一种强化木材及其制备方法

本发明涉及一种改性木材及其制备方法，尤其涉及一种纤维素强化木材及其制备方法。

背景技术：

1、天然木材由具有空腔的厚壁细胞单元构成，其细胞壁主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素分子链平行排列，构成几个纳米级的基本纤丝，基本纤丝再组成几十个纳米级的微纤丝，木质素主要聚集在这些纤维的空隙中。天然木材并不是一个力学性能特别优异的材料，一般天然木材强度只有几十个兆帕，如椴木顺纹抗拉强度仅有70多兆帕。

2、为了提高天然木材的强度，中国专利cn112873457a公开了一种木材及其制备方法。木材的制备方法包括先去除至少部分木质素，之后使纤维素纤维溶胀形成溶胀结构，最后粘接剂能够与木材纤维之间构筑化学键合力，增加了天然木材的纤维素纤维之间的内聚力，从而进一步提升木材的力学性能。该方法依赖于粘接剂粘合溶胀后的纤维素纤维提升木材强度，去除木质素的步骤是为了后续溶剂更好地溶胀木材纤维，现有的一些高分子粘接剂只能粘合溶胀后的木材纤维，使得整体制备步骤较为繁琐复杂。此外如环氧树脂等高分子粘接剂难以自然降解，存在污染环境的风险。

3、如果可以直接利用植物纤维强化木材就可以解决制备步骤复杂和环境污染的问题，但是直接利用植物纤维强化木材同样存在如下问题：如中国专利cn115319880a中虽然公开了采用非衍生化溶剂溶解植物纤维后得到的纤维素溶液可以作为胶黏剂粘合含植物纤维的材料。但是并没有记载纤维素溶液浸渍木材后会对木材本身的力学强度产生何种影响。此外，纤维素溶液粘结含植物纤维材料的原理主要是通过再生纤维素与植物纤维表面的羟基交联，从而发挥粘结作用。而木材内部虽然也含有较多的植物纤维，但是这些植物纤维被无定形半纤维素和木质素等包裹，而半纤维素和木质素无法与再生纤维素交联，即使木材内部孔道内填充有再生纤维素，再生纤维素也无法将木材填充粘结为一个整体，导致纤维素溶液浸渍木材后难以通过填充交联作用提升木材的力学强度。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种强化木材，解决现有木材力学强度低的问题。本发明的另一目的在于提出一种强化木材的制备方法，解决如何提升改性木材强度的问题。

2、技术方案：本发明所述的一种强化木材，所述强化木材中包括脱木素的木材纤维骨架与再生植物纤维，所述木材纤维骨架的空隙被再生植物纤维填充粘合，所述木材纤维骨架与填充的再生植物纤维之间相互紧密交联，形成致密的微结构。

3、本发明通过提升再生纤维素与木材纤维骨架纤维交联度提高木材的力学强度，再生纤维素即再生植物纤维。

4、优选地，所述木材纤维骨架的来源为阔叶木材或针叶木材中的一种。阔叶木材包括杨木、榉木、椴木、轻木、桦木、榆木等；针叶木材包括杉木、松木等。

5、为了获得上述强化木材，本发明提供了一种强化木材的制备方法，包括如下步骤：

6、(1)将木材浸入蚀刻溶液中预处理得到第一中间体；

7、(2)将第一中间体浸入植物纤维溶液中进行灌注处理得到第二中间体；

8、(3)取出第二中间体并塑形烘干，再用水清洗后干燥得到强化木材。

9、优选地，在步骤(1)中，蚀刻溶液为氢氧化钠溶液、亚硫酸钠溶液、次氯酸钠溶液中的一种或多种；所述预处理的方法为：蚀刻溶液中60-100℃浸泡处理10-120min，加压1-10mpa，蚀刻后转入水中搅拌浸泡，浸泡后烘干。蚀刻预处理木材内部，去除半纤维素和木质素，暴露木材的纤维骨架，以提升再生纤维素与木材纤维骨架的交联度，保证木材纤维骨架被再生纤维素填充后可以与木材细胞壁粘结形成一个密实的整体，进而提升木材的强度。

10、优选地，在步骤(2)中，所述植物纤维溶液的制备方法为：按料液比0.1-10g：100ml将含纤维素的原料与非衍生化溶剂混合，待纤维素溶解后即得植物纤维溶液；所述纤维素的聚合度为100-5000。适当的聚合度和料液比可以大幅提高再生纤维素的粘结作用。

11、优选地，所述非衍生化溶剂选自氯化锂/n-n-二甲基乙酰胺溶液、碱/尿素溶液、n-甲基吗啉-n-氧化物溶液、离子液体、低共熔溶剂、铜氨溶液中的至少一种；所述植物纤维素的来源为棉短绒、滤纸浆、溶解浆、阔叶木浆、针叶木浆、芦苇花纤维中的至少一种；所述纤维素的溶解条件为：-20-100℃搅拌溶解30-180min。

