一种高强度木材复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于木材复合材料技术领域，尤其涉及一种高强度木材复合材料及其制备方法。

背景技术

当今社会，全球变暖等一系列严峻的客观问题不断给人们敲响警钟，保护环境和可持续发展是世界范围内推崇的主题。木材作为一种非常重要的原料，是众多材料中唯一可再生的材料，符合人类社会重视的对材料的可持续发展性和环境友好型的趋势和要求。随着国家对生态环境的重视，对林业的调整，各国相继出台了限制森林砍伐的政策，以至于木材进口所需要的代价越来越大，使用天然林木材也将越来越少。随着工业快速发展，污染越发严重，为此我国开始大量种植杨树、杉树、橡胶树等人工速生林。和天然林相比，人工速生林生长年限较短，木材材质疏松、密度低，物理力学强度和尺寸稳定性都相对较差，使人工速生林的应用范围受到严重限制，影响了人工速生林木材的应用前景，大大限制了木材产业和人工速生林产业的可持久发展。

现有技术对速生林木进行增强处理的方法主要有：一是改性剂填充细胞腔，有机树脂作为改性剂，这种处理能够提高木材的强度降低木材的吸水性，但是不能长时间内具有疏水性，热稳定性差；二是在细胞壁和细胞腔内填充树脂类物质充胀，减少木材的干缩性和湿胀性，此种方法可以长时间保持木材的疏水性，但对木材的增强效果影响不大；还有就是最有效的方式是木材细胞壁组成成分(包括木素、纤维素和半纤维素)与高强度木材复合材料中的某些基团发生化学反应，形成新的化学键，改性木材的尺寸稳定性、强度、耐久性等可以得到长时间的改善，但目前研究成果中，大部分改性剂易随着时间的延长而从木材中析出，影响了木材的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度木材复合材料及其制备方法，通过对木材进行改性浸渍处理，增加了木材的密度，提高了木材的力学强度，并降低了木材的易燃性，延长了木材的使用寿命，从而使本发明的木材复合材料具有更广的应用范围。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种高强度木材复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将水溶性酚醛树脂加入到质量浓度为50％的聚乙二醇溶液中混合均匀得溶液A，在室温下将纳米氧化钙与质量浓度为30％的尿素溶液混合均匀得溶液B，然后将溶液A、溶液B和硅烷偶联剂混合均匀，并用氨水调节PH值至6-7，制得木材改性剂；

(2)将木材放入压力浸渍罐中，开启真空泵，抽真空，真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，抽真空时间为5-10min；

(3)不关闭真空泵，保持真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，将木材改性剂加入到压力浸渍罐中，待木材改性剂加满压力浸渍罐后，关闭真空泵，真空浸渍；

(4)将压力浸渍罐中的木材改性剂排出，然后升温至100-120℃，将真空浸渍后的木材于该温度下恒温3-5h；

(5)冷却至室温，取出步骤(4)所得的木材，去离子水洗涤，干燥，即得高强度木材复合材料。

进一步的，所述水溶性酚醛树脂与所述聚乙二醇的质量比为1：(1-2)。

进一步的，所述聚乙二醇为PEG-400。

进一步的，所述纳米氧化钙与所述尿素的质量比为1：(3.8-6.5)。

进一步的，所述水溶性酚醛树脂、纳米氧化钙和硅烷偶联剂的质量比为(5-8)：(1-2)：(0.3-0.5)。

进一步的，所述硅烷偶联剂γ-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷中的一种。

进一步的，所述步骤(3)中真空浸渍过程中，真空压力设置为1.2MPa～1.5MPa，浸渍时间为4-5h。

进一步的，所述步骤(4)中压力浸渍罐的压力保持在1.2MPa～1.5MPa之间。

根据上述任一项所述的制备方法制备得到的高强度木材复合材料。

本发明取得了以下有益效果：

本发明以水溶性酚醛树脂和纳米氧化钙为基料，在聚乙二醇、尿素和硅烷偶联剂的作用下，制得木材改性剂，并通过真空加压浸渍法改性木材，将木材改性剂填充进入木材的细胞壁和细胞腔内，在高温高压的作用下，木材改性剂的各组分间反应交联并与木材基质间形成较强的界面相互作用，制得了高密度的木材复合材料，提高了木材的力学强度，延长了木材的使用寿命；本发明的木材改性剂中加入了纳米氧化钙，进一步增强了木材的强度；本发明使用尿素和硅烷偶联剂对木材进行改性，降低了木材的易燃性，提高了木材的阻燃性能，并且有纳米氧化钙的协同作用，进一步提高了木材的阻燃性能。

