一种利用溶剂润胀和蒸发诱导木材自密实化的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用溶剂润胀和蒸发诱导木材自密实化的方法，包括以下步骤：一、采用软化混合溶液对木材进行软化处理；二、采用二甲基亚砜溶液对软化木材进行润胀处理；三、采用去离子水充分置换二甲基亚砜后，将木材放置于空气中，在常温常压下利用水分蒸发过程中形成的毛细管作用力诱导木材细胞收缩，同时伴随纤维素分子间氢键的动态重组，使得细胞壁微纤丝高度取向聚集，从而实现木材高度自密实化。密实化过程无需高温高压，且无需二次热处理定型，显著降低了加工能耗。同时，充分发挥了木材定向排列的微纤丝力学强度优势，采用本方法制备的自密实化木材其顺纹抗拉强度是天然木材的5～45倍，其比强度甚至超过一些工程塑料和轻型合金材料。轻型合金材料。轻型合金材料。

【技术实现步骤摘要】
一种利用溶剂润胀和蒸发诱导木材自密实化的方法


[0001]本专利技术涉及一种利用溶剂润胀和蒸发诱导木材自密实化的方法，属于木质材料改性


技术介绍

[0002]由于速生木材生长速度快，普遍存在材质松软、强度较低、易变形等缺陷，极大地限制了其应用领域，尤其是作为结构用材，必须通过特定的改性方法才能提高其力学性能以满足作为结构构件的承载要求。
[0003]纵观现有的生产技术，对速生木材进行增强改性的方法主要采用热压压缩增强。热压压缩增强是先将速生木材经过物理、化学或是二者相结合的软化处理，提高木材塑性，然后在一定温度和压力条件下进行压缩，使木材密实化，从而提高其力学强度。压缩增强主要依靠湿
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热
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力共同作用下的木材黏弹性和可塑性的响应，通常包括细胞壁湿
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热软化处理、木材热压压缩处理以及避免弹性恢复的形变固定等步骤。这一过程伴随着能源密集型加工技术，如高温(通常在160℃～220℃)条件下的长时间(通常在10～30小时)木材软化和热压压缩等加工方式，所以大规模的应用通常受到高能耗制约。此外，压缩后的木材由于压缩应力的释放和纤维素的强吸湿特性，通常需要二次热处理来解决弹性恢复问题。虽然这种方法可以实现工业化生产，但因为存在工艺条件苛刻、对设备要求高、生产能耗高等问题而未能在工业化生产中大规模应用。同时，由于受到设备条件的限制，木材的压缩率通常小于50％(过高的压缩率会导致木材细胞壁压溃，反而会降低木材力学性能)，这样的密实化程度并没有充分发挥木材中具有超高强度的微观结构单元——定向排列的微纤丝(其顺纹抗拉强度通常大于480MPa)的作用，因而，经传统热压压缩密实化处理的速生木材力学强度提高的程度是有限的。因此，如果能够在传统木材热压压缩密实化增强技术的基础上降低加工能耗同时优化加工工艺，如避免高温热压压缩工艺和二次定型热处理，并充分发挥木材自身具有超强结构单元的优势来实现木材密实化增强，对实现速生木材的高附值应用将更具有现实意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是利用木材细胞壁具有的超强结构单元——微纤丝的微观结构特点及其化学特性，通过溶剂润胀和蒸发诱导木材细胞收缩和细胞壁微纤丝高度取向聚集，在常温常压下实现木材的密实化，达到大幅度提高木材力学强度的目的。
[0005]本专利技术的技术解决方案：一种利用溶剂润胀和蒸发诱导木材自密实化的方法是按以下步骤完成的：
[0006]一、木材软化处理：
[0007]将木材放入由氢氧化钠、亚硫酸钠、蒽醌配成的软化混合溶液中，再加入低表面张力和低粘度溶剂搅拌10分钟混合均匀后放置于不锈钢反应容器中进行软化处理。
[0008]软化混合溶液由氢氧化钠、亚硫酸钠、蒽醌按质量比100～300∶300～500∶1配成。
碱性条件下的亚硫酸根离子和蒽氢醌离子会使木材中木质素大分子链β
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芳香醚键断裂，使木质素碎片化而达到软化木材的目的。
[0009]低表面张力和低粘度溶剂为甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇或丙酮，加入量为10～30wt％。有机溶剂的添加可以将木材和软化溶液之间的固
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液界面转化为软化溶液和有机溶剂之间的液
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液界面，从而降低软化溶液进入木材的拉普拉斯压力，使木材细胞壁能得到均匀软化。
[0010]木材软化处理温度为150～180℃，处理时间为1～6h。
[0011]二、木材溶剂润胀处理：
[0012]待软化处理结束并冷却至室温后，将经软化处理的木材充分水洗，以去除反应残留试剂，而后将木材浸泡于常温条件下的二甲基亚砜溶液(分析纯，AR)中进行润胀处理。二甲基亚砜的润胀可以削弱木材细胞壁微纤丝之间的强内聚力，进一步提高木材细胞壁的可塑性，并为溶剂的置换提供空间。
