一种颜色可控木合金复合材料及其制备方法

1.本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种颜色可控木合金复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.颜色是评价产品表面性质以及品质的重要指标，是木质产品加工增值的重要影响因子。同时材色也是决定消费者对木制品印象的直接要素，是产品生产与设计中最生动、最活跃的因素。浅色木材给人明快和活泼的感觉，而深色木材给人典雅和高贵的精神感受。根据相关市场统计数据分析，大多数的消费者更加偏好购买深色材产品。这种购买偏好在一定程度上影响着浅色材的应用，目前，人工林的利用频率呈上升趋势，而这种速生材往往是浅色材，不能满足市场的需求。因此，对于木材颜色的调控显得尤为重要。
3.对木材进行染色，通常的方法是利用化学染料与木材发生反应，但所用染料存在耐光性差，色牢度低，生物降解性低，有毒等问题，而基于铋化合物的黄色颜料具有一些吸引人的颜色性质和较高的太阳反射率，并且没有传统黄色颜料中常有的pb、cr、cd等，具有环保性。此外，氧化铋作为一种先进的功能材料，不仅可以用于制备铋黄颜料、还应用于阻燃材料等。以氧化铋为桥梁，在木材组分中引入新的发色基团和助色基团，改变和调整木材的颜色，能够达到均匀美观、耐久和环保的目标。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种颜色可控木合金复合材料及其制备方法，该方法采用温压成形工艺，无需添加任何化学粘结剂，成本低廉、操作简单、具有环保性、易于实现大规模的生产与推广，同时实现了对木材颜色的优化与调控，以及耐光耐火性能的提升；制备得到的木合金复合材料可替代珍贵木材制备高档汽车内饰件(如饰条、操纵杆手柄、仪表面板)等，具有良好的颜色性能和力学性能。
5.为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种颜色可控木合金复合材料，所述木合金复合材料由木质粉末、椰壳纤维、氧化铋粉末、氧化钛粉末四种组分复合而成，各组分按质量百分比计：木质粉末50％～85％，椰壳纤维4％～10％，氧化铋粉末10％～35％，氧化钛粉末1％～5％。
7.进一步地，所述木质粉末种类是浅色速生树种，来源于林业采伐、制材、加工剩余物，经粉碎、过筛获得，经干燥后控制含水量为8％～10％，选取其粒度≤0.18mm，以及≤0.425mm。
8.进一步地，所述选取的粒度≤0.18mm和粒度≤0.425mm的木质粉末按100：0、75：25、50：50、25：75或0：100五个比例配制。
9.进一步地，所述椰壳纤维取自椰子壳，经水浸泡6-8h后干燥至含水量为8％～10％，选取其长度为50～100mm。
10.进一步地，所述氧化铋粉末为纳米氧化铋，其粒度≤300nm。
11.进一步地，所述氧化钛粉末为纳米氧化钛，其粒度≤300nm。
12.一种颜色可控木合金复合材料的制备方法，具体制备步骤如下：
13.步骤1，木质粉末的预处理：将浅色木刨花碎料进行破碎、过筛和干燥工序，然后经干燥后控制含水率至8％～10％，备用；
14.步骤2，金属氧化物粉末预处理：将上述质量比例的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别置于高速剪切分散仪中进行分散，时间为25～30min，对超细粉体进行分散消除团聚；
15.步骤3，椰壳纤维预处理：将椰子壳经水浸泡6～8h，干燥至含水量为8％～10％，选取其长度为50～100mm，备用；
16.步骤4，原料的混合：将经步骤1处理后的木质粉末和步骤2处理后的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别按上述质量百分比由轻到重依次置于二维运动搅拌混料机中，通过旋转强力搅拌混合15～30min，获得均匀混合料；
