一种人工木材及其制备方法与流程

本发明涉及人工木材技术领域，具体涉及一种人工木材及其制备方法。

背景技术：

木材的主要化学成分是构成木材细胞壁和胞间层的物质，由纤维素、半纤维素和木质素三种高分子化合物组成，一般总量占木材的90％以上。随着石油资源的快速消失和石化产品消耗以及引起的环境污染，使得全世界开始关注以木材为主的可再生的木质生物质资源。木材除了天然可再生外还有诸多优点，如木材易加工，强重比比一般的金属材料高，气干才是良好的热、电绝缘材料，木材有对紫外线吸收和对红外线反射的作用，并且木材是一种可以调温解湿的弹塑性材料。所以将来木材必将是未来材料学的研究重要课题。

但是木材主要还是用于造纸等传统工业，并且随着全球人口的增加，纸张的用量也大幅度的上升。

由于树木本身生长周期的问题，木材的再生利用也是重中之重。对于木质材料的纤维素、木质素等的分离技术已经成熟。所以利用纤维素和半纤维素等重新获得可利用的人工木材就非常重要。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种人工木材及其制备方法，以提供高比表的人工木材，代替木材的使用。

第一方面，本发明提供了一种人工木材，包括如下重量份的组份：纤维素35-50份，半纤维素20-35份，和木质素15-35份。

可选地，包括如下重量份的组份：纤维素42份，半纤维素27份，和木质素28份。

第二方面，本发明提供的制备所述人工木材的方法，通过从天然木材中提取木质素，并将木质素与纤维素以及半纤维素凝集在一起，从而形成所述人工木材。

可选地，包括如下步骤：

步骤S1、将所述纤维素、半纤维素和木质素按所需质量进行称量并混合形成木质纤维素；

步骤S2、将所述木质纤维素加入到离子液体中并加热搅拌使其溶解，获得木质纤维素离子液体分散液，其中，所述离子液体选自以下室温下的离子液体中的任意一种：1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-苄基-3-甲基咪唑氯盐和1-乙基-3-甲基咪唑磷酸酯盐，所述加热搅拌的温度为50℃-200℃，加热搅拌的时间为2h-24h；

步骤S3、将所述木质纤维素离子液体分散液使用水进行清洗置换，获得木质纤维素水凝胶，其中，所述水包括去离子水、蒸馏水或超纯水，所述清洗置换的次数为1-99次，每次置换时间为0.5h-99h；

步骤S4、对所述木质纤维素水凝胶进行干燥处理，获得所述的人工木材，其中，所述干燥处理包括临界点干燥、冷冻干燥或超临界干燥中的任意一种，所述干燥时间为1h-1000h。

由上述技术方案可知，本发明提供的人工木材，通过仿造木材的化学结构，将纤维素、半纤维素和木质素混合形成人工木材的原料，该人工木材具有较高的比表面积。同时本发明还提供了制备人工木材的方法，该制备方法操作简单，原料价格低廉，大大降低制备成本。本发明所提供的人工木材，为木质材料的循环利用创造了新的思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明实施例所提供的一种人工木材的制备方法的流程图；

图2示出了本发明实施例1所提供的人工木材的扫描电子显微镜图；

图3示出了本发明实施例1-3所提供的人工木材的应力-应变曲线图。

图4示出了本发明实施例4所提供的人工木材和天然木材的应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

本发明提供了一种人工木材，包括如下重量份的组份：纤维素35-50份，半纤维素20-35份，和木质素15-35份。

其中优选为包括如下重量份的组份：纤维素42份，半纤维素27份，和木质素28份。

图1示出了本发明实施例所提供的一种人工木材的制备方法的流程图。参见图1，本发明提供的制备所述人工木材的方法，通过从天然木材中提取木质素，并将木质素与纤维素以及半纤维素凝集在一起，从而形成所述人工木材。包括如下步骤：

