一种高强度、阻燃、环保木材及其制备方法

1.本发明涉及木材改性和高强度、阻燃木材制造技术，尤其涉及一种高强度、阻燃、环保木材及其制备方法。


背景技术：

2.木材作为一种天然可再生资源被广泛应用于各个领域。近年来，随着我国对木材需求的日益增长和天然林资源的匮乏,速生木材作为硬质木材的替代品越来越受到人们的关注。但速生木材存在密度低、材质疏松、力学性能欠佳等不足，难以用于制造高附加值产品,因此需要对其进行改性增强处理。速生木材具有大量的孔隙和活性官能团，通过浸渍改性不仅可提高其密度和力学强度，还能赋予速生木材新的功能，进而提升其使用价值。
3.有机-无机复合改性速生木材的形式主要有两种，一种是有机组分与无机组分之间没有化学键的接合，当诸如具有增强、阻燃、防腐等功能性的无机组分单独使用时，通常是以物理沉淀、吸附等方式固定在木材孔隙中，易发生流失而降低其功效。第二种是使用偶联剂，在有机组分和无机组分之间形成化学键，从而实现木材-有机材料-无机材料的良好结合性以及优良的性能。偶联剂的使用可以将有机和无机界面有效的结合，但是木材压缩变化情况下，偶联剂的使用将降低复合材料的强度。另一方面，水解后的偶联剂闪电低、易燃，将降低木材的阻燃性能。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高强度、阻燃、环保木材的制备方法。
5.本发明另一目的在于提供上述方法制备的高强度、阻燃、环保木材，所得木材具有良好的力学性能、环保和阻燃的特征。
6.本发明的目的通过下述方案实现：
7.一种高强度、阻燃、环保木材的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)木材的去木质素处理：将木块放到强碱溶液中，再进行木质素去除，持续在在沸腾强碱溶液中加热10～36h，在完成脱木质素步骤后，在加热条件下洗涤脱木质素木材；
9.(2)将脱木质素木材先在无机水溶液中进行浸泡10-300秒，烘干水分；再将得到的木材在有机水溶液进行浸泡，烘干水分；
10.或者，将脱木质素木材先在有机水溶液中进行浸泡10-300秒，烘干水分；再将得到的木材在进行无机水溶液浸泡，烘干水分；
11.(3)将步骤(2)得到的木材进行热压处理；
12.(4)重复步骤(2)和(3)，重复方式包括：重复步骤(2)2～4次后再进行操作步骤(3)，或者直接进行步骤(2)、(3)后，再重复步骤(2)、(3)，重复2～4次；
13.(5)将步骤(4)所得样品干燥处理。
14.步骤(1)中所述强碱溶液为naoh、na2so3中的至少一种；所述的强碱溶液优选为
naoh和na2so3以体积比为1：1混合而成，其中naoh浓度为2.5～6mol/l，na2so3浓度为0.4～10mol/l；
15.步骤(1)中所述加热条件为95～100℃，所述洗涤为用蒸馏水分三次洗涤脱木质素木材且每次洗涤时长为1h，该实验的步骤是为了除去一些在木材表面的残余碱溶液以及木质素盐，避免其对复合过程造成影响；
16.步骤(2)中所述有机高分子包括：壳聚糖、淀粉、阿拉伯胶、藻蛋白酸钠、骨粉、明胶、干酪素、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、聚乙二醇等有机材料的一种或多种；所述有机高分子的浓度范围为0-0.2mol/l；
17.步骤(2)中所述烘干水分是为了更充分浸渍另一种溶液；
18.步骤(2)中所述无机盐包括氯化钙，氯化铝，氯酸钾、氯酸钠、氯酸镁，氯化锌、氯化亚铁、氯化铁、氯化铜、氯化钡、氯化亚锡、氯化锡、氯化镍，氯化钴，硫酸钠，硫酸钾，硫酸镁、硫酸钙，硫酸锌，硫酸铜，硫酸钡，硫酸亚铁，硫酸铁，硫酸钡，硫酸铝，硫酸镍，硫酸钴，碳酸钠，碳酸钾，碳酸镁、碳酸钙，碳酸锌，碳酸铜，碳酸钡，碳酸亚铁，碳酸铁，碳酸钡，碳酸铝，碳酸镍，碳酸钴，硝酸钠，硝酸钾，硝酸镁、硝酸钙，硝酸锌，硝酸铜，硝酸钡，硝酸亚铁，硝酸铁，硝酸钡，硝酸铝，硝酸镍，硝酸钴，氯化铵，碳酸氢铵，硝酸铵等无机化合物中的一种或多种；