17.步骤5，模具润滑：将硬脂酸锌溶于纯酒精中制得酒精溶液，比例为1g：10ml，再用细软且不易脱毛的毛刷蘸取酒精溶液刷涂模具型腔与上下模冲工作面，待酒精挥发后留下硬脂酸锌薄膜；
18.步骤6，原料铺装：将步骤4所得混合料与步骤3所得椰壳纤维分多层交替放入刚性成形模内，其中最底层和最顶层为混合料，先将模具和下模冲摆放于压膜机的正中央，将混合料和椰壳纤维依次平行紧凑铺装于成形模的模腔内，获得铺装料等待成形；铺装厚度根据使用要求和成形工艺要求确定；
19.步骤7，模压成形：对于步骤6所述铺装料进行模压成形，获得长方形截面、正方形截面或圆形截面的木合金复合材料，温压成形的主要工艺参数包括：成形压力70～80mpa，成形温度100～160℃，保温保压时间20～30min；冷却条件为空冷。
20.进一步地，所述步骤7中模压成形为热还原高压成形，成形过程中伴有木质粉末的脱水碳化，以及碳化生成的活性炭与纳米氧化铋发生的还原反应。
21.本发明的有益效果是：(1)本发明通过调节纳米氧化铋的含量及其在成形过程中的原位还原程度提供一种颜色可控木合金复合材料，其密度为1.76～2.17g/cm3，颜色稳定可控、耐久耐光，可仿珍稀天然木材颜色；力学性能优良，可替代珍贵木材制备的高档汽车内饰件(如饰条、操纵杆手柄、仪表面板)等；
22.(2)本发明以木质粉末为基材，主要作用是以天然木质材料中的木质素为粘结剂使微观各向异性的粉末颗粒塑化成宏观各向同性的优质复合材，使得速生林业剩余物得到了充分利用，提升了林业剩余物的附加值，变废为宝；
23.(3)本发明利用氧化铋吸引人的颜料性质和阻燃性质，通过加入纳米级的氧化铋，一方面利用纳米级氧化铋的弥散强化与木质粉末的协同作用，促进木合金强韧化；另一方面利用高压热还原成形中的木质粉末碳化生成的活性炭与氧化铋的协同作用，在适当的温度范围内使得木质粉末发生轻微碳化并与金属氧化物发生原位还原，由此调控木材的颜色，并使木合金具有金属色泽，这提升了木合金颜色的均匀性，改善了耐久耐火性；
24.(4)本发明利用氧化钛高效的紫外线屏蔽能力和良好的光催化功能，通过加入纳米级的氧化钛，进一步提高木合金表面颜色的光稳定性，从而减少木合金表面由于光辐射发生的光致变色，并使得木合金具有净化空气的功能；
25.(5)本发明利用纤维强化机理，通过加入椰壳纤维，利用基体与纤维的粘结作用以
及基体与纤维之间的摩擦力，提升了木合金复合材料的强度等力学性能。
附图说明
26.图1为实施例1-5和对比例1-2样品示意图。
具体实施方式
27.为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
28.下述实施例中木质粉末种类是浅色速生树种，浅色速生树种采用杨木、松木等任意一种或几种的混合物，来源于林业采伐、制材、加工剩余物。
29.实施例1：
30.一种颜色可控木合金复合材料，所述木合金复合材料由木质粉末、椰壳纤维、氧化铋粉末、氧化钛粉末四种组分复合而成，各组分按质量百分比计：木质粉末85％，椰壳纤维4％，氧化铋粉末10％，氧化钛粉末1％。
31.一种颜色可控木合金复合材料的制备方法，具体制备步骤如下：
32.步骤1，木质粉末的预处理：将浅色木刨花碎料进行破碎、过筛和干燥工序，然后经干燥后控制含水率至8％，选取其粒度≤0.18mm的杨木粉末，并剔除杂质，备用；
33.步骤2，金属氧化物粉末预处理：将上述质量比例的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别置于高速剪切分散仪中进行分散，时间为25min，对超细粉体进行分散消除团聚，所述氧化铋粉末为纳米氧化铋，其粒度≤300nm；所述氧化钛粉末为纳米氧化钛，其粒度≤300nm；
34.步骤3，椰壳纤维预处理：将椰子壳经水浸泡6h，干燥至含水量为10％，选取其长度为50～70mm，备用；
