一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料的制备方法

本发明涉及木质复合材料制备方法，特别涉及一种利用木材制备一种仿珍珠母结构的木质重组材料的制造方法。

背景技术：

1、近年来工业的进步对材料的性能提出了不同的要求，不仅要满足材料的力学性能，还要尽可能在加工过程中实现无毒环保，于是人们将目光放到了大自然中。天然珍珠层由于具有优异的刚度、强度及韧性结合，成为目前研究最广泛的生物模版之一，珍珠层“砖和砂浆”结构主要由约95％脆性文石(碳酸钙)和约5％生物聚合物组成，虽然珍珠母组成成分的力学性能并不突出，但是在环境条件下，能够组合而成特殊的界面及结构，使其成为了兼具强度与韧性的天然生物材料。因此木质材料的仿生矿化研究是十分有必要的。

2、目前仿生天然珍珠母结构已有许多研究，利用纳米粘土或石墨烯与聚合物组装成纳米复合薄膜，实现了二维纳米级别的构建，其中从粘土矿物中剥离出来的高质量超薄纳米片经常被用作构建珍珠膜的无机组成部分；由氮化硼纳米片和蛋白质链组成的纳米颗粒激发的有机-无机杂化结构，具有较高的剪切强度。珍珠层的应力消耗机制是其具有良好力学性能的关键，通过超长链的缠结作用、片晶滑动、裂纹偏转及矿物桥等减轻作用于珍珠层的脆性破坏，正是由于耗散机制的复杂、可常温下合成等问题，导致人工珍珠层难以实现天然珍珠层状结构的完全复制。如今在人造材料的设计中，“硬质砖”与“软质砂浆”的结合产生了具有一定强度和韧性的仿生材料，“硬质砖”的选择有碳酸钙晶体薄片、石墨烯、陶瓷片、氮化硼纳米片、纳米粘土片、钙磷石片晶等，而“软质砂浆”则有蛋白质链、细菌纤维素、海藻酸钠、明胶等，将有机框架与刚性无机纳米片结合在一起，模拟天然珍珠层的多尺度和分级结构，缓解强度与韧性之间的冲突，获得一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料。

3、因此，在基于现有的研究基础上，利用纤维化木材纤维素框架和碳酸钙晶体为原料制备仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料是一个新颖的思路。基于木材的天然化学组分及分子链空间结构，通过酸法等技术手段部分脱除木质素与半纤维素得到木质纤维素框架，利用木材表面和内部大量的孔隙集反应位点沉积碳酸钙晶体，再经致密化处理，提高材料的密度，使其同时具有一定的强度及韧性。由于木材是一种天然可再生材料，整个合成过程以及原料的选择均对环境无污染，操作简单，可以成为适合大规模生产的生物复合材料。因此，本研究在此背景下提出，用纤维化木材为原料，通过原位聚合、致密化处理制备的仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料，力学性能优异，合成路线简单易行，实现木质复合材料的性能提升。

技术实现思路

1、本发明旨在解决的问题是克服现有技术的缺陷，提供一种简单的加工工艺，利用木材制备一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料的制备方法。

2、为解决上述技术问题，提出一种绿色的可循环利用的制备高性能木质重组材料的制造方法，其特征在于：利用疏解后的纤维化木片，经过不同程度的脱除木质素及半纤维素处理，将纤维化木片依次置于浓度为1mol/l的cacl2/乙醇溶液，和1mol/l的nahco3溶液中，各自真空浸渍14h，重复浸渍过程，在100℃，4.5mpa条件下顺纤维方向热压。最后制造出一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料。

3、利用木材为原料制备仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料的方法，包括下述步骤：

4、(1)木片的预处理：将5mm厚旋切单板通过专用疏解机疏解，在单板表面产生一系列线段状裂纹，制备出纵向纤维不断裂、粗细均匀的纤维化木片。将纤维化木片用去离子水清洗后置于鼓风干燥箱中在105℃的条件下干燥12h。

5、(2)脱木质素纤维化木片的制备：制备1.5wt.％naclo2溶液，用冰醋酸将溶液ph值调制4.6，得到naclo2缓冲溶液；将步骤(1)所得干燥后的纤维化木片转移到缓冲溶液中，80℃条件下水浴加热6-12h；将上一步制备的木片放入8wt.％naoh溶液中，80℃条件下水浴加热相应时长；重复naclo2缓冲溶液漂白处理一次。

6、(3)仿珍珠母结构碳酸钙增强木质重组材料的制备：将无水cacl2溶于无水乙醇中，浓度为1mol/l，将步骤(2)所得脱木质素纤维化木片置于上述溶液中，真空浸渍10h；将上一步的木片放入1mol/l的nahco3溶液中，真空浸渍14h，重复以上两步浸渍1-4次；取三片木材样品100℃，4.5mpa条件下，顺纤维方向压制24h，最终得到具有仿生珍珠母层状结构的木质重组材料。

7、作为优化，所述处理中脱除木质素时水浴加热的时间10h为最优。

8、作为优化，所述制备仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料过程中cacl2的最优浓度为0.5mol/l。

9、作为优化，所述制备仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料过程中最优热压温度为100℃。

10、本发明的有益效果体现在：制备仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料，一方面，改善了木质重组材料的制备工艺。另一方面，通过模拟天然珍珠母结构优化了木质重组材料的结构组成。该工艺操作简便，成本低廉，适合工业化推广，还有利于提高木质材料的高附加值利用，同时扩大了木质材料的应用领域，实现了我国木质复合材料领域的高效利用。

技术特征：

1.一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料的制备方法，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料的制备方法，其特征在于：在上述步骤(1)中，升温速率为5～10℃/min。

3.根据权利要求1所述的一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料的制备方法，其特征在于：在上述步骤(2)中，水浴加热的时间为6-12h，重复次数为1-3次。

4.根据权利要求1所述的一种仿珍珠母结构的碳酸钙增强木质重组材料的制备方法，其特征在于：在上述步骤(3)中，cacl2的浓度为0.1-1mol/l。

技术总结本发明涉及一种利用纤维化木材为原料制备木质重组材料的方法设计并构建了一种具有一定强度的仿珍珠母结构。利用纤维化木材表面特殊的纹理结构与碳酸钙的结合，得到的复合材料再经过热压处理，不仅增加了材料密度，同时优化了木质复合材料的内部结构，减少了传统木质材料胶黏剂对环境的污染，同时保证了材料具有一定的强度。实现对木质复合材料结构的改良实现了木质材料强度与韧性的结合。传统制备木质重组材料往往需要一定的酚醛树脂及较高的固化温度，而本发明采用部分脱除木质素、沉积碳酸钙、热压处理制备出高密度、高强度及高韧性的木质重组材料，可应用于工程结构等领域。此种制造方法原料易得、操作工艺简便、成本低廉，适合工业化推广，是一种简便环保的木质复合材料制造技术。技术研发人员：郭明辉,钟昊受保护的技术使用者：东北林业大学技术研发日：技术公布日：2024/1/5