一种木材软化弯曲的制备方法

技术领域

本发明涉及一种木材软化弯曲的制备方法，属于人工微结构材料、木材加工技术领域。

背景技术

木材来源于自然，是由纤维素纤维组成的应用最广泛的传统材料。但木材是刚性材料，塑性差，在常态下，木材不能直接进行弯曲加工定型。如果在正常受力范围内，木材弯曲变形，但应力消失则木材变形恢复，当超出弹性极限时，受力拉伸面纤维被拉断破坏，因此，木材很难作为曲线型构件使用。

由于木材是天然、环境友好的材料，如果能将木材制备成曲线型构件，将大大扩展了木材的应用范围。目前用来改善木材弯曲加工性能的方法主要是将木材软化。常用的木材软化方法包括水热处理、高频介质加热处理等物理方法，但此类方法会造成木材开裂，性能降低，且木材弯曲曲率有限。

木材中的细胞腔是中空管状结构，其细胞壁是由多级微纳纤维构成，当调控纳米纤维素纤维，使纤维素纤维均匀分布在中空细胞腔内时，暂时破坏了纤维素结晶区，使得纤维有滑动和自由移动的空间，宏观上使得木材获得一定的塑性，能实现弯曲定型。然而木材结构复杂，纤维调控难度比较大，研究仍面临很大的挑战。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种木材软化弯曲的制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种木材软化弯曲的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，去除部分木质素：将木材置于A溶液中高温蒸煮，去除部分木质素，并用清水洗净木材备用；

步骤2，木材化学处理：将步骤1获得的木材用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理，使木材中的微纳纤维发生溶胀和滑动，并均匀填充在木材中空的细胞腔内；

步骤3，清洗处理：将步骤2所获木材静置0.5h-24h后，置于水中浸泡处理30min-24h，待木材固化后，用水清洗多余的化学溶液；

步骤4，弯曲变形：将清洗后的木材干燥至含水率30％-100％，即可进行弯曲变形操作；

步骤5，将弯曲变形后的木材进行干燥定型。

进一步地，在步骤1中，所述木材的种类包括针叶材和阔叶材。

进一步地，在步骤1中，所述A溶液为高温水蒸汽、氢氧化钠/亚硫酸钠混合溶液、双氧水溶液、次氯酸钠溶液或者上述溶液的安全组合。

进一步地，在步骤1中，木质素的去除含量为10％—99％。

进一步地，在步骤2中，先将木材在145～200℃下的N,N二甲基乙酰胺溶液中活化30分钟～2小时；然后将上述溶液降温至95～120℃，加入氯化锂，反应时间为5分钟～2小时；最后静置1～24小时。

进一步地，所述氯化锂与N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比为1:8～1:12。

本发明以天然木材为原料，通过调控木材中微纳纤维的位置及纤维间的相互作用，让微纳纤维可滑动从而使木材软化可弯曲，本发明的优势在于：

(1)增大了木材的塑性，使木材可弯曲。

(2)木材软化过程中，没有引入外来物质。软化后的木材成分与原始木材相比没有变化，仍由木质素、纤维素和半纤维素构成。

(3)木材本身的强度性能并没有被减弱，反而有数倍的提高。相较传统软化方法中，获得塑性的同时，在木材强度方面有一定损失的缺点，本发明制备的木材的弹性极限、抗弯模量、疲劳极限和塑性都有显著的提高。

(4)利用本发明软化方法制备的木材，弯曲程度范围广，甚至可以打结、锁扣，其曲率范围广、强度高的曲线型构件，极大地扩大了木材的应用范围。

附图说明

图1是原始木材未经软化直接弯曲断裂的扫描电子显微镜照片。

图2是木材软化后的截面扫描电子显微镜照片。

图3是实施例1中木材软化后打结的(a)示意图，(b)实物照片。

图4是实施例2中制备的木材软化卷曲的照片。

图5是实施例3中制备的木材软化折叠的(a)照片，(b)扫描电子显微镜照片。

图6是实施例4中制备的木材软化弯曲的扫描电子显微镜照片。

图7是实施例1中木材的顺纹抗拉强度应力应变曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种木材软化弯曲的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将木材用A处理溶液处理20分钟到72小时去除部分木质素，木质素去除的含量为10％—99％。木质素主要存在于纤维之间，具有使细胞、纤维相连，对木材提供刚性支持的作用。去除部分木质素后，不但可以破坏木质素与纤维素之间的化学键，也为后续纤维素纤维的溶胀迁移提供了空间。

