一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法，包括如下步骤：以轻木为原料，利用酸性亚氯酸钠溶液进行温和脱木质素处理，获得完整的木材纤维骨架；所得产物用氢氧化钠碱性溶液进行处理；配制丙烯酰胺单体及交联剂混合溶液，并调控其混合比例；通过浸渍法将所得产物与丙烯酰胺单体充分混合；将所得产物放入模具中，经320‑380nm波长紫外光引发接枝交联反应，得到聚丙烯酰胺/木材纤维骨架复合凝胶，即为弹性木材。本发明专利技术方法可在不使用化学引发剂的条件下制备弹性木材，由于其具有良好的生物相容性、优异的力学性能及透光性能，在人造皮肤、生物传感、软组织工程材料、可穿戴柔性电子基材及刺激响应软体机器人等领域具有潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法
本专利技术涉及木质材料加工领域，具体为一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法。
技术介绍
纤维素是自然界最丰富的天然可再生资源之一，大多数纤维素存在于植物细胞壁中。通过提取、解纤等处理，可从植物细胞壁中提取具有高长径比、高比表面积的高强度纳米纤维素，并作为增强相广泛用于提高聚合物的力学性能。其中，在纳米纤维素表面接枝聚合物是提高复合材料力学强度的有效手段之一。但大多数聚合物接枝反应都包含了大量有机溶剂、交联剂及引发剂等化学试剂的使用，且难以回收处理，造成了严重的环境污染。紫外光引发接枝聚合是遵循自由基聚合机理，利用紫外光照射聚合物表面，产生自由基，引发单体在聚合物表面接枝聚合。利用紫外光照射在中性水条件下引发纳米纤维素表面产生自由基，无需外部引发剂就可以接枝聚合物。通过对纤维素简单的预处理及纯化，并控制紫外光的特定波长，就可以将聚合物接枝在纤维素上，同时极少产生均聚物。这是方法可在不使用有机溶剂的条件下，实现复合材料界面的接枝交联反应。木材是一种天然高分子复合材料，具有轻质、高强及多孔等特性。木材细胞壁是具有复杂多层状结构的纤维增强复合体，其中，纤维素由葡萄糖分子链沿轴向组合排列，以氢键结合构成微纤丝，起骨架作用；微纤丝之间由半纤维素和木质素充填，分别起粘结和硬固作用。因此，通过脱木质素作用提取并保留木材(微纤丝)纤维骨架，通过紫外光接枝的方法将其与聚丙烯酰胺接枝复合，可制备具有高度各向异性、高强度及高延展性的透明弹性木材，在生物传感、组织工程材料、柔性电子器件基材、软体机器人等领域具有潜在的应用价值。目前在天然木材纤维素表面自由基与丙烯酰胺交联构建聚丙烯酰胺复合凝胶，需要使用大量引发剂，而且大量引发剂在高分子聚合反应中的使用会引起环境污染，而且制得的复合凝胶机械性能较差、实体木材缺乏柔韧性，难以制得具备高含水率、高强度、高延展性、生物相容性及高透明度的材料，进而影响在生物传感、生物医药、柔性器件基材、软体机器人等领域应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法，可在不使用化学引发剂的条件下制备弹性木材，由于其具有良好的生物相容性、优异的力学性能及透光性能，在人造皮肤、生物传感、软组织工程材料、可穿戴柔性电子基材及刺激响应软体机器人等领域具有潜在的应用价值。