一种抗菌、抗紫外线木材的制备方法及所得产物的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种抗菌、抗紫外线木材的制备方法，包括依次用木材浸渍液A和木材浸渍液B对木材进行浸渍处理，所述木材浸渍液A为锌盐的水溶液，所述木材浸渍液B为碱的水溶液。本发明还提出该制备方法制得的材料。本发明提出的木材处理工艺，利用湿化学方法在木材内部原位生成纳米氧化锌，纳米颗粒与木材成分之间的结合力较强，不易流失，改性效果持久。本木材处理方法不但能赋予木材优良的抗菌性能、抗紫外线性能，同时具有较好的热稳定性。
【专利说明】
一种抗菌、抗紫外线木材的制备方法及所得产物
技术领域
[0001] 本发明属于木材的加工和保存领域，具体涉及一种木材抗菌和抗紫外线的处理方 法。
【背景技术】
[0002] 木材是一种天然材料，木材及其制品广泛应用于室内装修、家具制造、房屋建筑及 外部装饰中，但木材本身的成分及其结构导致木材具有吸湿性，容易产生干缩湿涨、变形开 裂，容易受到细菌、霉菌的侵蚀而腐朽，同时在紫外线照射下，容易产生降解变色，这些都影 响木材的使用效果，降低木材的使用寿命，因此对木材进行抗菌、抗紫外线处理对延长木材 使用寿命、提高木材使用价值、节约木材资源以及增加木材附加值有重要意义。
[0003] 目前木材抗菌处理的主要材料以有机抗菌剂为主(如五氯苯酚），然而有机抗菌剂 耐热性差，仅对部分菌种具有抑菌作用，此外还存在安全性和环境污染等问题。近年来无机 抗菌剂得到了较多研究，具有良好的持续性和广谱性，而且安全无毒、耐热性好，例如二氧 化钛，但其前驱体主要为具有毒性的有机物，这给生产者带来了较大安全隐患。与之相比， 氧化锌以合成工艺简单且安全无毒而被广泛应用于多种领域，而且氧化锌能够吸收紫外 线，提高材料的抗紫外线性能。因此，将氧化锌应用于木材处理更具有优越性。
[0004] 如公开号为CN103481345A的专利公开了一种微波水热合成氧化锌纳米结构改性 木材的方法。将乙酸锌-醇溶液与氢氧化钠-醇溶液搅拌均匀，乙酸锌与氢氧化钠的摩尔比 为1:1-5，制得氧化锌晶种胶体溶液，随后将木材浸于此溶液中保持6-48小时，最后将木材 烘干处理，重复1-5次，得到表面生长有氧化锌晶种的木材;将锌盐水溶液与氨源水溶液按 锌盐与氨源摩尔比1:1-5的比例混合，然后将共混液超声分散5-30分钟，再将共混液移入微 波消解罐中，并将得到的表面生长有氧化锌晶种的木材浸入到共混液中，在1000-1500W的 微波辐射、水热温度为40_120°C的条件下进行微波水热反应10-90分钟，冷却后取出木材， 真空干燥，得到表面原位生长氧化锌纳米结构的木材。此种方法得到的改性木材表面性能 优良，但工艺复杂，并且只是对木材表面进行了改性，表层容易破损而失去改性效果。
[0005] 公开号为CN103302710A的专利公开了一种木材纳米复合防腐剂的制备方法，主要 是利用纳米球磨机将氧化铜与氧化锌粉体进行球磨，并加入分散剂柠檬酸铵和氢氧化钠水 溶液，并利用介质氧化错小球放入精磨纳米球磨机的研磨缸中，以3500r/min-4000r/min转 速研磨2-2.5小时，得到悬浮液，取出后超声分散30-40分钟，即得到木材纳米复合防腐剂。
[0006] 公开号为CN105128117A的专利公开了一种紫外遮蔽剂，主要成分为纳米氧化锌、 堇青石和聚硅氧烷-15,并利用此紫外遮蔽剂与硅烷偶联剂复合改性纤维，制成的防晒纤维 板防晒抗老化性能佳，延长了使用寿命，同时产品稳定性好，可以用作户外，还可用作汽车 内饰、包装、家具等行业。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足之处，本发明提出一种抗菌、抗紫外线木材及其制备方法。用 本发明制备的抗菌、抗紫外线木材不但具有广谱抗菌性，抗菌效果好、持久，而且抗紫外线 效果优良。本发明制备方法简单，成本低廉、无污染，处理温度低，节省能耗，并且制备的木 材热稳定性好。
[0008] 本发明的另一个目的是提出制备方法制得的材料。
[0009] 实现本发明目的的具体技术方案为：
[0010] -种抗菌、抗紫外线木材的制备方法，其包括依次用木材浸渍液A和木材浸渍液B 对木材进行浸渍处理，所述木材浸渍液A为锌盐的水溶液，所述木材浸渍液B为碱的水溶液。