本发明提供的高强度木材复合材料的制备方法，提高了木材的力学性能和阻燃性能，可广泛用于地板、门窗、家具、户外平台甲板等产品中，大幅提高了人工林木材的应用价值，对实现以人工林代替天然林资源，缓解我国木材供需矛盾，实现森林资源可持续发展利用具有重要意义。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合具体实施例对本发明的高强度木材复合材料及其制备方法予以说明。

实施例1高强度木材复合材料

本实施例中高强度木材复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将水溶性酚醛树脂5kg加入到10kg质量浓度为50％的聚乙二醇溶液中混合均匀得溶液A，在室温下将1kg纳米氧化钙与21.67kg质量浓度为30％的尿素溶液混合均匀得溶液B，然后将溶液A、溶液B和0.3kg硅烷偶联剂混合均匀，并用氨水调节PH值至6-7，制得木材改性剂；

(2)将木材放入压力浸渍罐中，开启真空泵，抽真空，真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，抽真空时间为5-10min；

(3)不关闭真空泵，保持真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，将木材改性剂加入到压力浸渍罐中，待木材改性剂加满压力浸渍罐后，关闭真空泵，真空浸渍，真空压力设置为1.2MPa～1.5MPa，浸渍时间为4-5h；

(4)将压力浸渍罐中的木材改性剂排出，压力保持在1.2MPa～1.5MPa之间，然后升温至100-120℃，将真空浸渍后的木材于该温度下恒温3-5h；

(5)冷却至室温，取出步骤(4)所得的木材，去离子水洗涤，干燥，即得高强度木材复合材料。

上述聚乙二醇为PEG-400，硅烷偶联剂为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷。

实施例2高强度木材复合材料

本实施例中高强度木材复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将水溶性酚醛树脂4kg加入到16kg质量浓度为50％的聚乙二醇溶液中混合均匀得溶液A，在室温下将1kg纳米氧化钙与12.67kg质量浓度为30％的尿素溶液混合均匀得溶液B，然后将溶液A、溶液B和0.2kg硅烷偶联剂混合均匀，并用氨水调节PH值至6-7，制得木材改性剂；

(2)将木材放入压力浸渍罐中，开启真空泵，抽真空，真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，抽真空时间为5-10min；

(3)不关闭真空泵，保持真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，将木材改性剂加入到压力浸渍罐中，待木材改性剂加满压力浸渍罐后，关闭真空泵，真空浸渍，真空压力设置为1.2MPa～1.5MPa，浸渍时间为4-5h；

(4)将压力浸渍罐中的木材改性剂排出，压力保持在1.2MPa～1.5MPa之间，然后升温至100-120℃，将真空浸渍后的木材于该温度下恒温3-5h；

(5)冷却至室温，取出步骤(4)所得的木材，去离子水洗涤，干燥，即得高强度木材复合材料。

上述聚乙二醇为PEG-400，硅烷偶联剂为γ-氯丙基三乙氧基硅烷。

实施例3高强度木材复合材料

本实施例中高强度木材复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将水溶性酚醛树脂6kg加入到18kg质量浓度为50％的聚乙二醇溶液中混合均匀得溶液A，在室温下将1kg纳米氧化钙与16.67kg质量浓度为30％的尿素溶液混合均匀得溶液B，然后将溶液A、溶液B和0.3kg硅烷偶联剂混合均匀，并用氨水调节PH值至6-7，制得木材改性剂；

(2)将木材放入压力浸渍罐中，开启真空泵，抽真空，真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，抽真空时间为5-10min；

