一种高强度矿化压缩木材的制备方法及应用

技术领域

本发明属于木质材料改性技术领域，具体涉及一种高强度矿化压缩木的制备方法及应用。

背景技术

木材作为一种天然有机高分子材料，具有轻质高强、弹塑性好、易加工、绿色环保等优点，被广泛应用在交通、住宅建筑、室内装饰等行业。随着木材工业的迅速发展以及森林资源的限伐政策，我国木材资源陷入短缺局面，因此，国家大力扶持人工林的种植与发展来缓解木材市场的供需矛盾。但是，速生材材质松软、密度小、强度低、使之难以直接利用，严重制约木材工业的发展。

木材改性是指通过物理、化学或物理化学相结合的方法，在保留木材固有优点的基础上，改善并增强木材性能，包括尺寸稳定性、力学强度、耐腐性、阻燃性等。速生材改性主要包括热处理、压缩密实化、树脂浸渍改性处理、化学接枝改性、木材矿化、纳米粒子改性等，各种改性方式各具优势。其中，木材矿化和压缩密实化作为木材增强增韧的改性技术，具有高效、绿色等优点。同时，木材脱木素后进行热压密实化处理，有助于增加木材纤维素纳米纤维之间的氢键密度，使其力学强度提升显著。

利用部分脱木素、原位矿化、压缩密实化三者组合处理方法，即以部分脱木素木材骨架为模板，诱导碳酸钙在纤维素骨架中矿化组装，形成层级有序的有机-无机复合体系；经过压缩密实化，制备出高度致密化的矿化木材，以显著提升改性木材的强度以及阻燃性，对于实现速生材的优化利用、缓解我国木材资源供需矛盾、拓展速生材的应用领域等具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度矿化压缩木的制备方法，通过部分脱木素处理、碳酸钙原位矿化处理、压缩密实化处理，得到高强度矿化压缩木材。

实现本发明目的的技术方案为：

一种高强度矿化压缩木材的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：部分脱木素处理：将木材样品浸渍在氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中，制备部分脱木素木材；

步骤2：原位矿化处理：配置碳酸二甲酯和氯化钙混合溶液，脱木素木材置于混合溶液中进行真空加压浸渍，然后往混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节体系pH到9，脱木素木材置于其中继续反应，将反应后木材用去离子水清洗，并烘干，得到碳酸钙矿化木材；

步骤3：压缩密实化处理：将矿化木材进行调湿处理，置于热压模具中，先冷压再热压，得到高强度矿化压缩木。

进一步地，所述步骤1具体包括：

步骤1.1：氢氧化钠浓度为2.5mol/L，亚硫酸钠浓度为0.4mol/L,浸渍时间为1-3h，浸渍温度为100℃；

步骤1.2：浸渍结束木材后用热水浸泡清洗多次，直至pH为中性；

步骤1.3：冷冻干燥清洗过的木材样品，得到部分脱木素木材。

进一步地，所述步骤2具体包括：

步骤2.1：等摩尔比碳酸二甲酯和氯化钙溶解于去离子水中，浓度为1.5mol/L；

步骤2.2：将步骤1中部分脱木素木材置于真空加压浸渍罐中，先真空处理0.5h，后利用真空和大气压差将步骤2.1中的矿化液抽吸到浸渍罐内，使其浸没于脱木素木材，后加压至0.4MPa，保压4h后卸压；

步骤2.3：配置浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液，并逐滴加入到步骤2.2中矿化液体系中，至pH为9，保持部分脱木素木材在溶液中的浸没状态24h；