[0011] 本方法中，所述木材可选用任何木材，其来源不受限制，如杨木、桦木、楠木、桉木、 杉木、松木等，待处理的木材的含水率可以为5-15%。
[0012] 进一步地，所述木材浸渍液A为浓度0.2-1. Omol/L的锌盐的水溶液，所述锌盐为硝 酸锌、氯化锌、硫酸锌、柠檬酸锌中的一种或几种
[0013] 其中，所述木材浸渍液B为浓度0.2-0.8mol/L的碱的水溶液，所述碱为氨水或氢氧 化钠。
[0014] 本发明所述的制备方法，优选地，包括步骤：
[0015] 1)用木材浸渍液4处理木材，处理温度为10-30°(：，先于真空度0.08-0.101〇^条件 下浸渍处理10-30分钟，再于常压下浸渍30-120分钟；
[0016] 2)用木材浸渍液B对木材进行浸渍处理，在温度10-30°C条件下充分反应12-60小 时。
[0017] 3)将步骤2)处理后的木材进行低温干燥处理，干燥的温度为50-80°C，时间为60- 80小时。
[0018]更优选地，步骤2)中，用木材浸渍液B对木材进行浸渍处理，在温度20-30°C条件下 充分反应30-50小时。
[0019] 进一步地，所述步骤2)中，浸渍处理后用水浸泡或冲洗木材，直至浸泡的水或冲洗 的出水为中性。
[0020] 其中，所述步骤3)中，干燥的温度为55-70°C，时间为70-75小时。更优选干燥时间 为72小时。
[0021 ]本发明所述的制备方法制备得到的材料。
[0022]本发明的有益效果在于：
[0023](一）用本发明提出的木材处理工艺是利用湿化学方法在木材内部原位生成纳米 氧化锌，纳米颗粒与木材成分之间的结合力较强，不易流失，改性效果持久。
[0024](二）本发明提出的木材处理工艺不但能赋予木材优良的抗菌性能、抗紫外线性 能，同时具有较好的热稳定性。木材内部固着的氧化锌是将自然界的光能转换为化学反应 所需要的能量，与细菌直接发生化学反应时，不仅能分解细菌产生的内毒素，而且能将其有 机营养基质彻底矿化，从而达到分解、破坏细菌结构的目的，灭菌过程实现自清洁，对环境 无污染，并具有灭菌和抑菌等多种效应，不仅环保，而且节省能耗。并且，氧化锌能够吸收紫 外线，能够保护木材成分的降解、变色等。
[0025](三)本发明提出木材处理工艺简单，节能环保，高效易控制，同时不同于传统的木 材表面处理，而是有效成分深入到木材内部，木材经后期二次加工不会破坏其抗菌、抗紫外 线性能。
【附图说明】
[0026]图1为对照例的扫描电镜照片。
[0027]图2为实施例1的扫描电镜照片。
[0028]图3为实施例2的扫描电镜照片。
[0029] 图4为对实施例1-3和对照例的木材进行X射线衍射检测的图谱。
【具体实施方式】
[0030] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0031 ]实施例中，若无特别说明，所使用的方法均为本领域常规的方法。
[0032]以下实施例和对照例中所处理的木材采用杨木，来源于北京，制成尺寸为30mm(T， 弦向）X 10mm(R，径向）X 100mm(L，顺纹)杨木木块，含水率7%-9%。
[0033] 实施例1
[0034] 1、制备木材浸渍液
[0035]浸渍液A:将硝酸锌加入到蒸馏水中，搅拌至充分溶解，制得木材浸渍液A;其中硝 酸锌溶液的物质的量分数为〇. 6mol/L。
[0036]浸渍液B:配置氢氧化钠溶液，物质的量分数为0.4mol/L。
[0037] 2、木材浸渍处理
[0038] 将制好的木块置于装有浸渍液A的真空加压罐中，并浸泡在木材浸渍液中，连接好 抽真空设备，抽真空，对木材进行减压浸渍处理，使木材吸附浸渍液A，制得浸渍木材;其中 减压浸渍处理过程为的温度为20°C，真空度为0.095Mpa，时间为20分钟，再于常压下浸渍 120分钟。
[0039] 3、固化处理
[0040] 将浸渍木材浸泡于浸渍液B中，进行固化反应。浸渍液A与B中的有效成分会充分接 触并发生反应;其中固化处理温度为20°C，时间为48小时。随后将木块取出，浸泡于蒸馏水 中，并不断换水，直至蒸馏水呈现中性。
[0041 ] 4、干燥处理
[0042]将固化反应后的木材放入干燥箱中进行干燥处理；其中干燥处理的温度为60°C， 时间为72小时。
[0043]对比实施例
[0044] 1、制备木材浸渍液
