一种大密度各向导电异性金属化木材的制备方法与流程

本发明主要属于复合性能材料制备领域，具体涉及一种大密度各向导电异性金属化木材的制备方法。

背景技术：

木材在生活中应用广泛，其具有易加工、隔热、隔音性能好，但是其性质变异性大、尺寸稳定性不好、易腐烂、易燃烧等缺陷限制了木材的用途。把木材金属化后木材兼备木材和金属的特性，密度和强度均提高，且兼具了木材和金属各自的优点。木材金属化是将低熔点金属填充进木材的毛细管道中或者镀在木材表面。前者对木材密度提升较大，对木材的性能提升较多；后者表面镀层对木材密度和强度提升并不明显。

现在常用的木材金属化的方法有浸渍法和化学镀法。化学镀法是在非金属的表面进行的氧化还原反应，但其金属镀层比较薄且金属不能渗入木材的内部。影响化学镀沉积速度的因素也比较多，如温度、ph值、镀液组成、添加剂等。化学镀因其产生的废液较多，对环境污染较大，不再提倡。常见的浸渍法是利用高压条件将低熔点的液态合金通过木材纤维通道渗透进木材内部。高压浸渍操作不方便、危险性高，且金属液在纤维结构中渗透率受到温度、压强、通道结构特征的综合影响，渗透均匀性难保障。因此，木材金属化的高均匀性、快速渗透性、高渗透率是获得良好复合性能金属化木材的重要前提和难点。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种大密度各向导电异性金属化木材的制备方法，所述方法利用对木材的纤维结构进行预处理获得良好的渗透通道，既能保持木材原有的结构和强度，又更能提高金属在纤维通道中的渗透率，达到均匀渗透的目的。采用真空烘箱实现对渗透温度和渗透真空条件的精确控制，在真空浸渍条件下制备得到表面均匀、状态良好的大密度各向导电异性金属化木材。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大密度各向导电异性金属化木材的制备方法，所述方法利用对木材的纤维结构进行预处理获得良好的渗透通道，再采用真空烘箱精确控制渗透温度和渗透真空的条件，在真空浸渍条件下制备得到表面均匀、状态良好的大密度各向导电异性金属化木材。

进一步地，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1，木材的预处理：将木材置于预处理溶液中，恒温反应以去除木材中的木质素，保持木材纤维通道的畅通；再将去除木质素后的木材烘干；

步骤2，金属浸渍木材：将经步骤1处理后得到的木材沉入金属液中，在真空恒温条件下令所述金属液渗透到木材中；

步骤3，去除多余金属：取出步骤2中渗透好的木材，刮去木材表面多余的金属后空冷；

步骤4：为了使金属液渗透木材的效果更好，重复步骤2和3两次以上，最终得到所述大密度各向导电异性金属化木材。

进一步地，步骤1中所述预处理溶液为稀氨水与碱金属卤化物水溶液的混合溶液；

混合时，所述稀氨水的质量分数为70～80％，余量为所述碱金属卤化物水溶液；

所述稀氨水溶液质量浓度范围是5％～8％，所述碱金属卤化物水溶液的质量浓度为常温下饱和溶解度的50％，确保在木材纤维基体中均匀析出纳米卤化物熔盐颗粒起到阻燃的作用。

进一步地，所述稀氨水质量浓度范围是5％～8％，浓度过大会破坏木材内部纤维结构的完整性，导致金属液渗透过程出现通道开裂，浓度太低则不能有效清除纤维结构中的残余木质素。

进一步地，所述步骤1中烘干木材时，为了避免烘干过程中木材的变形，需要对木材渗透面两侧用金属板固定。

进一步地，所述金属液是在真空烘箱中将金属加热熔化得到的；所述金属的熔点低于木材的燃点，以确保熔化后的金属液体具有良好的流动性；金属熔化成所述金属液时，所述真空烘箱内保持温度高于所述金属的熔点20℃～30℃。