步骤2.4：将步骤2.3中部分脱木素木材用去离子水清洗多次，置于45℃烘箱中烘干，得到碳酸钙矿化木材。

进一步地，所述步骤3具体包括：

步骤3.1：将步骤2中碳酸钙矿化木材置于装有去离子水的密封干燥器中进行调湿处理24h；

步骤3.2：调湿后的矿化木材置于模具中，先在20MPa压力下冷压3h，后升高温度至100℃，继续热压2h；

步骤3.3：将木材从模具中取出，得到高强度矿化压缩木。

与现有的技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明的制备方法是利用木材部分脱木素处理、原位矿化处理和压缩密实化处理组合制备高强度矿化压缩木材。木材脱木素处理可在其结构内部形成更多孔隙结构，有利于矿化液渗透到木材内部，提升矿化物在木材内部的矿化深度；矿化处理在提高木材强度的同时可赋予其阻燃性能；压缩密实化处理促使木材成分和无机矿物成分紧密结合，可进一步提升改性木材的力学性能。

(2)本发明制备的高强度矿化压缩木材，抗拉强度约为172MPa，拉弯强度约为234MPa，抗压强度约为100MPa，分别是空白木材的2.1倍、2.7倍和1.7倍，并且矿化压缩木材具有优异的阻燃性能。

(3)部分脱木素处理、原位矿化处理和压缩密实化处理组合方法制备高强度矿化压缩木，有效解决了速生材存在的材质松软、密度小、强度低的问题，扩宽了速生木材的应用领域和范围，对于实现速生材的优化利用、促进木材工业健康发展具有重要意义。

附图说明

图1为高强度矿化压缩木材的SEM图，A为空白木材，B为矿化压缩木材

图2为高强度矿化压缩木材和空白木材的力学性能对比图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种高强度矿化压缩木材的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：部分脱木素处理：将木材样品浸渍在氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液中，制备部分脱木素木材；

步骤2：原位矿化处理：配置碳酸二甲酯和氯化钙混合溶液，脱木素木材置于混合溶液中进行真空加压浸渍，然后往混合体系中加入氢氧化钠溶液，调节体系pH到9，脱木素木材置于其中继续反应。将反应后木材用去离子水清洗，并烘干，得到碳酸钙矿化木材；

步骤3：压缩密实化处理：将矿化木材进行调湿处理，置于热压模具中，先冷压再热压，得到高强度矿化压缩木。

优选地，所述步骤1具体包括：

步骤1.1：氢氧化钠浓度为2.5mol/L，亚硫酸钠浓度为0.4mol/L,浸渍时间为2h，浸渍温度为100℃；

步骤1.2：浸渍结束木材后用热水浸泡清洗多次，直至pH为中性；

步骤1.3：冷冻干燥清洗过的木材样品，得到部分脱木素木材。

优选地，所述步骤2具体包括：

步骤2.1：等摩尔比碳酸二甲酯和氯化钙溶解于去离子水中，浓度为1.5mol/L；

步骤2.2：将步骤1中部分脱木素木材置于真空加压浸渍罐中，先真空处理0.5h，后利用真空和大气压差将步骤2.1中的矿化液抽吸到浸渍罐内，使其浸没于脱木素木材，后加压至0.4MPa，保压4h后卸压；

步骤2.3：配置浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液，并逐滴加入到步骤2.2中矿化液体系中，至pH为9，保持部分脱木素木材在溶液中的浸没状态24h；

步骤2.4：将步骤2.3中部分脱木素木材用去离子水清洗多次，置于45℃烘箱中烘干，得到碳酸钙矿化木材。

优选地，所述步骤3具体包括：

步骤3.1：将步骤2中碳酸钙矿化木材置于装有去离子水的密封干燥器中进行调湿处理24h；

步骤3.2：调湿后的矿化木材置于模具中，先在20MPa压力下冷压3h，后升高温度至100℃，继续热压2h；

步骤3.3：将木材从模具中取出，得到高强度矿化压缩木。

图1为空白木材和高强度矿化压缩木材的SEM图，由图可知，高强度矿化压缩木材中的无机矿物沉积在木材细胞腔中，且呈现受挤压状态。

图2为空白木材和高强度矿化压缩木材的力学性能对比图，由图可知，与空白木材相比，矿化压缩木材的抗拉强度、抗弯强度和抗压强度显著提升。

本发明所述矿化压缩木材，具有高强度、高密度、阻燃性，可拓宽木材的应用领域，有望应用于结构承载材料。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。