19.步骤(2)中所述无机溶液的浓度范围为0.001-5mol/l；
20.步骤(3)中所述热压条件是指压力机的压力范围为1-30mpa，压缩时间为1-24h，热压温度为20-100℃，木材所在空气湿度范围60％-99％；在有水蒸气情况下的热压，有少量水的存在会使得木材更紧密；
21.步骤(5)中所述干燥温度为60-120摄氏度，时间为3-24小时；
22.一种由上述方法制备得到的高强度、阻燃、环保木材。
23.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
24.(1)本发明反复浸润无机溶液(氯化钙)与有机物质(壳聚糖)实现无机-有机-无机-有机
……
交替的结构，通过钙离子与纤维素以及壳聚糖的氢键或者静电吸引作用从而达到更好的力学性能；本发明制备所得木材的特征为纤维素的纹理结构逐渐消失，是一种密实的块状材料，具有良好的力学性能、环保和阻燃的特征。其中，拉伸性能中，壳聚糖浸泡液的浓度为0.075mol/l时，最大拉伸强度为126mpa，最大弯曲强度为1.17mpa，使用本发明方法所得木材的强度比相同方法压缩的原始木材提升了2-10倍不等。
25.(2)本发明不使用偶合剂同样实现将无机-有机组分良好的结合效果，通过选择与木材表面以及金属离子可以键合的糖类有机组分以及选用合适的压缩条件的方法实现木材-有机材料-无机材料的结合，从而起到提高木材密度、改善木材的各项力学性能，进而达到综合性能提升的目的。
附图说明
26.图1为仅经过2mol/l cacl2浸泡处理，未经过有机物浸泡处理的木材中平行于纤维素面不同放大倍数的表征图，其中a图为放大1000倍的扫描电镜图，b图为放大500倍的扫描电镜图；
27.图2为仅经过2mol/l cacl2浸泡处理，未经过有机物浸泡处理的木材中垂直于纤维面的表征图，其中a图为放大1000倍的扫描电镜图，b图为放大500倍的扫描电镜图；
28.图3为经过2mol/l cacl2浸泡处理，再经过0.075mol/l壳聚糖处理下的木材中平行于纤维面的不同放大倍数的扫描电镜图，其中a图为放大1000倍的扫描电镜图，b图为放大500倍的扫描电镜图；
29.图4为经过2mol/l cacl2浸泡处理，再经过0.075mol/l壳聚糖处理下的木材中垂直于纤维面的表面扫描电镜图，其中a图为放大1000倍的扫描电镜图，b图为放大500倍的扫描电镜图。
具体实施方式
30.下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
31.实施例1
32.将天然木块浸入2.5mol/l氢氧化钠和0.4mol/l硫酸钠混合的沸腾水溶液中加热12小时，期间不定期加入等离子水，以去除天然木材中的木质素和半纤维素，然后浸入沸腾去离子水中数次以去除化学物质，并最后放入2mol/l的cacl2溶液中进行浸泡处理，烘干水分，取cacl2在2mol/l的浓度下处理后的木头在浓度为0.075mol/l的壳聚糖浸泡处理再烘干水分，重复cacl2和壳聚糖溶液处理3次后(注，最后一次壳聚糖处理不需要烘干)。热压处理：压力机压力为10mpa，压缩时间为24h，热压温度为70℃，木材所在空气湿度范围95％。烘干：烘箱温度为70℃，干燥6h得出成品。
33.实施例2-6
34.实施例2-6与实施例1中高强度、阻燃、环保木材的制备过程步骤相同，区别在于选用有机高分子不同。
[0035][0036]
实施例2-6以实施例1相比，选用高分子种类不同。从表中可以看出，选用高分子不同，材料的力学性能会有较大差异。
