一种轻质高强的生物强化木材及其制备方法

本发明涉及轻质高强结构材料制备领域，尤其涉及一种轻质高强的生物强化木材及其制备方法。

背景技术：

1、与钢、铝、合金或工程塑料等传统材料相比，轻质高强材料具有密度低、强度高和抗冲击性能好等特点，应用于建筑、家具、汽车、航空航天等领域时更加安全和节能。目前应用广泛的轻质高强材料(碳纤维、金属合金等)往往加工复杂、不可再生、且价格昂贵。例如，碳纤维的合成需要极端的高温处理，能源消耗大，且会排放大量的废气，对环境造成负面影响。随着人们环保意识的增强，开发绿色可持续、制备工艺简单、且成本低廉的生物质基轻质高强材料已成为近年来的研究热点。

2、木材是地球上储量丰富的可再生生物质资源，具有密度低、强度高等特点，作为建筑、家具和工具的结构材料已有数千年的历史。木材的主要成分是纤维素，具有多层次的结构特征，其中，基元纤维结晶区的刚度为150gpa，理论抗拉强度为1.6-7.7gpa，高于大多数工程材料(包括钛合金)，而密度只有1.5-1.6g/cm3，因此将木材转化为轻质高强的结构材料极具潜力。

3、近年来，木材基轻质高强材料的开发受到了广泛关注。胡等人(nature,554,224–228(2018))采用化学法将木材中的部分木质素脱出，然后通过热压工艺获得了一种强度高、耐冲击的“超级木材”，其强度是普通木材的10倍以上，超过钢材，而重量只有钢材的六分之一。cn112171830b公开了一种首先化学处理脱除部分木质素，再通过氯化锂/n,n-二甲基乙酰胺等溶液进行进一步化学处理后，干燥得到高强度的木基材料。

4、尽管文献和专利里已有不少关于木材制备轻质高强材料的研究报道，但是现有工艺通常涉及复杂的化学处理过程，化学物质大多数有毒且会大幅度降低木材的聚合度，不利于材料的大规划制备和异型结构设计。此外，这些制备工艺还存在能耗高，废水、废气排放量大等问题，在一定程度上限制了木材基轻质高强材料的产业化应用。因此，开发一种简单、环保、成本能耗低的制备方法，获得力学性能优异、可异型设计的木材基轻质高强材料，是本领域的研究重点。

技术实现思路

1、针对传统轻质高强材料制备过程能耗大、污染严重等问题，现提供一种轻质高强的生物强化木材及其制备方法，以有效解决上述技术问题。

2、具体技术方案如下：

3、一种轻质高强的生物强化木材的制备方法，包括如下步骤：

4、1)将清洗晾干后的木材浸入木质素分解菌菌液中，恒温处理一段时间，取出，得到生物处理木材；

5、2)将步骤1)中的生物处理木材经过清洗后放入模具内，再在高于木材玻璃化转变温度的热压温度下经过热压处理，即可获得生物强化木材。

6、本发明中利用木质素分解菌分泌产生的木质素过氧化物酶(lip)、锰过氧化物酶(mnp)和漆酶(lac)等断裂木质素大分子中的β-o-4键、α-o-4键、联苯键(5-5′键)等，以部分解聚木质素并分解成co2和h2o。木质素作为木材中微纤维的粘合剂，将纤维细胞结合到一起，形成坚韧坚固的木材基质，将木质素部分转化为低聚物后其与纤维素之间的作用力减弱，木材结构得到适度软化；随后在略高于木材玻璃化转变温度的条件下进行热压，以迫使木材中木质素沉淀在纤维素疏水面上并发生自聚集，从而使原本存在的孔隙闭合、纤维之间紧密结合，进而显著提升材料的力学性能和防水性。

7、不同木种虽然结构存在差异，但都含有木质素、纤维素和半纤维素三大组分，因此本发明可以普遍用于不同种类的生物强化木材制备。竹材中也含有丰富的纤维素和木质素组分(约占总组分的60％和30％)，因此亦可使用本发明的方法制作生物强化竹材。

8、上述方案的有益效果是：

9、1)本发明提供生物处理方法对纤维素的破坏性小，与传统的化学处理方法相比，可以保护天然木材中原本的纤维素定向排列的结构；

10、2)本发明提供的生物处理过程是一种全闭环的环保策略，利用真菌分泌的多种酶进行处理，无需添加化学试剂，也无需高温条件，制备工艺简单、操作成本低、对环境污染小；

11、3)本发明中通过先解聚木质素软化木材、再以高于木材玻璃化转变温度的热压温度进行热压处理的方式使木质素在纤维素表面上沉淀的方式，增强了材料的力学性能和热稳定性，使处理后木材表现出优异的轻质高强特性；

12、4)作为典型的生物强化木材，生化强化椴木的拉伸强度高达539.7±21.7mpa，与原始木材相比提升了12倍以上；304不锈钢06cr19ni10抗拉强度(＞520mpa，gb/t 1220-2007)与生物强化椴木相近，但其密度7.93g/cm3远高于生物强化椴木的1.35±0.5g/cm3；与商用石化基工程塑料聚甲醛树脂(pom)、聚氯乙烯(pvc)、聚丙烯(pp)、聚氨基甲酸酯(pu)相比，本发明提供的生物强化木材表现出较为优异的热稳定性。

技术特征：

1.一种轻质高强的生物强化木材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中木质素分解菌为褐腐菌、白腐菌、软腐菌、有厌氧梭菌、不动杆菌、黄杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、双芽孢杆菌属、黄单胞菌属、枝动杆菌属、粘膜炎布兰汉氏球菌、环丝菌、坚强芽孢杆菌中的一种。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述白腐菌为革盖菌属、烟管菌属、平革菌属、侧耳属、卧孔菌属中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中木材为椴木、松木、橡木、泡桐木、枫木、桦木、桤木、白杨木、榉木、红木、雪松、乌木、杉木、杨木、胡桃木、柳木、檀木、楠木、榆木、竹子中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中处理时间为1-28天，处理温度为28-35℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中木质素分解菌菌液干重为0.2-0.4g/l。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中木质素分解菌菌液和木材的体积比为(100-130ml)：(8-15cm3)。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中热压温度为130-170℃。

9.一种轻质高强的生物强化木材，其特征在于，根据权利要求1-8任一项所述制备方法制备获得。

技术总结本发明涉及一种轻质高强的生物强化木材及其制备方法，上述方法包括如下步骤：1)将清洗晾干后的木材浸入木质素分解菌菌液中，恒温处理一段时间，取出，得到生物处理木材；2)将步骤1)中的生物处理木材经过清洗后放入模具内，再在高于木材玻璃化转变温度的热压温度下经过热压处理，即可获得生物强化木材。本发明中通过先解聚木质素软化木材、再以高于木材玻璃化转变温度的热压温度进行热压处理的方式使木质素在纤维素表面上沉淀的方式，增强了材料的力学性能和热稳定性，使处理后木材表现出优异的轻质高强特性。技术研发人员：陈朝吉,卢梓扬,陈俊青,周杰受保护的技术使用者：武汉大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15