[0013]木材溶剂润胀处理时间为12～24h。
[0014]三、木材溶剂蒸发自密实化处理：
[0015]润胀处理结束后反复使用去离子水充分置换二甲基亚砜，每6h更换一次去离子水，更换周期为3次。而后将木材放置于空气环境中，使木材中的水分自然蒸发。在常温常压下利用水分蒸发过程中形成的毛细管作用力诱导木材细胞收缩，细胞壁微纤丝沿毛细管力作用方向收缩的同时伴随纤维素分子间氢键的动态重组，使得细胞壁微纤丝高度取向聚集，从而实现木材的高度自密实化。
[0016]本专利技术提供的木材自密实化方法的原理为：碱性条件下的亚硫酸根离子和蒽氢醌离子会使木材细胞壁中木质素大分子链β
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芳香醚键断裂，使木质素大分子快速降解成可溶性小分子片段，刚性木质素的解聚可使木材细胞壁软化，显著降低木材细胞壁的弹性模量；然后利用二甲基亚砜分子在微纤丝之间的渗透实现木材细胞壁的润胀，软化润胀后的木材细胞壁可塑性和变形能力大幅度提高；而后将水分导入润胀的木材细胞腔和细胞壁中，水分蒸发过程中产生的毛细管力作用和纤维素分子间重组的氢键作用诱导木材细胞收缩和细胞壁微纤丝高度取向聚集，从而在常温常压下实现木材的高度自密实化。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018]1、木材密实化过程无需高温高压，通过溶剂润胀和蒸发诱导木材细胞收缩和细胞壁微纤丝高度取向聚集，在常温常压下实现木材的高度自密实化，显著降低了加工过程的能耗，简化了加工工艺和装备，且对被处理木材的树种和规格尺寸没有限制。
[0019]2、充分发挥了木材超微结构单元——定向排列的微纤丝力学强度的优势，大幅度提升了密实化木材的强度。本方法制备所得自密实化木材其顺纹抗拉强度达到400MPa以上，是天然木材的5～45倍，其比强度甚至超过一些工程塑料和轻型合金材料，如丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯共聚物(30.92MPa cm3g
‑1)、不锈钢(66.35MPa cm3g
‑1)、4Ni
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Cr
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Mo钢(198.03MPa cm3g
‑1)、轻质铝合金(178.52MPa cm3g
‑1)、4Sn
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4Al
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4Mo
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0.5Si合金(309.15MPa cm3g
‑1)。
[0020]3、水分子蒸发过程引起纤维素分子之间氢键的重组，分子内和分子间形成的强氢键网络保证木材微纤丝之间的紧密排列，从而显著抑制了密实化木材的回弹变形，解决了传统热压压缩密实化木材尺寸稳定性差，需要二次热处理定型的问题，进一步简化了加工
工艺。
附图说明
[0021]图1是本专利技术具体实施例1的自密实化木材在常温常压条件下溶剂(水分)蒸发0h时木材横切面扫描电镜图。
[0022]图2是本专利技术具体实施例1的自密实化木材在常温常压条件下溶剂(水分)蒸发10h时木材横切面扫描电镜图。
[0023]图3是本专利技术具体实施例1的自密实化木材在常温常压条件下溶剂(水分)蒸发20h时木材横切面扫描电镜图。
具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用溶剂润胀和蒸发诱导木材自密实化的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：木材软化处理：将木材放入由氢氧化钠、亚硫酸钠、蒽醌配成的软化混合溶液中，再加入低表面张力和低粘度溶剂搅拌10分钟，混合均匀后放置于不锈钢反应容器中进行软化处理；步骤二：木材溶剂润胀处理：待软化处理结束并冷却至室温后，将经软化处理的木材充分水洗，以去除反应残留试剂，而后将木材浸泡于常温条件下的二甲基亚砜溶液(分析纯，AR)中进行润胀处理；步骤三：木材溶剂蒸发自密实化处理：润胀处理结束后反复使用去离子水充分置换二甲基亚砜，每6h更换一次去离子水，更换周期为3次，而后将木材放置于空气环境中，使木材中的水分自然蒸发，在常温常压下利用水分蒸发过程中形成的毛细管力作用和纤维素分子间重组的氢键作用诱导木材细胞收缩和细胞壁微纤丝高度取向聚集，从而实现木材的高度自密实化。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓燕，张涛，陈敏智，杨培，陈卫民，张道通，杨凯，李绍，潘娜娜，全琦，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：