[0045] 浸渍液A:将硝酸锌加入到蒸馏水中，搅拌至充分溶解，制得木材浸渍液A;其中硝 酸锌溶液的物质的量分数为〇. 6mol/L。
[0046] 浸渍液B:配置氢氧化钠溶液，物质的量分数为0.4mol/L。
[0047] 2、木材浸渍处理
[0048] 减压浸渍处理过程的温度为20°C，真空度为0.095Mpa，时间为20分钟，再于常压下 浸渍20分钟。
[0049] 其他操作同实施例1。
[0050] 通过扫描电镜的观察，观察到本试验制得的木材内部氧化锌分布不均。其原因可 能是浸渍处理时间过短，造成锌盐溶液渗透不完全，影响了改性效果。
[0051 ] 实施例2 [0052] 1、制备木材浸渍液
[0053] 浸渍液A:将硝酸锌加入到蒸馏水中，搅拌至充分溶解，制得木材浸渍液A;其中硝 酸锌溶液的物质的量分数为1. 〇mol/L。
[0054] 浸渍液B:配置氢氧化钠溶液，物质的量分数为0.4mol/L。
[0055] 2、木材浸渍处理
[0056] 将制好的木块置于装有浸渍液A的真空加压罐中，并浸泡在木材浸渍液中，连接好 抽真空设备，抽真空，对木材进行减压浸渍处理，使木材吸附浸渍液A，制得浸渍木材;其中 减压浸渍处理过程为的温度为20°C，真空度为O.OSMpa，时间为30分钟，再于常压下浸渍120 分钟。
[0057] 3、固化处理
[0058] 将浸渍木材浸泡于浸渍液B中，进行固化反应。浸渍液A与B中的有效成分会充分接 触并发生反应;其中固化处理温度为20°C，时间为48小时。随后将木块取出，浸泡于蒸馏水 中，并不断换水，直至蒸馏水呈现中性。
[0059] 4、干燥处理
[0060]将固化反应后的木材放入干燥箱中进行干燥处理；其中干燥处理的温度为60°C， 时间为72小时。
[0061 ] 实施例3 [0062] 1、制备木材浸渍液
[0063]浸渍液A:将硝酸锌加入到蒸馏水中，搅拌至充分溶解，制得木材浸渍液A;其中硝 酸锌溶液的物质的量分数为〇. 6mol/L。
[0064]浸渍液B:配置氨水溶液，质量分数为25%。
[0065] 2、木材浸渍处理
[0066] 将制好的木块置于装有浸渍液A的真空加压罐中，并浸泡在木材浸渍液中，连接好 抽真空设备，抽真空，对木材进行减压浸渍处理，使木材吸附浸渍液A，制得浸渍木材;其中 减压浸渍处理过程为的温度为20°C，真空度为0.095Mpa，时间为20分钟，再于常压下浸渍 120分钟。
[0067] 3、固化处理
[0068] 将浸渍木材浸泡于浸渍液B中，进行固化反应。浸渍液A与B中的有效成分会充分接 触并发生反应;其中固化处理温度为20°C，时间为60小时。随后将木块取出，浸泡于蒸馏水 中，并不断换水，直至蒸馏水呈现中性。
[0069] 4、干燥处理
[0070]将固化反应后的木材放入干燥箱中进行干燥处理；其中干燥处理的温度为60°C， 时间为72小时。
[0071]对照例
[0072]采用未经处理的杨木木块作为对照例。
[0073]试验例1抗菌、抗紫外线木材增重率测定试验
[0074] 1、将实施例1-3的处理前的杨木木块置于干燥箱内，干燥至绝干，称重(记为Wu);
[0075] 2、将实施例1-3制备的木材分别称重(记为Wt);
[0076] 3、按照如下公式计算木材增重率(WPG)测试：
[0078]测试结果见表1。
[0079] 表1处理木材的增重率
[0081]表1的结果表明：本发明方法制备的抗菌、抗紫外线木材的增重率受锌盐浓度和浸 渍液B成分的影响，由于木材成分在碱性条件下会有部分降解，造成木材增重率有所降低， 但处理后的木材有一定的增重率，实验例3获得的增重率最大，可能是木材降解较少。
[0082]试验例2抗菌、抗紫外线木材扫描电镜检测
[0083] 实施例1、2处理木材及对照例的木材沿着横向切开，置于金属台上，喷金处理后置 于扫描电镜样品台上观测。然后采用扫描电镜（日立高新技术公司，S3400N)对样品微观结 构进行扫描、观察，结果见图1-3。
[0084]测试结果表明：
[0085]由图1可知，对照例中的木材横切面表明光滑，细胞结构明显，不存在纳米氧化锌 颗粒。而图2和3表明浸渍处理后的木材内部生成了较多花状的纳米氧化锌，并随着锌盐浓 度的增加，纳米颗粒增多。
[0086]试验例3X射线衍射分析
[0087]采用X射线衍射仪(布鲁克D8 Advance)对实施例1-3和对照例的木材进行X射线衍 射检测，分析材料中氧化锌在木材中结构形态。XRD图谱见图4。