[0037]
实施例7-12
[0038]
实施例7-12与实施例1中高强度、阻燃、环保木材的制备过程步骤相同，区别在于选用壳聚糖的浓度不同。
[0039][0040]
实施例7-12以实施例1相比，选用壳聚糖浓度不同。从表中可以看出，选用壳聚糖浓度不同，材料的力学性能会有较大差异。
[0041]
图1和图2为木材经过脱木质素处理并且仅经过2mol/l cacl2浸泡处理，未经过有机物浸泡处理的木材的不同放大倍数的扫描电镜图，可见木材仅通过2mol/l cacl2浸泡处理的纤维素和半纤维素在经过化学以及物理处理后已经被破坏，并且有一定的无机化合物附着，但是其粘合度较低，排列不紧密，疏松多孔的形态，这也导致了在力学性能的测试上表现不佳。图1为仅经过2mol/l cacl2浸泡处理，未经过有机物浸泡处理的木材中平行于纤维素面能清晰的看到木质素和半纤维素成条状，疏松的排列在木材的表面，其表面的粗糙程度较高；图2为仅经过2mol/l cacl2浸泡处理，未经过有机物浸泡处理的木材中垂直于纤维面的表征图可以看到，木材中的纤维素和半纤维素在经过化学以及物理处理后纤维有一定的无机化合物附着，但是其粘合度较低，排列不紧密，疏松多孔的形态；
[0042]
图3和图4为木材经过脱木质素处理并且经过在2mol/l cacl2和0.075mol/l壳聚糖处理后木材的扫描电镜图，其中图3为经过2mol/l cacl2浸泡处理，再经过0.075mol/l壳聚糖处理下的木材中平行于纤维面的不同放大倍数的扫描电镜图，其表面紧密程度更高，表面较为平滑，图4为经过2mol/lcacl2浸泡处理，再经过0.075mol/l壳聚糖处理下的木材中垂直于纤维面的表面扫描电镜图，可以看到在该浓度处理后的木材其紧密程度良好，其表面较为紧密，预示着其在力学性能上将表现优秀。
[0043]
实施例13-17
[0044]
实施例13-17与实施例1中高强度、阻燃、环保木材的制备过程步骤相同，区别在于选用无机盐不同。
[0045]
[0046]
实施例13-17以实施例1相比，选用无机化合物种类不同。从表中可以看出，选用无机化合物种类不同，材料的力学性能会有一定差异。
[0047]
实施例18-20
[0048]
实施例18-20与实施例1中高强度、阻燃、环保木材的制备过程步骤相同，区别在于选用热压的温度不同
[0049][0050][0051]
实施例18-20以实施例1相比，选用热压的温度不同。从表中可以看出，选用热压的温度不同，材料的力学性能会有一定差异。
[0052]
实施例21-23
[0053]
实施例21-23与实施例1中高强度、阻燃、环保木材的制备过程步骤相同，区别在于选用热压的湿度不同
[0054][0055]
实施例21-23以实施例1相比，选用热压的湿度不同。从表中可以看出，选用热压的湿度不同，材料的力学性能会有一定差异。
[0056]
实施例24-26
[0057]
实施例24-26与实施例1中高强度、阻燃、环保木材的制备过程步骤相同，区别在于选用浸渍次数的不同。
[0058][0059]
实施例24-26以实施例1相比，选用浸泡方式不同。从表中可以看出，选用浸泡次数增加，材料的力学性能会有一定提升，但是3次之后提升的不够明显或者略有下降。
[0060]
实施例27
[0061]
实施例27与实施例1中高强度、阻燃、环保木材的制备过程步骤相同，区别在于脱
木质素的木材选用无机-有机浸渍先后顺序的不同。
[0062][0063]
实施例27以实施例1相比，选用无机-有机浸渍先后顺序不同。从表中可以看出，选用浸泡次序，材料的力学性能差别不大。
[0064]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。