35.步骤4，原料的混合：将经步骤1处理后的木质粉末和步骤2处理后的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别按上述质量百分比由轻到重依次置于二维运动搅拌混料机中，通过旋转强力搅拌混合15min，获得均匀混合料；
36.步骤5，模具润滑：将硬脂酸锌溶于纯酒精中制得酒精溶液，比例为1g：10ml，再用细软且不易脱毛的毛刷蘸取酒精溶液刷涂模具型腔与上下模冲工作面，待酒精挥发后留下硬脂酸锌薄膜；
37.步骤6，原料铺装：将步骤4所得混合料与步骤3所得椰壳纤维分多层交替放入刚性成形模内，其中最底层和最顶层为混合料，先将模具和下模冲摆放于压膜机的正中央，将混合料和椰壳纤维依次平行紧凑铺装于成形模的模腔内，获得铺装料等待成形；铺装厚度根据使用要求和成形工艺要求确定；
38.步骤7，模压成形：对于步骤6所述铺装料进行模压成形，获得长方形截面、正方形截面或圆形截面的木合金复合材料，温压成形的主要工艺参数包括：成形压力80mpa，成形温度100℃，保温保压时间30min；冷却条件为空冷。
39.实施例2：
40.一种颜色可控木合金复合材料，所述木合金复合材料由木质粉末、椰壳纤维、氧化铋粉末、氧化钛粉末四种组分复合而成，各组分按质量百分比计：木质粉末50％，椰壳纤维
10％，氧化铋粉末35％，氧化钛粉末5％。
41.一种颜色可控木合金复合材料的制备方法，具体制备步骤如下：
42.步骤1，木质粉末的预处理：将浅色木刨花碎料进行破碎、过筛和干燥工序，然后经干燥后控制含水率至10％，选取其粒度≤0.18mm，以及≤0.425mm，选取的粒度≤0.18mm和粒度≤0.425mm的木质粉末按75：25比例配制，并剔除杂质，备用；
43.步骤2，金属氧化物粉末预处理：将上述质量比例的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别置于高速剪切分散仪中进行分散，时间为30min，对超细粉体进行分散消除团聚，所述氧化铋粉末为纳米氧化铋，其粒度≤300nm；所述氧化钛粉末为纳米氧化钛，其粒度≤300nm；
44.步骤3，椰壳纤维预处理：将椰子壳经水浸泡8h，干燥至含水量为8％，选取其长度为60～100mm，备用；
45.步骤4，原料的混合：将经步骤1处理后的木质粉末和步骤2处理后的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别按上述质量百分比由轻到重依次置于二维运动搅拌混料机中，通过旋转强力搅拌混合30min，获得均匀混合料；
46.步骤5，模具润滑：将硬脂酸锌溶于纯酒精中制得酒精溶液，比例为1g：10ml，再用细软且不易脱毛的毛刷蘸取酒精溶液刷涂模具型腔与上下模冲工作面，待酒精挥发后留下硬脂酸锌薄膜；
47.步骤6，原料铺装：将步骤4所得混合料与步骤3所得椰壳纤维分多层交替放入刚性成形模内，其中最底层和最顶层为混合料，先将模具和下模冲摆放于压膜机的正中央，将混合料和椰壳纤维依次平行紧凑铺装于成形模的模腔内，获得铺装料等待成形；铺装厚度根据使用要求和成形工艺要求确定；
48.步骤7，模压成形：对于步骤6所述铺装料进行模压成形，获得长方形截面、正方形截面或圆形截面的木合金复合材料，温压成形的主要工艺参数包括：成形压力70mpa，成形温度160℃，保温保压时间20min；冷却条件为空冷，所述模压成形为热还原高压成形，成形过程中伴有木质粉末的脱水碳化，以及碳化生成的活性炭与纳米氧化铋发生的还原反应。
49.实施例3：
50.一种颜色可控木合金复合材料，所述木合金复合材料由木质粉末、椰壳纤维、氧化铋粉末、氧化钛粉末四种组分复合而成，各组分按质量百分比计：木质粉末70％，椰壳纤维6％，氧化铋粉末20％，氧化钛粉末4％。
51.一种颜色可控木合金复合材料的制备方法，具体制备步骤如下：
