木材。所述木材的密度在0.02g/cm3-1.35g/cm3之间。

12、上述两种基于木材的激光散射体中，所述基于木材的激光散射体的宏观形态包括球体、圆柱体、椭圆体、立方体、长方体和圆锥体中的任意一种或两种以上的组合。木材激光散射体的直径为5mm-100mm之间；木材激光散射体的密度为0.10～1.50g/cm3。

13、上述两种基于木材的激光散射体中，木材激光散射体使用温度在200℃以下；木材激光散射体激光损伤阈值在2000w/cm2以上。

14、一种基于木材的激光散射体的制备方法，通过将折射率与纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂浸入脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材内部孔隙结构中制成，包括以下步骤：

15、(1)将木材放入木质素脱出溶液或者木质素改性剂溶液中，加热至100℃，直到木材全部变为白色；

16、(2)将步骤(1)获得的白色木块放入丙酮、乙醇和/或甲醇等有机溶剂中进行溶剂置换，获得含有有机溶剂的白色木块；

17、(3)将步骤(2)获得的含有有机溶剂的白色木块放入折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂中，在真空条件下或者自然环境中放置，将白色木块浸入折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂中，紫外固化或者热固化，获得木材激光散射体。

18、步骤(1)中，所述的木质素脱出溶液是指亚氯酸钠或次氯酸钠或者两者的混合物(任意比例混合)，溶质的质量分数浓度为0.1-20％，同时水溶液的ph值用醋酸调节为ph值4-5；木质素改性剂溶液是指包括双氧水和碱性物质的混合物，其中双氧水与碱性物质的质量比为10:(0.1～3)。所述的碱性物质是氢氧化钠或氢氧化钾或两者的混合物(任意比例混合)。

19、步骤(1)中，得到的白色木块，即为脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材。脱出木质素木材中，木材木质素的含量≤10wt.％；脱出木质素发色基团木材中，木质素中的羰基、羧基、醛基和酯基等官能团含量≤10wt.％。

20、步骤(2)中，白色木块在有机溶剂浸泡足够的时间，直到将白色木块中的水分完全转换为有机溶剂，例如浸泡时间可以是0.1min-10天。

21、步骤(3)中，所述折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂，其折射率＜0.50或者＞0.50；含有有机溶剂的白色木块在折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂中浸泡时间不做特别限定，可以是0.1min-20天。折射率与木材纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂的施加量为5-95wt.％。

22、所述木材激光散射体在可见光范围内的透光率为0～90％，反射率为0～99％，散射率即雾度≥60％；所述木材激光散射体能够将400～800nm波长范围内的激光光源散射为三维均匀的照明光源。

23、另一种基于木材的激光散射体的制备方法，通过将透明树脂和荧光材料同时浸入脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材内部孔隙结构，光固化或者热固化制成，所述激光荧光照明材料和透明树脂均匀混合在一起；包括以下步骤：

24、1)将木材放入木质素脱出溶液或者木质素改性剂溶液中，加热至100℃，直到木材全部变为白色；

25、2)将步骤1)获得的白色木块放入丙酮、乙醇和/或甲醇等有机溶剂中进行溶剂置换，获得含有有机溶剂的白色木块；

26、3)将荧光材料与透明树脂混合均匀，将步骤2)获得的含有有机溶剂的白色木块放入混合体系中，在真空条件下或者自然环境中放置，经紫外固化或者热固化，获得木材激光散射体。

27、步骤1)中，得到的白色木块，即为脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材。脱出木质素木材中，木材木质素的含量≤10wt.％；脱出木质素发色基团木材中，木质素中的羰基、羧基、醛基和酯基等官能团含量≤10wt.％。

28、步骤2)中，白色木块在有机溶剂浸泡足够的时间，直到将白色木块中的水分完全转换为有机溶剂，例如浸泡时间可以是0.1min-10天。

29、步骤3)中，所述荧光材料的粒径为0.1～100μm，能够将400～800nm波长范围内的激光光源散射并转化为三维均匀的照明光源；所述荧光材料能够将紫外光、可见光或红外光转化为白光；所述荧光材料包括掺杂稀土元素的铝酸盐荧光材料(如铝酸盐荧光粉y3al5o12:ce)、硅酸盐荧光材料(如硅酸盐荧光粉(srba)2sio4)、氮化物荧光材料(如caalsin3)、磷酸盐荧光材料(如磷酸盐荧光粉ba3p4o13:xeu3+)和硫化物荧光材料(如硫化物荧光粉ages2-bga2s3:ctm3+)等中的任意一种或两种以上的组合。所述的透明树脂为任何一种透明树脂。所述荧光材料占荧光材料与透明树脂总质量的1％-80％。