[0088]结果表明，各木质材料在20为15.8°和22.1°附近均出现衍射极大峰，其分别为纤 维素（101)和(002)晶面的衍射峰。而3个实施例样品图谱除了具有纤维素衍射峰外，又出现 一系列新的衍射峰，均为纳米氧化锌的特征峰，说明在木材内部原位合成了纳米氧化锌，并 且随着锌盐含量的增加，生成的纳米氧化锌衍射强度逐渐增强。
[0089]试验例4抗菌性能检测
[0090] 采用抑菌圈法对实施例及对照例的木材进行抗菌性测试，其中菌种为大肠杆菌， 具体检测方法如下：
[0091] 将实施例1-3与对照例的木材切割成小木块，尺寸为5mm立方体，接着对其灭菌处 理，然后再紫外灯下照射〇. 5小时候分别放在涂有大肠杆菌的琼脂培养皿中，随后将培养皿 放置于培养箱内，37°C条件下24小时，最后测量抑菌圈直径。测试结果见表2。
[0092] 表2木材的抗菌性及抗紫外线性能
[0094]实验结果表明：随着纳米氧化锌含量的增加，木材的抗菌性显著增强。试验例5抗 紫外线性能检测
[0095]将样品放置于紫外箱中，在紫外灯照射下，通过测定样品表面颜色变化评估样品 对紫外线的抵抗能力。其中，用颜色测定设备(Dataflash llODatacolor)测试样品经过6周 紫外照射后表面明度变化（A L*)，红绿色度变化（A a*)，黄蓝色度变化（A b*)，按照如下公 式计算颜色变化（A E*):
[0097] 测试结果列于表2。
[0098]结果表明：与对照例相比，经过浸渍处理的木材颜色变化较小，随着锌盐浓度的增 加，纳米氧化锌负载量增加，木材的颜色变化也越小，说明木材的抗紫外线能力逐渐增强。 [0099]虽然，以上通过实施例对本发明进行了说明，但本领域技术人员应了解，在不偏离 本发明精神和实质的前提下，对本发明所做的改进和变型，均应属于本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种抗菌、抗紫外线木材的制备方法，其特征在于，包括依次用木材浸渍液A和木材 浸渍液B对木材进行浸渍处理，所述木材浸渍液A为锌盐的水溶液，所述木材浸渍液B为碱的 水溶液。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述木材浸渍液A为浓度0.2-1. Omol/ L的锌盐的水溶液，所述锌盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、柠檬酸锌中的一种或几种。3. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述木材浸渍液B为浓度0.2-0.8mol/ L的碱的水溶液，所述碱为氨水或氢氧化钠。4. 根据权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，包括步骤： 1) 用木材浸渍液A处理木材，处理温度为10-30°C，先于真空度0.08-0. lOMPa条件下浸 渍处理10-30分钟，再于常压下浸渍30-120分钟； 2) 用木材浸渍液B对木材进行浸渍处理，在温度10-30°C条件下充分反应12-60小时。 3) 将步骤2)处理后的木材进行低温干燥处理，干燥的温度为50-80°C，时间为60-80小 时。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，用木材浸渍液B对木材进行 浸渍处理，在温度20-30 °C条件下充分反应30-50小时。6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，浸渍处理后用水浸泡 或冲洗木材，直至浸泡的水或冲洗的出水为中性。7. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，干燥的温度为55-70 °C，时间为70-75小时。8. 权利要求1-7任一所述的制备方法制备得到的材料。
【文档编号】B27K5/04GK106003309SQ201610534895
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】董友明, 张世锋, 张伟, 陈慧, 李建章
【申请人】北京林业大学