一种轻质高强木材及其制备方法

本发明涉及一种中空多孔木材的制备方法，尤其涉及一种轻质高强木材及其制备方法。

背景技术：

1、天然木材的主要成分纳米纤维素纤维有着极高的理论力学强度(2-3gpa)，而木材成分中起到粘连作用的木质素和半纤维素等短链分子却在一定程度上限制了木材的力学性能。同时，包括细胞腔、导管、介孔等在内的孔道结构赋予了木材宏观上的低密度特性。而受到自然界中木材自身生长特征以及外界环境的影响，这些多孔结构又表现为材料结构上的大量力学缺陷。目前，对天然木材进行特定的改性处理，以创造具有更优结构和更强性能的新型木材产品，已经成为新材料科学研究的趋势。

2、为了改善天然木材力学强度低的问题，现有技术通过热压密实化木材，人为闭合木材细胞间的裂纹等结构缺陷，增加木材的氢键密度，从而大幅提升其强度，但是这种热压密实化木材，以提高密度为代价，相应的牺牲了其轻质的优点。

3、中国专利cn113696291a公开了一种轻度糠醇改性协同密实化处理提升木材性能的方法，采用糠醇浸渍木材后配合热压达到提高木材强度的目的，其木材强度的提高不仅仅是热压密实化处理的结果，还依赖于糠醇和糠醇树脂对密实化木材的变形固定作用，一旦脱除必然会导致木材发生回弹变形。而且糠醇和糠醇树脂在热压干燥处理后固化于木材内部，也无法进行脱除，这些存留在木材内部的糠醇树脂进一步增大了密实化木材的密度，且无法进行轻量化改造。可见现有的木材热压密实化改性方法无法兼顾木材的轻量化和强度提升。

4、除此之外，现有技术中还将木材与其他材料复合，如向木材的孔道结构中灌注金属等方法，从而获得结构和功能都得到一定增强的复合材料，但受到材料兼容性等问题的影响，这些方法也很难得到大范围的应用。

5、综上所述，目前已知的物化改性方式在提高木材力学性能的同时，难以兼顾木材的多孔特性，因此难以得到轻质高强的木材。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种轻质高强木材，解决现有密实化木材无法兼顾轻量化和强度提升的问题。本发明的另一目的在于提出一种轻质高强木材的制备方法，解决如何将密实化的细胞壁结构在空间中原位排列包围形成微米尺度的空腔与孔道。

2、技术方案：本发明所述的一种轻质高强木材，包含木材细胞位置不变而细胞壁被压缩的多孔微结构，木材细胞壁的平均压缩率为30-70％。

3、由于木材细胞壁厚差异大，同一块木材的不同部位细胞壁厚差异也有很大差别；此外，不同木材间的细胞壁厚差异也很大，综合考虑不同木材细胞壁压缩差异和同种木材的不同部位细胞壁压缩差异，本发明中木材细胞壁的平均压缩率范围在30-70％，更优选为30-45％。

4、优选地，所述木材的种类包括阔叶木材或针叶木材。

5、优选地，木材的密度为0.31-0.72g·cm-3。

6、上述轻质高强木材最大程度维持天然木材的多级结构及多孔特征，通过木质素的部分去除以及对细胞壁的压缩，利用了细胞壁中纤维素链间的氢键断裂重组行为，大量增加细胞壁中氢键的密度，从而起到增强增韧的效果。此外，该改性木材表现出优异的弯曲比强度、拉伸比强度、抗冲击强度、高孔隙率和低密度的性能和特征。

7、为了制备上述轻质高强木材，本发明提供如下制备方法：

8、(1)去除木材细胞壁中的木质素得中间体1；

9、(2)采用有机溶剂灌注填充中间体1的空腔和孔道得中间体2；所述有机溶剂为熔点小于150℃且粘度低于200mpa·s的液态溶剂；

10、(3)将中间体2室温干燥后进行径向加压；

11、(4)卸压后去除中间体2中的有机溶剂即得轻质高强木材。

12、优选地，步骤(1)中，去除木质素的方法为：将木材浸入强碱溶液、次氯酸钠溶液、过氧化氢溶液中的至少一种溶液中加热处理30min-12h。例如可先浸于强碱溶液或次氯酸钠溶液中，再浸于过氧化氢溶液中。通过这些溶液去除木材中的木质素和半纤维素等短链分子的操作，为纤维素长链分子提供缠结勾连的空间，以形成更加密集的氢键。

13、优选地，所述强碱溶液为浓度5-15wt％氢氧化钠和浓度2-3wt％亚硫酸钠的混合碱液；所述次氯酸钠溶液为浓度3-7％的次氯酸钠水溶液，所述过氧化氢溶液为体积百分浓度10-40％的过氧化氢水溶液。

14、优选地，步骤(2)中所述有机溶剂包括石蜡、石蜡衍生物、松香、松香衍生物中的一种或多种。有机溶剂在灌注时的粘度低于200mpa·s，可以保证液态溶剂具有良好的流动性，且有机溶剂熔点在纤维素转变温度150℃以下，不与纤维素发生化学反应；同时这些有机溶剂可被其他有机溶剂脱除。

