一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法及应用

本发明涉及木材孔道中三维网络结构构筑的制备方法及应用。

背景技术：

1、木材是由不同体积分数的不同细胞类型组成，无论是针叶材还是阔叶材，木材中普遍存在直径为几十微米的孔道，甚至有些孔道可达到一百多微米。木材的各向异性多尺寸孔道结构，造成了木材具有密度低、强度低、缺陷多、利用率低等缺点，同时也为木材的改性处理，提供了良好的结构基础。利用木材的孔道结特点，将有机或无机物质浸注于木材的细胞孔隙结构中，通过物理填充或化学反应来改善木材的结构与组分，进而提高木材的物理力学性质和或耐久性。木材孔道填充是一种可有效改善木材多种性质的优良方法，也是探索研究最广泛、应用最普遍的木材处理方法；尤其填充处理化学物质，往往可以显著改善木材性质，达到“一剂多效”的作用。

2、在木材孔道填充浸注处理时，常通过填充防腐剂改善木材防腐性能，阻燃剂改善木材阻燃性能、单体类化学试剂改善木材尺寸稳定性甚至力学性能。其中，常用的有机类化学试剂包括：有机酸酐类、聚乙烯醇类、异氧酸酯类、环氧类、酰胺类、酰氯类、丙烯酸酯类、乙烯类等化学物质；无机类化学试剂(主要指无机非金属化合物)包括：硼类化合物、磷氮类无机试剂、硅酸类化合物、碳酸盐化合物等试剂种类。此外，无机纳米物质近年来也逐渐应用到木材改性领域，在改性木材常规性能的同时往往赋予木材更多的功能特性。因此，利用有机物或无机物浸注处理木材，进而改良木材性质，可望以简单的化学处理显著改善木材的综合性能，对木材的高附加值利用具有重要意义，是从根本上缓解优质木材资源短缺的重要途径。

3、木材孔道中填充化学物质，是改善木材性能的良好方法。但是木材孔道中构筑出新的三维网络结构存在一定的困难，尚未有相关研究。因此，采用一种简单的工艺技术在木材孔道中构筑出三维网络结构是非常迫切的。

技术实现思路

1、本发明要解决现有木材孔道中的浸渍物难以在木材孔道中构筑出三维网络结构的问题，进而提供一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法及应用。

2、一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，它是按以下步骤进行的：

3、一、浸渍负载：

4、将脱木素木材置于纤维素纳米晶溶液中真空浸渍，然后依次进行超声分散及低温静置，得到孔道中浸满纤维素纳米晶溶液的木材；

5、二、溶剂置换：

6、将孔道中浸满纤维素纳米晶溶液的木材置于溶剂中静置，然后取出再置于叔丁醇溶液中置换出溶剂，最后取出并依次进行冷冻及冻干，得到孔道中具有三维网络结构的木材；

7、所述的溶剂为乙醇、硝酸铁的乙醇溶液或丙酮。

8、应用：利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的应用，它用于制备氧还原催化剂。

9、本发明的有益效果是：

10、1、纤维素纳米晶在大小不同的孔道结构中同样构筑出三维网络型结构；

11、2、在木材孔道结构中构筑出三维网络结构，丰富了木材的孔道结构，有望进一步应用在电催化、木材基蒸发器、木材基纳米发电机等生产领域；

12、3、本发明使用的纤维素纳米晶、乙醇等溶剂都是常用原料，对反应设备要求低，反应条件温和。

13、说明书附图

14、图1为实施例一步骤一所述的脱木素轻木横截面sem图。

15、图2为实施例一步骤一所述的脱木素轻木纵截面sem图。

16、图3为实施例一制备的孔道中具有三维网络结构的木材的sem图；

17、图4为实施例二制备的孔道中具有三维网络结构的木材的sem图；

18、图5为实施例三制备的cn电催化剂与商用铂碳催化剂(ptc)性能对比线性伏安图；

19、图6为实施例四制备的fenc电催化剂标尺为200nm的表面形貌sem图；

20、图7为实施例四制备的fenc电催化剂标尺为100nm的表面形貌sem图；

21、图8为实施例四制备的fenc电催化剂与商用铂碳催化剂(ptc)性能对比线性伏安图；

22、图9为商用铂碳催化剂(ptc)性能的稳定性测试图；

23、图10为实施例四制备的fenc电催化剂的稳定性测试图；

24、图11为图10的局部放大图。

技术特征：

1.一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于步骤一中所述的脱木素木材具体是按以下步骤制备的：将木材置于亚氯酸钠溶液中，在温度为60℃～80℃的条件下处理直至木材变成白色，得到脱木素木材；所述的亚氯酸钠溶液的质量百分数为1％～3％，ph为4.5～5.0。

3.根据权利要求2所述的一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于所述的木材为轻木、杨木、椴木或樟子松。

4.根据权利要求2所述的一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于所述的木材为横切面木材，木材厚度为1mm～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于步骤一中所述的纤维素纳米晶溶液中纤维素纳米晶的质量百分数为0.2％～2％；所述的纤维素纳米晶为磺酸基的纤维素纳米晶、柠檬酸改性后的纤维素纳米晶或tempo法改性后的纤维素纳米晶。

6.根据权利要求5所述的一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于所述的磺酸基的纤维素纳米晶具体是按以下步骤制备：将棉花置于质量百分数为64％的硫酸溶液中，在温度为40℃～50℃的条件下机械搅拌1h～3h，然后用去离子水稀释溶液至10倍或以上后静置过夜，再用离心机去除上清液，取下浊液透析3d，然后依次用普通滤纸、孔径为10μm和5μm的滤纸抽滤出下浊液中未溶解的棉花和杂质，最后将下浊液再次透析1d，得到磺酸基的纤维素纳米晶，所述的棉花的质量与质量百分数为64％的硫酸溶液的体积比为1g:(10～20)ml；

7.根据权利要求1所述的一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于步骤一中所述的真空浸渍具体是在真空压力为-0.08mpa～-0.1mpa的条件下，真空浸渍10min～60min；步骤一中所述的超声分散具体是在功率为40w～80w的条件下，超声分散30min～120min；步骤一中所述的低温静置具体是在温度为2℃～10℃的条件下，低温静置2h～18h。

8.根据权利要求1所述的一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法，其特征在于步骤二中将孔道中浸满纤维素纳米晶溶液的木材置于溶剂中静置1h～6h，然后取出再置于叔丁醇溶液中置换1h～12h；所述的叔丁醇溶液的质量百分数为15％～30％；步骤二中所述的冷冻具体是在温度为-15℃～-30℃的条件下，冷冻3h～18h；步骤二中所述的冻干具体是在冷阱温度为-65℃～-40℃及真空度为1pa～5pa的条件下，利用冻干机干燥3h～10h。

9.如权利要求1利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的应用，其特征在于它用于制备氧还原催化剂。

10.根据权利要求9所述的利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的应用，其特征在于它用于制备氧还原催化剂，具体按以下步骤制备的：

技术总结一种利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构的方法及应用，它涉及木材孔道中三维网络结构构筑的制备方法及应用。本发明要解决现有木材孔道中的浸渍物难以在木材孔道中构筑出三维网络结构的问题。方法：一、浸渍负载；二、溶剂置换；应用：用于制备氧还原催化剂。本发明用于利用纤维素纳米晶在木材孔道中构筑三维网络结构及应用。技术研发人员：高丽坤,李石磊,王敏,刘志航,杨聪聪,刘京硕,金芮西,李坚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：2024/5/29