52.步骤1，木质粉末的预处理：将浅色木刨花碎料进行破碎、过筛和干燥工序，然后经干燥后控制含水率至9％，选取其粒度≤0.18mm，以及≤0.425mm，选取的粒度≤0.18mm和粒度≤0.425mm的木质粉末按50：50比例配制，备用；
53.步骤2，金属氧化物粉末预处理：将上述质量比例的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别置于高速剪切分散仪中进行分散，时间为28min，对超细粉体进行分散消除团聚，所述氧化铋粉末为纳米氧化铋，其粒度≤300nm；所述氧化钛粉末为纳米氧化钛，其粒度≤300nm；
54.步骤3，椰壳纤维预处理：将椰子壳经水浸泡7h，干燥至含水量为9％，选取其长度为60～80mm，备用；
55.步骤4，原料的混合：将经步骤1处理后的木质粉末和步骤2处理后的氧化铋粉末和氧化钛粉末分别按上述质量百分比由轻到重依次置于二维运动搅拌混料机中，通过旋转强
力搅拌混合25min，获得均匀混合料；
56.步骤5，模具润滑：将硬脂酸锌溶于纯酒精中制得酒精溶液，比例为1g：10ml，再用细软且不易脱毛的毛刷蘸取酒精溶液刷涂模具型腔与上下模冲工作面，待酒精挥发后留下硬脂酸锌薄膜；
57.步骤6，原料铺装：将步骤4所得混合料与步骤3所得椰壳纤维分多层交替放入刚性成形模内，其中最底层和最顶层为混合料，先将模具和下模冲摆放于压膜机的正中央，将混合料和椰壳纤维依次平行紧凑铺装于成形模的模腔内，获得铺装料等待成形；铺装厚度根据使用要求和成形工艺要求确定；
58.步骤7，模压成形：对于步骤6所述铺装料进行模压成形，获得长方形截面、正方形截面或圆形截面的木合金复合材料，温压成形的主要工艺参数包括：成形压力75mpa，成形温度135℃，保温保压时间25min；冷却条件为空冷。
59.实施例4：
60.实施例4与实施例1的不同之处在于，在步骤7中成形温度为160℃，其他内容与实施例1相同。
61.实施例5：
62.实施例5与实施例2的不同之处在于，在步骤7中成形温度为100℃，其他内容与实施例2相同。
63.对比例1：
64.本对比例1目的是探究木质粉末碳化生成的活性炭与氧化铋具有正向协同作用时的适宜温度范围。本对比例1与实施例1和实施例4的不同之处在于，在步骤7中成形温度为180℃，其他内容与实施例1和实施例4相同。
65.根据公式计算本对比例1与实施例4的总色差值δe*＝7，人眼的视觉感觉差异不大，但木合金的强度损失却很大，在本对比例温度下活性炭虽然能与金属氧化物发生很好的原位还原反应，但木质粉末碳化严重，不适于用来生产。
66.上述公式中l0*，a0*，b0*是实施例4的颜色参数，l*，a*，b*是对比例1的颜色参数。
67.对比例2：
68.本对比例2主要探究适宜含量对纳米级氧化铋的弥散强化与木质粉末协同作用的影响。本对比例2与实施例5的不同之处在于，各组分质量百分比分别为：木质粉末40％，椰壳纤维9％，氧化铋粉末50％，氧化钛粉末1％。其他内容与实施例5相同。
69.本对比例2的总色差与实施例5相比δe*＝3.46，差异很小，说明在实施例5中压坯颜色已经趋于饱和，过度增加氧化铋含量对其颜色基本无影响，且容易造成原材料的浪费；本对比例2的力学性能相较于实施例5有所下降。适当含量的氧化铋与基体相容性较好，能够通过分子链之间的能量传递，减缓应力集中的发生；过量加入氧化铋后，粒子间容易发生团聚，造成不均匀分散在基体中，导致应力集中，力学性能下降。
70.将上述实施例1-5以及对比例1-2制备得到的木合金复合材料用于高档汽车内饰件或高档家具制品，检测其物理力学性能，检测结果如表1所示。
71.表1
[0072][0073]
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用本发明。熟悉本领域的技术人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。