进一步地，所述金属包括低熔点金属合金。

进一步地，所述低熔点金属合金为锡铋合金。

进一步地，所述锡铋合金中各组分的质量分数为：锡42％、铋58％。

进一步地，加热熔化所述金属的同时，一同加热一用于固定木材的三角支架和固定在所述三角支架顶部用于保证三角支架能在所述金属液中稳定放置的金属块；

所述三角支架的三个支腿开角的大小保证可以卡住木材；所述三角支架可以打破所述金属液的表面张力，使木材能完全沉浸在熔融的所述金属液中。

进一步地，所述三角支架采用容易调整支腿角度的粗铁丝制成。

进一步地，所述经过步骤1预处理处理的木材置于所述金属液中，，将所述三角支架置于木材上后，再用所述金属块固定三角支架，使木材沉入所述金属液的液面下；

进一步地，步骤2中所述真空恒温条件下的具体内容为：真空度不低于3000kpa，恒温温度为高于所述金属液熔点20℃～30℃的温度。

进一步地，步骤2中在真空恒温条件下令所述金属液渗透到木材中，渗透的时间至少为30min。

进一步地，经过所述步骤4后，木材的表面应当完全被金属覆盖，若木材表面并未被完全覆盖，重复所述步骤2和步骤3，直至木材的渗透面完全被金属覆盖；每次渗透完成后，机械抛光木材表面的多余金属，得到表面均匀、状态良好的大密度各向导电异性金属化木材。

本发明具有如下有益技术效果：

(1)本发明采用的真空浸渍法渗透的一个重要前提是对木材进行预先处理；可以有效在去除木材中的木质素，既能保持木材原有的结构和强度，又更能提高金属在纤维通道中的渗透率，达到均匀渗透的目的。

(2)本发明相比电镀法更容易实现且渗透方法环保；相比加压渗透，省去了高压反应釜渗透过程更快捷、更安全。

附图说明

图1a为本发明实施例中木材放置在金属液中的示意图。

图1b为本发明实施例中木材表面积纤维通道微观示意图。

图2为本发明实施例中一种大密度各向导电异性金属化木材的制备方法流程示意图。

图3a为本发明实施例中制得的椴木-锡铋合金化木材在电子显微镜下椴木金属化木材表面形貌图。

图3b为本发明实施例中制得的椴木-锡铋合金化木材在电子显微镜下椴木金属化木材通道的形貌图。

图4a为本发明实施例中制得的松木-锡铋合金金属化木材在松电子显微镜下松木金属化木材表面形貌图。

图4b为本发明实施例中制得的松木-锡铋合金金属化木材在电子显微镜下松木金属化木材通道的形貌。

附图标记说明：1-真空烘箱，2-钢块，3-三角支架，4-木材，5-金属液，6-烧杯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

如图1～3所示，本实施例制备的是椴木-锡铋合金化木材，制备步骤如下：

步骤(1)：采用的木材和金属分别为椴木、熔点138℃的锡铋合金。把椴木切成35mm*35mm*5mm的规格，放在烧杯内，加入40ml质量分数5％的稀氨水，用塑料薄膜封盖烧杯口防止挥发，加热到80℃保温五个小时，洗去木材纤维结构中的木质素。取出预处理完毕的木材，放入烘箱内，并用平整的钢块压在木材上表面，防止木材烘干时变形，然后将烘箱温度调整到100℃，烘烤2h取出烘干的木材待用。

步骤(2)：把锡铋合金(锡42％，铋58％)放在烧杯内，烘箱的温度调整到180℃，等待金属全部熔化。同时在烘箱内预热一块能放进烧杯内的三角支架和一块重物钢块。

步骤(3)：金属完全熔化后在180℃下保温30分钟，保证金属有良好的流动性。三角支架预热到180℃保证其放进金属液体内时不会因为温度过低而让金属液体凝固。完成上述之后开始渗透。将木材放进金属液体里，将支架卡在木材上，支架顶部压上重物钢块，使木材沉入金属液面下。真空烘箱抽真空，负压保持在-3000kpa，在温度180℃，压强-3000kpa下渗透15分钟。

步骤(4)：渗透完成后，打开真空烘箱，取出木材刮去木材表面多余的金属，等待金属冷却。为了渗透效果更好，将金属化的木材再次放进金属液体里重复上面的步骤得到密度较大的金属化的木材，如图2。

渗透结束其密度如下：

木材规格35mm*35mm*5mm，合金熔点138℃

实施例2

本实施例需要制备的是松木-锡铋合金化木材，所采用的制备方法与实施例1基本相同，唯不同的是：

采用的松木和熔点为180℃锡62％铋38％的合金为原料。金属熔点变高，真空烘箱的温度需要保持在220℃，为了使锡铋合金有更好的流动性，保温时间需要提高到1个小时。得到的松木-锡铋合金金属化木材如图3所示。

得到其密度变化如下：

木材规格35mm*35mm*5mm、熔点：180℃