(3)不关闭真空泵，保持真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，将木材改性剂加入到压力浸渍罐中，待木材改性剂加满压力浸渍罐后，关闭真空泵，真空浸渍，真空压力设置为1.2MPa～1.5MPa，浸渍时间为4-5h；

(4)将压力浸渍罐中的木材改性剂排出，压力保持在1.2MPa～1.5MPa之间，然后升温至100-120℃，将真空浸渍后的木材于该温度下恒温3-5h；

(5)冷却至室温，取出步骤(4)所得的木材，去离子水洗涤，干燥，即得高强度木材复合材料。

上述聚乙二醇为PEG-400，硅烷偶联剂为γ-氨基丙基三乙氧基硅烷。

实施例4高强度木材复合材料

本实施例中高强度木材复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将水溶性酚醛树脂8kg加入到20kg质量浓度为50％的聚乙二醇溶液中混合均匀得溶液A，在室温下将2kg纳米氧化钙与28kg质量浓度为30％的尿素溶液混合均匀得溶液B，然后将溶液A、溶液B和0.5kg硅烷偶联剂混合均匀，并用氨水调节PH值至6-7，制得木材改性剂；

(2)将木材放入压力浸渍罐中，开启真空泵，抽真空，真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，抽真空时间为5-10min；

(3)不关闭真空泵，保持真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，将木材改性剂加入到压力浸渍罐中，待木材改性剂加满压力浸渍罐后，关闭真空泵，真空浸渍，真空压力设置为1.2MPa～1.5MPa，浸渍时间为4-5h；

(4)将压力浸渍罐中的木材改性剂排出，压力保持在1.2MPa～1.5MPa之间，然后升温至100-120℃，将真空浸渍后的木材于该温度下恒温3-5h；

(5)冷却至室温，取出步骤(4)所得的木材，去离子水洗涤，干燥，即得高强度木材复合材料。

上述聚乙二醇为PEG-400，硅烷偶联剂为γ-氯丙基三乙氧基硅烷。

对比例1高强度木材复合材料

本对比例中木材复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将18kg质量浓度为50％的PEG-400溶液和16.67kg质量浓度为30％的尿素溶液混合均匀，并用氨水调节PH值至6-7，制得木材改性剂；

(2)将木材放入压力浸渍罐中，开启真空泵，抽真空，真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，抽真空时间为5-10min；

(3)不关闭真空泵，保持真空压力为-0.1MPa～-0.05MPa，将木材改性剂加入到压力浸渍罐中，待木材改性剂加满压力浸渍罐后，关闭真空泵，真空浸渍，真空压力设置为1.2MPa～1.5MPa，浸渍时间为4-5h；

(4)将压力浸渍罐中的木材改性剂排出，压力保持在1.2MPa～1.5MPa之间，然后升温至100-120℃，将真空浸渍后的木材于该温度下恒温3-5h；

(5)冷却至室温，取出步骤(4)所得的木材，去离子水洗涤，干燥，即得木材复合材料。

本发明高强度木材复合材料的应用效果试验：

分别采用实施例1-4和对比例1的方法对木材进行改性处理，其中，木材选用杨木2000mm×200mm×25mm(纵向×弦向×径向)，然后对改性杨木进行力学性能和阻燃性能检测，检测结果如表1所示。

阻燃性能测试包括氧指数测试和烟密度测试，其中氧指数测试根据GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》，利用LFY-605型自动氧指数测定仪进行测试，所用试样规格为15mm×5mm×3mm(长×宽×厚)；烟密度测试根据GB/T 8627-2007《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》，利用JCY-2型建材烟密度测试仪进行测试，所用的试样规格为25mm×25mm×6mm(长×宽×厚)。

表1木材复合材料的性能检测结果

从表1的性能检测结果表明，本发明的高强度木材复合材料的抗弯强度和抗压强度有大幅度的提高，表明本发明提高了木材强度和韧性。本发明的氧指数和残炭率均有所提高，因此本发明也提高了木材的阻燃性能。本发明具有高强度和优良的阻燃性能，大幅提高了人工林木材的应用范围，可应用于建筑、地板、家具和门窗制造等领域。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。