为达成上述目的，本专利技术提出如下技术方案：一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法，包括如下步骤：第一步：选取轻木，在温和条件下，用酸性亚氯酸钠溶液对轻木进行脱木质素处理，得到木材纤维骨架a；第二步：用氢氧化钠溶液对脱木质素处理后所得的木材纤维骨架a进行预处理，以破坏纤维素分子链间以及分子链内氢键，使得纤维素晶格结构充分润胀、软化，再通过酸、水、醇逐级中和处理促使纤维素再结晶，得到完整的碱处理木材纤维骨架b；第三步：配制混合溶液，预设质量比的丙烯酰胺单体及交联剂制作混合溶液；第四步：将木材纤维骨架b在常温常压下浸渍于上述混合溶液中，直至丙烯酰胺单体充分浸入木材纤维骨架b内，并得到木材纤维骨架c；第五步：将木材纤维骨架c放入模具中，通过紫外光引发交联聚合反应，经紫外光照射木材纤维骨架c制备得到聚丙烯酰胺/木材纤维骨架复合凝胶，定义聚丙烯酰胺/木材纤维骨架复合凝胶为弹性木材。优选的，在本专利技术中，第一步的具体过程为：选取轻木为原料，自然干燥后将轻木沿轴向切片，制备获得轻木薄片试样，轻木薄片试样的厚度为1-5mm，配置浓度为2wt％的亚氯酸钠溶液并用冰醋酸调节pH为4.5，将轻木薄片试样浸于pH为4.5的亚氯酸钠溶液中，在75℃条件下加热4-8小时，之后用去离子水将轻木薄片试样冲洗至中性，得到木材纤维骨架a并保存于乙醇中。优选的，在本专利技术中，第二步的具体过程为：将木材纤维骨架a在室温下浸于浓度为18wt％-22wt％的氢氧化钠溶液中2-4小时后，用酸、水、醇逐级中和处理将木材纤维骨架a洗至中性，得到木材纤维骨架b。第三步有两种优选的情况，第一种，在本专利技术中，第三步的具体过程为：将丙烯酰胺单体、交联剂加入去离子水中，配置混合溶液，其中，丙烯酰胺浓度为25-30wt％，交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，N，N-亚甲基双丙烯酰胺浓度为0.06-0.10wt％，充分混合后获得用于交联反应的丙烯酰胺单体及交联剂混合溶液。第二种，在本专利技术中，第三步的具体过程为：将丙烯酰胺单体、交联剂、金属离子加入去离子水中，配置混合溶液，其中，丙烯酰胺浓度为25-30wt％，交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺浓度为0.06-0.10wt％，金属离子浓度为0.5-2wt％，充分混合后获得用于交联反应的丙烯酰胺单体及交联剂混合溶液。第二种情况中的优选的金属离子为硫酸钠和氯化钾：其中金属离子为硫化钠的情况下：将丙烯酰胺单体、交联剂、硫酸钠加入去离子水中，配置混合溶液，其中，丙烯酰胺浓度为25-30wt％，交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺浓度为0.06-0.10wt％，硫酸钠浓度为0.5-2wt％，充分混合后获得用于交联反应的丙烯酰胺单体及交联剂混合溶液。其中金属离子为氯化钾的情况下：将丙烯酰胺单体、交联剂、氯化钾加入去离子水中，配置混合溶液，其中，丙烯酰胺浓度为25-30wt％，交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺浓度为0.06-0.10wt％，氯化钾浓度为1wt％，充分混合后获得用于交联反应的丙烯酰胺单体及交联剂混合溶液。根据上述两种任意一种第三步的过程，接下来，优选的，在本专利技术中，第四步中：丙烯酰胺单体及交联剂混合溶液浸入木材纤维骨架b的时间为2小时，并得到木材纤维骨架c。优选的，在本专利技术中，第五步的具体过程为：将木材纤维骨架c置于带有厚度硅片的模具内并用玻璃板上下密封，置于紫外灯下照射引发交联聚合反应，交联聚合反应时间控制为1-2小时，紫外光的波长控制为320-380nm。一种弹性木材，由上述的一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法制备而得。一种上述的弹性木材在制备家具和建筑行业中的应用。