步骤S1、将所述纤维素、半纤维素和木质素按所需质量进行称量并混合形成木质纤维素。

步骤S2、将所述木质纤维素加入到离子液体中并加热搅拌使其溶解，获得木质纤维素离子液体分散液。

其中，所述离子液体选自以下室温下的离子液体中的任意一种：1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-苄基-3-甲基咪唑氯盐和1-乙基-3-甲基咪唑磷酸酯盐。

其中，所述加热搅拌的温度为50℃-200℃，加热搅拌的时间为2h-24h。

步骤S3、将所述木质纤维素离子液体分散液使用水进行清洗置换，获得木质纤维素水凝胶。

其中，所述水包括去离子水、蒸馏水或超纯水。

其中，所述清洗置换的次数为1-99次，每次置换时间为0.5h-99h。

步骤S4、对所述木质纤维素水凝胶进行干燥处理，获得所述的人工木材。

其中，所述干燥处理包括临界点干燥、冷冻干燥或超临界干燥中的任意一种。

其中，所述干燥时间为1h-1000h。

本发明提供的人工木材，通过仿造木材的化学结构，将纤维素、半纤维素和木质素混合形成人工木材的原料，该人工木材具有较高的比表面积。同时本发明还提供了制备人工木材的方法，该制备方法操作简单，原料价格低廉，大大降低制备成本。本发明所提供的人工木材，为木质材料的循环利用创造了新的思路。

本发明制备的人工木材比表面积为284.7m²/g，密度低，材料能耗低，条件温和，易于操作。

本发明提供的人工木材在组织工程、控释系统、传感器、农业、水净化、色谱分析、超级高效隔热隔声材、生物医药，还可在高效可充电电池、超级电容器、催化剂及载体、过滤材料等有巨大的应用前景。

天然的木材由于木质素将纤维素、半纤维素结合起来使得其成为具有优异性能的木材，而本发明采用仿天然木材的化学结构合成具有高比表的人工木材，解决了制备高比表木质材料存在的能耗高和制作方法复杂的问题。

本发明所获得的人工木材，形状规整，呈浅褐色圆柱体，且无明显的破损与变形，表明这类高比表人工木材具有良好的成型能力。

图2示出了本发明实施例1所提供的人工木材的扫描电子显微镜图。参见图2，本发明提供的人工木材由交联的三维网络构成。

下面针对本发明提供的人工木材及其制备方法，提供了以下多个实施例。

实施例1

本实施例中，人工木材，包括如下重量份的组份：纤维素35份，半纤维素20份，和木质素15份。

本实施例通过如下制备方法制备人工木材：

1、将所述纤维素、半纤维素和木质素按所需质量进行称量并混合形成木质纤维素。

2、将所述木质纤维素加入到1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中并加热搅拌使其溶解，获得木质纤维素离子液体分散液。

其中，所述加热搅拌的温度为50℃，加热搅拌的时间为24h。

3、将所述木质纤维素离子液体分散液使用去离子水进行清洗置换，获得木质纤维素水凝胶。

其中，所述清洗置换的次数为1次，每次置换时间为99h。

4、对所述木质纤维素水凝胶进行临界点干燥处理，获得所述的人工木材。

其中，所述干燥时间为1h。

实施例2

本实施例中，人工木材，包括如下重量份的组份：纤维素38份，半纤维素23份，和木质素19份。

本实施例通过如下制备方法制备人工木材：

1、将所述纤维素、半纤维素和木质素按所需质量进行称量并混合形成木质纤维素。

2、将所述木质纤维素加入到1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中并加热搅拌使其溶解，获得木质纤维素离子液体分散液。

其中，所述加热搅拌的温度为90℃，加热搅拌的时间为18h。

3、将所述木质纤维素离子液体分散液使用蒸馏水进行清洗置换，获得木质纤维素水凝胶。

其中，所述清洗置换的次数为5次，每次置换时间为90h。

4、对所述木质纤维素水凝胶进行冷冻干燥处理，获得所述的人工木材。

其中，所述干燥时间为50h。

实施例3

本实施例中，人工木材，包括如下重量份的组份：纤维素42份，半纤维素27份，和木质素28份。

本实施例通过如下制备方法制备人工木材：

1、将所述纤维素、半纤维素和木质素按所需质量进行称量并混合形成木质纤维素。

2、将所述木质纤维素加入到1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐中并加热搅拌使其溶解，获得木质纤维素离子液体分散液。