12、优选地，在步骤(2)中，灌注处理的方法为真空灌注处理和/或加压灌注处理，灌注处理的时间为1-96h。灌注处理可以将植物纤维溶液充分地填充进入木材纤维骨架，保证后续的纤维素再生交联后将整个木材纤维骨架填充粘结为一个整体，以提升木材的力学强度。

13、优选地，所述真空灌注处理的方法为将第一中间体浸入植物纤维溶液中后转移至密闭容器中，该密闭容器的真空度为-0.09-0.01mpa，密闭容器的压力为0.1-0.5mpa；所述加压灌注处理的方法为将第一中间体浸入植物纤维溶液中后转移至密闭容器中，该密闭容器的压力为1-10mpa。

14、优选地，在步骤(3)中，所述塑形烘干的温度为20-80℃。烘干和水清洗都可以去除非衍生化溶剂，使植物纤维溶液中溶解的纤维素与木材纤维骨架交联形成再生纤维素。

15、优选地，在步骤(3)中，水清洗的方法为：水浸泡清洗至少24h。采用水清洗木材是为了去除剩余的溶剂和盐类，促进纤维素完全再生固化，进一步提高改性木材的强度。

16、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明解决了如何利用植物纤维溶液制备强化木材的问题，基于蚀刻步骤充分发挥再生纤维素的填充交联作用，实现了利用植物纤维溶液大幅提升木材的力学强度，强化木材的力学强度是原木木材的10倍，方法简单可靠，具备较好的应用前景。

技术特征：

1.一种强化木材，其特征在于，所述强化木材中包括脱木素的木材纤维骨架与再生植物纤维，所述木材纤维骨架的空隙被再生植物纤维填充粘合，所述木材纤维骨架与填充的再生植物纤维之间相互紧密交联，形成致密的微结构。

2.根据权利要求1所述强化木材，其特征在于，所述木材纤维骨架的来源为阔叶木材或针叶木材。

3.如权利要求1或2所述强化木材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述强化木材的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，蚀刻溶液为氢氧化钠溶液、亚硫酸钠溶液、次氯酸钠溶液中的一种或多种；所述预处理的方法为：蚀刻溶液中60-100℃浸泡处理10-120min，加压1-10mpa，蚀刻后转入水中搅拌浸泡，浸泡后烘干。

5.根据权利要求3所述强化木材的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述植物纤维溶液的制备方法为：按料液比0.1-10g：100ml将含纤维素的原料与非衍生化溶剂混合，待纤维素溶解后即得植物纤维溶液；所述纤维素的聚合度为100-5000。

6.根据权利要求5所述强化木材的制备方法，其特征在于，所述非衍生化溶剂选自氯化锂/n-n-二甲基乙酰胺溶液、碱/尿素溶液、n-甲基吗啉-n-氧化物溶液、离子液体、低共熔溶剂、铜氨溶液中的至少一种；所述植物纤维素的来源为棉短绒、滤纸浆、溶解浆、阔叶木浆、针叶木浆、芦苇花纤维中的至少一种；所述纤维素的溶解条件为：-20-100℃搅拌溶解30-180min。

7.根据权利要求3所述强化木材的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，灌注处理的方法为真空灌注处理和/或加压灌注处理，灌注处理的时间为1-96h。

8.根据权利要求7所述强化木材的制备方法，其特征在于，所述真空灌注处理的方法为将第一中间体浸入植物纤维溶液中后转移至密闭容器中，该密闭容器的真空度为-0.09-0.01mpa，密闭容器的压力为0.1-0.5mpa；所述加压灌注处理的方法为将第一中间体浸入植物纤维溶液中后转移至密闭容器中，该密闭容器的压力为1-10mpa。

9.根据权利要求3所述强化木材的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述塑形烘干的温度为20-80℃。

10.根据权利要求3所述强化木材的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，水清洗的方法为：水浸泡清洗至少24h。

技术总结本发明公开了一种强化木材及其制备方法，所述强化木材中包括脱木素的木材纤维骨架与再生植物纤维，所述木材纤维骨架的空隙被再生植物纤维填充粘合，所述木材纤维骨架与填充的再生植物纤维之间相互紧密交联，形成致密的微结构。本发明中的制备方法包括如下步骤：将木材浸入蚀刻溶液中预处理得到第一中间体；将第一中间体浸入植物纤维溶液中进行灌注处理得到第二中间体；取出第二中间体并塑形烘干，再用水清洗后干燥得到强化木材。本发明解决了如何利用植物纤维强化木材的问题，基于蚀刻步骤充分发挥再生纤维素的填充交联作用，实现了利用植物纤维溶液大幅提升木材的力学强度，具备较好的应用前景。技术研发人员：祝名伟,黄仲雷,曹志茹,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：2024/4/22