Yiqiang Wu et Caichao Wan, membres du corps professoral de l’Université forestière et technologique du Centre-Sud (CSUFT), et leur équipe ont développé un nouveau matériau transparent à base de bambou naturel.
Avec sa barrière ignifuge à trois couches, ce nouveau matériau réduit efficacement le dégagement de chaleur, ralentit la propagation des flammes et limite les émissions de fumées toxiques, de CO et de substances volatiles inflammables. Les résultats ont été publiés dans la revue Research .
Au cours des 50 dernières années, le verre de silice, un matériau transparent largement utilisé dans l’industrie de la construction, a été de plus en plus adopté comme matériau de construction nécessaire. Ce verre est polyvalent et très apprécié, comme en témoigne sa production qui atteignait environ 130 millions de tonnes dans le monde en 2020.
« Malgré ses nombreux avantages, tels qu’une transparence élevée et la disponibilité des matières premières, le verre de silice traditionnel est toujours aux prises avec des défis, notamment la fragilité, la haute densité et les émissions importantes de CO 2 et de gaz à effet de serre au cours du processus de fabrication. » explique Caichao Wan, professeur titulaire et auteur correspondant de l’étude, Collège de science et d’ingénierie des matériaux, Université centrale-sud de foresterie et de technologie
Les produits en bois transparent ont récemment attiré beaucoup d’attention en raison de leurs qualités exceptionnelles, notamment une transparence élevée, une résistance mécanique et une isolation thermique supérieures. En plus d’avoir un impact positif sur l’environnement, le bois transparent présente un énorme potentiel en tant que substitut compétitif aux matériaux en verre conventionnels.
Il existe cependant plusieurs contraintes liées à l’utilisation du bois translucide :
- Le manque de bois dans le monde, pose un problème ; même avec des initiatives visant à augmenter la production grâce aux plantations, on prévoit que la demande en bois rond industriel sera plus forte d’ici 2050.
- L’incorporation de polymères dans le bois transparent le rend très sensible au feu, ce qui présente potentiellement un danger important.
- Il existe une nécessité de faire progresser les propriétés fonctionnelles du bois transparent au-delà de ses caractéristiques optiques et mécaniques fondamentales.
En termes de composition chimique, le bambou partage des similitudes avec le bois, composé principalement de lignine, de cellulose et d’hémicellulose. De plus, la structure hiérarchique interne du bambou ressemble beaucoup à celle du bois, présentant une porosité et une perméabilité élevées grâce à des canaux verticaux soigneusement disposés. Cette caractéristique suggère l’utilisation potentielle du bambou dans la production de matériaux composites transparents. » poursuit Y. Yang, Ph.D. Étudiant et auteur principal de l’étude, Central South University of Forestry and Technology.
Illustration schématique de la méthode de préparation du bambou transparent ignifuge, anti-fumée et superhydrophobe.
Wan a déclaré : « Le bambou, souvent appelé « la deuxième forêt », possède un taux de croissance et de régénération rapide, lui permettant d’atteindre sa maturité et d’être utilisé comme matériau de construction dans les 4 à 7 ans de croissance. Avec un rendement quatre fois supérieur à celui du bois par acre, le bambou est reconnu pour son efficacité exceptionnelle . »
La solution de l’équipe consiste à utiliser une technique d’imprégnation sous vide simple et efficace pour imprégner un silicate de sodium liquide inorganique (Na 2 O·nSiO 2 ) dans la structure délignifiée du bambou. Le produit intermédiaire est ensuite soumis à un traitement hydrophobe.
Wan a déclaré : « Grâce à cette stratégie, nous pouvons construire une barrière ignifuge à 3 couches comprenant une couche supérieure de silane, une couche intermédiaire de SiO 2 formée par hydrolyse-condensation de Na 2 SiO 3 sur la surface et une couche interne de SiO 3 . Na 2 SiO 3 . Cette stratégie permet d’obtenir un long temps d’allumage de 116 s, un faible dégagement de chaleur totale de 0,7 MJ/m 2 , une faible production totale de fumée de 0,063 m 2 et une faible concentration maximale de CO de 0,008 kg/kg .
Propriétés optiques, superhydrophobes et mécaniques du bambou transparent. (A) Spectres de transmission avec un encart montrant un morceau de bambou transparent placé sur une feuille. (B) Spectres de brume avec des encarts démontrant la levée progressive d’un morceau de bambou transparent pour révéler sa caractéristique de brume. (C) Croquis schématique montrant la structure des CFP assemblés sur le substrat en bambou transparent. (D) Propriétés densité-tension de courant des PSC assemblés sur les substrats transparents en bambou ou en verre. (E) Schéma de la distribution de la lumière incidente sur une cellule solaire. (F) Angles de contact statiques avec l’eau avec un encart montrant une goutte d’eau à la surface du bambou transparent. (G) Diagramme schématique des spécimens de bambou pour les essais de traction et de flexion. (H) Résistance à la traction et module d’élasticité à la traction. (I) Allongement en traction à la rupture et ténacité. (J) Résistance à la flexion et module de flexion. (K) Résistance à la traction et à la flexion à des températures de –50, 25 ou 50 °C
Les propriétés mécaniques exceptionnelles du bambou transparent sont mises en évidence par ses modules de flexion et de traction extraordinairement élevés, qui atteignent respectivement 7,6 ± 1,3 et 6,7 ± 1,1 GPa.
En raison de sa remarquable valeur de brouillard de 96,7 % et de sa transmission lumineuse élevée de 71,6 %, le bambou transparent présente le potentiel de fonctionner comme une couche de gestion de la lumière lorsqu’il est utilisé comme substrat pour les cellules solaires à pérovskite. Cela pourrait entraîner une augmentation notable du rendement de conversion de puissance d’environ 15 %.
Ils sont heureux que cette découverte permette l’utilisation de verre ignifuge vert et de dispositifs optiques.
« Dans les recherches futures, nous nous concentrerons sur la fabrication à grande échelle et les débouchés de ce bambou transparent », ajoute Wan.
Notre avis : si les qualités de ce matériau se révèlent exactes, c’est une révolution pour le verre, dans le bâtiment et de l’énergie (photovoltaïque). Reste à voir la faisabilité à l’échelle industrielle et surtout l’impact carbone de ce type de matériau…