30、含有有机溶剂的白色木块在荧光材料和透明树脂的混合体系中的浸泡时间不做特别限定，可以是0.1min-20天。荧光材料和透明树脂的施加量为5-95wt.％。

31、本发明上述两种基于木材的激光散射体在激光照明领域，尤其是在制备激光照明材料中的应用。所述的基于木材的激光散射体，可以用作海底照明、水下照明、室内照明、室外照明、远距离无接触照明、可调控光颜色照明、激光散射和激光显示领域中的照明材料。

32、上述两种方法制备的基于木材的激光散射体中的任一种或者两种混合，其激光照射发光方法，第一种方法是以选定波长的激光光源照射所述基于木材的激光散射体，从而使所述激光光源散射为三维均匀的光源；第二种方法是，激光照射发光方法是将基于木材的激光散射体以及含荧光材料的罩体共同作为照明材料，所述基于木材的激光散射体置于所述含荧光材料的罩体内部，所述含荧光材料的罩体由基底和涂覆在其表面的荧光材料组成，以选定波长的激光光源照射罩体内部的木材激光散射体，散射的激光经过罩体变成三维均匀的光源。

33、上述两种激光照射发光方法中，以选定波长的激光光源照射所述的基于木材的激光散射体，从而使所述激光光散射为三维均匀的光源；其中，所述激光光源的波长为400～800nm。

34、上述第二种激光照射发光方法中，含荧光材料的罩体包括基底、荧光材料和粘结剂，所述基底由透光材料组成，包括环氧树脂、氧化硅玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、高硼硅玻璃、氧化铝透明陶瓷和有机硅中的任意一种或两种以上的组合；所述含荧光材料的罩体中荧光材料与基底的质量比为1:1～1000。

35、荧光材料与粘结剂混合，涂覆在基底的内表面，得到含荧光材料的罩体。粘结剂可以为聚甲基丙烯酸甲酯和/或环氧树脂。

36、所述荧光材料能够将紫外光、可见光或红外光转化为白光；所述荧光材料包括掺杂稀土元素的铝酸盐荧光材料(如铝酸盐荧光粉y3al5o12:ce)、硅酸盐荧光材料(如硅酸盐荧光粉(srba)2sio4)、氮化物荧光材料(如caalsin3)、磷酸盐荧光材料(如磷酸盐荧光粉ba3p4o13:xeu3+)和硫化物荧光材料(如硫化物荧光粉ages2-bga2s3:ctm3+)等中的任意一种或两种以上的组合。

37、所述含荧光材料的罩体在200～1000nm光波长范围内的透光率为0.1～99％；所述含荧光材料的罩体的形态包括空心球体、空心正方体、空心长方体、空心椭球体和不规则形状中的任意一种。

38、与现有技术相比，本发明的优点至少包括：

39、1)本发明提供的激光散射体的基本结构单元是将折射率与纳米纤维素折射率不匹配的透明树脂浸入脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材内部孔隙结构组成，具有高散射率，可实现光束的多重散射，将高集中的激光光源散射为三维均匀光源。

40、2)本发明提供的激光散射体的结构还可以是将透明树脂和荧光材料同时浸入脱出木质素木材或脱出木质素发色基团木材内部孔隙结构。

41、3)本发明提供的激光木材照明材料突破了人们对木材的传统认知，拓展了人们对木材认知的边界，打开了木材在高科技领域应用的先例。

42、4)本发明提供的基于木材的激光散射体照明材料在-196℃到300℃范围内展现出良好的力学性能，可承受压缩、冲击等载荷，并具有良好的耐水性性能。

43、5)本发明提供的基于木材的激光照明材料具有极高的激光损伤阈值，可承受高功率密度激光照射。

44、6)本发明提供的基于木材的激光照明材料具有高散射率，可实现光束的多重散射，将高集中的激光光源散射为三维均匀光源；利用这个特性，可将红、绿、蓝色激光同时照射散射体照明材料，可将三色光转化为白光，实现白光照明。

45、7)本发明提供的基于木材的激光散射体照明材料的制备工艺简洁，反应条件温和，易操作，低能耗，成本低，绿色无污染，可实现大规模连续化生产。

46、8)本发明提供的激光散射体以木材为原材料，绿色环保、天然可降解，在海底照明、水下照明、室内照明、室外照明、远距离无接触照明、可调控光颜色照明、激光散射、激光显示领域具有巨大的应用前景。该发明不仅有利于促进激光领域绿色高质量发展，而且有利于推动木材在高附加值领域的应用。