15、优选地，步骤(4)中所述去除有机溶剂的方法为：采用芳香烃或醇类浸泡搅拌脱除有机溶剂。石蜡等有机溶剂的灌注和填充操作在径向压缩木材的步骤中，对木材整体的多孔结构起到了支撑和保护的作用，以至于湿态木材不会因加压而产生严重的变形和压溃现象，以形成超轻高强的结构木材。

16、优选地，所述芳香烃为甲苯、二甲苯、三甲苯、四甲苯中的一种或多种；所述醇类为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的一种或多种。石蜡等有机溶剂在完成支撑作用后即被对应的芳香烃或醇类脱除，保留了木材原有的微米尺度的空腔与孔道，在提升木材强度的前提下降低了密实化木材的密度。

17、优选地，步骤(2)中所述灌注填充的方式包括真空灌注、加压灌注、抽滤灌注中的一种或多种，步骤(3)中所述径向加压的方法包括加压灌注和/或真空灌注，所述加压灌注的压强为3-15mpa，处理时间5-30min，所述真空灌注的压强低于200pa，处理时间5-30min。径向加压木材并逐步干燥脱水的步骤是对木材细胞壁的微结构调控过程，通过定向压缩细胞壁使得细胞壁内氢键密度大量增加，增强了木材细胞纤维素链间的相互作用，减少了细胞壁间的结构缺陷，从而赋予木材整体更高的力学强度。

18、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明不仅维持了天然木材的中空优势，降低了改性木材的密度，还大幅提升了木材的强度，兼顾轻量化与强度提升。本发明制得的轻质高强木材具有天然的化学成分，抗弯强度提高1.8-4.1倍，抗拉强度提高1.9-4.6倍，比强度提高1.6-3.8倍，密度约0.31-0.61g·cm-3。整个制备过程极大程度保留木材天然的空腔与孔道结构，仅对木材细胞壁的成分与微结构进行调控，是一种高效的细胞壁改性手段，可适用于大规模工业化生产。

技术特征：

1.一种轻质高强木材，其特征在于，包含木材细胞位置不变而细胞壁被压缩的多孔微结构，木材细胞壁的平均压缩率为30-70％。

2.根据权利要求1所述轻质高强木材，其特征在于，所述木材的种类包括阔叶木材或针叶木材。

3.根据权利要求1所述轻质高强木材，其特征在于，轻质高强木材的密度为0.31-0.72g·cm-3。

4.一种权利要求1-3任一项所述轻质高强木材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述轻质高强木材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，去除木质素的方法为：将木材浸入强碱溶液、次氯酸钠溶液、过氧化氢溶液中的至少一种溶液中加热处理30min-12h。

6.根据权利要求5所述轻质高强木材的制备方法，其特征在于，所述强碱溶液为浓度5-15wt％氢氧化钠和浓度2-3wt％亚硫酸钠的混合碱液；所述次氯酸钠溶液为浓度3-7％的次氯酸钠水溶液，所述过氧化氢溶液为体积百分浓度10-40％的过氧化氢水溶液。

7.根据权利要求4所述轻质高强木材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述有机溶剂包括石蜡、石蜡衍生物、松香、松香衍生物中的一种或多种。

8.根据权利要求4所述轻质高强木材的制备方法，其特征在于，步骤(4)中去除有机溶剂的方法为：采用芳香烃或醇类浸泡搅拌脱除有机溶剂。

9.根据权利要求8所述轻质高强木材的制备方法，其特征在于，所述芳香烃为甲苯、二甲苯、三甲苯、四甲苯中的一种或多种；所述醇类为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的一种或多种。

10.根据权利要求4所述轻质高强木材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述灌注填充的方式包括真空灌注、加压灌注、抽滤灌注中的一种或多种，步骤(3)中所述径向加压的方法包括加压灌注和/或真空灌注，所述加压灌注的压强为3-15mpa，处理时间5-30min，所述真空灌注的压强低于200pa，处理时间5-30min。

技术总结本发明公开了一种轻质高强木材及其制备方法，该轻质高强木材具有由中空管状木材细胞单元紧密排布形成的多孔微结构，木材细胞壁是由纳米纤维素纤维及木质素构成的致密、高强单元。该木材密度约0.35‑0.72g·cm<supgt;‑3</supgt;，比强度为246‑444MPa·g·cm<supgt;‑3</supgt;。制备方法为：首先原位去除木材中的部分木质素；后向木材的孔道与空腔结构中灌注填充物；待填充物固化后，径向加压干燥，最后脱出填充物获得轻质高强木材。本发明改性的强化木材极大程度的保留了天然木材多孔特征，维持木材低密度特性并且大幅提升了木材的绝对强度、比强度等力学性能，是一种高效的细胞壁改性手段，可适用于大规模工业化生产。技术研发人员：祝名伟,郭扬,黄大方,陈延峰受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/3/5