有益效果，本申请的技术方案具备如下技术效果：1、本专利技术采用天然木材轻木为原料，通过酸性亚氯酸钠处理，在温和条件下脱除天然木材中的木质素，常规脱木质素法是在高温煮沸条件下进行的，因此会很大程度破坏其原有的结构，本专利技术采用了60℃-75℃的温和条件能较完整的保留木材微纤丝纤维骨架结构，防止木材天然结构在处理过程中发生压溃，进而保证自然界木材的天然力学性能，促进后续浸渍处理的效率。2、本专利技术采用简单的碱液处理方法，利用高浓度氢氧化钠溶液对轻木纤维骨架进行润胀处理，软化纤维素的轴向结晶结构，诱导其发生轴向卷曲，从而提高其轴向延展性；同时去除木材细胞壁中的部分半纤维素，从而提高后续浸渍反应的发生效率；再通过纤维素重结晶作用促进丙烯酰胺浸渍，提高木材纤维骨架与聚丙烯酰胺的界面结合性，以制备兼具高强度与高延展性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法，其特征在于：包括如下步骤：/n第一步：选取轻木，用酸性亚氯酸钠溶液对轻木进行脱木质素处理，得到木材纤维骨架a；/n第二步：用氢氧化钠溶液对脱木质素处理后所得的木材纤维骨架a进行预处理，以破坏纤维素分子链间以及分子链内氢键，使得纤维素晶格结构充分润胀、软化，再通过酸、水、醇逐级中和处理促使纤维素再结晶，得到完整的碱处理木材纤维骨架b；/n第三步：配制混合溶液，预设质量比的丙烯酰胺单体及交联剂制作混合溶液；/n第四步：将木材纤维骨架b在常温常压下浸渍于上述混合溶液中，直至丙烯酰胺单体充分浸入木材纤维骨架b内，并得到木材纤维骨架c；/n第五步：将木材纤维骨架c放入模具中，通过紫外光引发交联聚合反应，经紫外光照射木材纤维骨架c制备得到聚丙烯酰胺/木材纤维骨架复合凝胶，定义聚丙烯酰胺/木材纤维骨架复合凝胶为弹性木材。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：选取轻木，用酸性亚氯酸钠溶液对轻木进行脱木质素处理，得到木材纤维骨架a；
第二步：用氢氧化钠溶液对脱木质素处理后所得的木材纤维骨架a进行预处理，以破坏纤维素分子链间以及分子链内氢键，使得纤维素晶格结构充分润胀、软化，再通过酸、水、醇逐级中和处理促使纤维素再结晶，得到完整的碱处理木材纤维骨架b；
第三步：配制混合溶液，预设质量比的丙烯酰胺单体及交联剂制作混合溶液；
第四步：将木材纤维骨架b在常温常压下浸渍于上述混合溶液中，直至丙烯酰胺单体充分浸入木材纤维骨架b内，并得到木材纤维骨架c；
第五步：将木材纤维骨架c放入模具中，通过紫外光引发交联聚合反应，经紫外光照射木材纤维骨架c制备得到聚丙烯酰胺/木材纤维骨架复合凝胶，定义聚丙烯酰胺/木材纤维骨架复合凝胶为弹性木材。


2.根据权利要求1所述的一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法，其特征在于：第一步的具体过程为：选取轻木为原料，自然干燥后将轻木沿轴向切片，制备获得轻木薄片试样，轻木薄片试样的厚度为1-5mm，配置浓度为1wt％-3wt％的亚氯酸钠溶液并用冰醋酸调节pH为3-5，将轻木薄片试样浸于该亚氯酸钠溶液中，在60℃-75℃条件下加热4-8小时，之后用去离子水将轻木薄片试样冲洗至中性，得到木材纤维骨架a并保存于乙醇中。


3.根据权利要求2所述的一种基于紫外光引发接枝聚合制备弹性木材的方法，其特征在于：第二步的具体过程为：将木材纤维骨架a在室温下浸于浓度为18wt％-22wt％的氢氧化钠溶液中2-4小时后，用酸、水、醇逐级中和处理将木材纤维骨架a洗至中性，得到木材纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈楚楚，王怡仁，周彤，吴启静，卜香婷，周静，李大纲，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32