(2)将步骤(1)获得的木材用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理，使木材中的纳米纤维发生溶胀和滑动，并均匀填充在木材中空的细胞腔内。

溶液处理前的原始木材结构如图1所示，原始木材弯曲时展示出刚性特点，不具有塑性和弹性，木材断裂被破坏，不能制备成弯曲构件。经溶液处理纤维溶胀和滑动之后，此时木材中的细胞单元已经从空心管状结构变成实心结构，整个木材由木材细胞单元紧密排布形成了致密结构，木材细胞单元为由纳米纤维素纤维构成的实心结构。

(3)然后将木材静置0.5h-24h，再置于水中浸泡处理30min-24h，待木材固化后，用水清洗多余的化学溶液。

(4)将清洗后的木材干燥至含水率30％-100％，即可进行弯曲变形操作。

(5)最后将弯曲变形后的木材进行干燥定型。

实施例1：

将高70cm，直径1mm的椴木，置于2.0mol/L氢氧化钠，0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮10小时，并用水清洗多余的化学药品，再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液，160℃，保持60分钟，然后冷却至110℃，加入一定量氯化锂，氯化锂：N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比＝1:8，反应60分钟，取出之后，静置24小时，浸入水10小时，之后用去离子水多次清洗，此时木材可以弯曲，甚至可打结，干燥可定型。其木材打结的示意图见图1，且由图6可以看出，其顺纹抗拉强度430MPa，是原始木材强度的近7倍。

实施例2：

将樟子松横切为厚度3mm、直径10cm，置于2.0mol/L氢氧化钠，0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮10小时，并用水清洗多余的化学药品，再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液，165℃，保持30分钟，然后冷却至120℃，加入一定量氯化锂，氯化锂：N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比＝1:9，反应40分钟，取出之后，静置10小时，取出之后浸入水5小时，之后用去离子水多次清洗，此时木材可以弯曲，干燥可定型成图4所示，且顺纹抗拉强度423MPa。

实施例3：

将高15cm、直径1.5mm的椴木，置于2.5mol/L氢氧化钠，0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮20小时，并用水清洗多余的化学药品，再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液，185℃，保持60分钟，然后冷却至110℃，加入一定量氯化锂，氯化锂：N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比＝1:8，反应60分钟，取出之后，静置10小时，取出之后浸入水10小时，之后用去离子水多次清洗，此时木材可以弯曲，干燥可定型成图5所示，木材甚至可以像纸一样对折，且顺纹抗拉强度433MPa。

实施例4：

将高20cm、直径1.5mm的椴木，置于2.5mol/L氢氧化钠，0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮10小时，并用水清洗多余的化学药品，再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液，175℃，保持60分钟，然后冷却至110℃，加入一定量氯化锂，氯化锂：N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比＝1:8，反应60分钟，取出之后，静置20小时，取出之后浸入水20小时，之后用去离子水多次清洗，此时木材可以弯曲呈螺旋弹簧状(参见图6的局部图)，干燥可定型，且顺纹抗拉强度417.5MPa。

实施例5：

将高2cm、宽和长分别为7cm的椴木，置于2.5mol/L氢氧化钠，0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮6小时，并用水清洗多余的化学药品，再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液，165℃，保持30分钟，然后冷却至120℃，加入一定量氯化锂，氯化锂：N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比＝1:8，反应30分钟，取出之后，静置10小时，取出之后浸入水10小时，之后用去离子水多次清洗，此时横切木材同样可以对折，干燥可定型，且顺纹抗拉强度446.3MPa。