其中，所述加热搅拌的温度为120℃，加热搅拌的时间为15h。

3、将所述木质纤维素离子液体分散液使用超纯水进行清洗置换，获得木质纤维素水凝胶。

其中，所述清洗置换的次数为40次，每次置换时间为80h。

4、对所述木质纤维素水凝胶进行超临界干燥处理，获得所述的人工木材。

其中，所述干燥时间为100h。

实施例4

本实施例中，人工木材，包括如下重量份的组份：纤维素44份，半纤维素29份，和木质素32份。

本实施例通过如下制备方法制备人工木材：

1、将所述纤维素、半纤维素和木质素按所需质量进行称量并混合形成木质纤维素。

2、将所述木质纤维素加入到1-苄基-3-甲基咪唑氯盐中并加热搅拌使其溶解，获得木质纤维素离子液体分散液。

其中，所述加热搅拌的温度为150℃，加热搅拌的时间为10h。

3、将所述木质纤维素离子液体分散液使用去离子水进行清洗置换，获得木质纤维素水凝胶。

其中，所述清洗置换的次数为60次，每次置换时间为12h。

4、对所述木质纤维素水凝胶进行临界点干燥处理，获得所述的人工木材。

其中，所述干燥时间为500h。

实施例5

本实施例中，人工木材，包括如下重量份的组份：纤维素50份，半纤维素35份，和木质素35份。

本实施例通过如下制备方法制备人工木材：

1、将所述纤维素、半纤维素和木质素按所需质量进行称量并混合形成木质纤维素。

2、将所述木质纤维素加入到1-乙基-3-甲基咪唑磷酸酯盐中并加热搅拌使其溶解，获得木质纤维素离子液体分散液。

其中，所述加热搅拌的温度为200℃，加热搅拌的时间为5h。

3、将所述木质纤维素离子液体分散液使用超纯水进行清洗置换，获得木质纤维素水凝胶。

其中，所述清洗置换的次数为99次，每次置换时间为0.5h。

4、对所述木质纤维素水凝胶进行超临界干燥处理，获得所述的人工木材。

其中，所述干燥时间为1000h。

针对本发明实施例1-3所制备的人工木材，分别取四个试样进行压缩试验性能研究，其具体参数见表1。

表1 实施例1-3所制备的人工木材的压缩试验性能

图3是本发明实施例1-3中所制备的人工木材的应力-应变曲线。参见图3并结合表1，可以看出，本发明的制备人工木材的方法，所制备获得的人工木材，普遍具有较高的比表面积。

对本发明所获得的人工木材和天然木材分别进行顺纹压缩试验，以对比二者的力学性能。取本发明实施例4所制备的人工木材和天然木材，人工木材和天然木材的横截面尺寸为16mm×16mm，长度为270mm，分别作为顺纹压缩试验试件。

木材顺纹压缩力学试验采用万能力学实验机，为了确保压杆稳定性，在万能力学实验机上配以顺纹压缩模具。为了获得试样的最大顺纹压缩率和比较合适的用于多维弯曲的顺纹压缩率，设定顺纹压缩速度为2mm/min，分别对人工木材和天然木材进行顺纹压缩。

试验数据采用回归分析法，利用统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式。通过图形数据分析软件包“S-PLUS”计算各阶段处理木材的应力、应变关系。

图4示出了本发明实施例4所提供的人工木材和天然木材的应力-应变曲线图。参见图4，通过测定人工木材和天然木材的应力和应变值，其对应的应力-应变曲线见图4。可以看出，人工木材压缩测试时在相同应变下总体表现出了比天然木材更高的应力，并且在测试过程时，在应变为1.5％左右时，天然木材出现了破裂，应变超过3％时已破损严重(测试结束)，而本发明的人工木材在整个测试过程中，没有发生明显的破损，可以看仿生木材的韧性明显高于天然木材。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。