一种提高木制工艺品表面碳化层防腐保护效果的加工工艺

技术领域

本发明属于木制品加工技术领域，具体涉及一种提高木制工艺品表面碳化层防腐保护效果的加工工艺。

背景技术

木材主要由纤维素、半纤维素组成，纤维素在木材细胞壁中起骨架作用，其化学性质和超分子结构对木材的强度有重要影响。纤维素中的羟基和水分子也可形成氢键，不同部位的羟基之间存在的氢键直接影响着木材的吸湿和解吸过程。大量的氢键可以提高木材的强度，减少吸湿性，降低化学反应性等，且纤维素的吸湿性直接影响到限位的尺寸稳定性和强度。木材经过碳化工艺后，使羟基的浓度减少，化学结构发生复杂的变化，从而使木材的吸湿性降低。半纤维素是细胞壁中与细胞膜紧密联结的物质，起粘结作用，是基体物质，半纤维素吸湿性强、耐热性差、容易水解，在外界条件作用下易于发生变化，是木材中吸湿性最大的组分，是使木材产生吸湿膨胀、变形开裂的因素之一，通过碳化可以使半纤维素被破坏，因而可降低木材的吸湿性，减少木材的膨胀与收缩，并且使木材具有优良的防腐及抗生物侵袭的作用。

目前，通过采用氧焊枪烧烤，使木材表面具有一层很薄的碳化层，使得木材可以凸显表面凹凸的木纹，产生立体效果，并且使得木材安全耐用，防腐防虫。例如中国专利CN2017104432900公开了一种木材防腐碳化方法，具体公开了通过设置第一级碳化、第二级碳化和第三级碳化使得木材中的纤维素、半纤维素和木质素均能够充分碳化，使得碳化更加充分，碳化效果更好，从而使得木材具有优良的防腐性能；但是，通过对木材进行碳化处理，把木质纤维内部存在的水分子也给被剥夺掉了，使得木材成为“死木”状态，改变了其质量和强度特性，失去了原有的韧性，变得很脆弱，容易断裂，从而导致表面碳化层防腐保护效果的降低。

发明内容

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高木制工艺品表面碳化层防腐保护效果的加工工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高木制工艺品表面碳化层防腐保护效果的加工工艺，具体工艺如下：

1）将木制工艺品加入到质量浓度为1.5-2.5%的氢氧化钠溶液中，室温下浸渍40-50h，取出后用去离子水反复洗涤至滤液呈中性，然后转移至真空烘箱中，在100-120℃下干燥5-6h，烘干后采用氧焊枪烧烤进行表面碳化处理，将经过预炭化的木制工艺品浸入质量浓度为2-3%的氢氧化钾溶液中，在氮气气氛下加热至120-160℃，加热处理1-2h，然后用1-1.5M盐酸溶液彻底洗涤木制工艺品，再用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，放置于100-110℃真空烘箱中过夜，得到表面碳化木制工艺品；本发明中，通过将木材进行碱液处理，可以将木材纤维表面大部分的蜡质和杂质去除，经过表面碳化处理后浸渍在氢氧化钾溶液中进行热处理，可以保证木材纤维空心管壁未出现坍塌现象，并且纤维表面会有很多被腐蚀的小洞，从而增加了木材纤维的比表面积，从而有助于提高木材纤维管壁的负载能力；

2）按照质量体积比为3:25-28g/ml，将氧化钼粉超声分散于无水乙醇中形成悬浮液，将占氧化钼质量15-18%的预氧化聚丙烯腈纤维浸入悬浮液中1-2min，取出后在空气中自然干燥，将干燥后的前驱体置于管式炉下气流区高温加热区中间，同时按照硫粉与预氧化聚丙烯腈纤维的质量比为20-23:1，将硫粉置于管式炉上气流区低温加热区中间，密封后进行抽真空及洗气处理，通入高纯氩气，流量控制在50-60sccn，管式炉内部压力控制在-0.03--0.05MPa，之后，先将下气流区高温区在20-25min内从室温升温至400-450℃，保温10-15min后，再将高温区在40-45min内加热至1100-1150℃并保温20-30min，与此同时，在40-45min内将上气流低温加热区从室温加热至300-350℃并保温20-25min，待加热结束后，将管式炉自然冷却至室温，经过粉碎后得到单丝直径在8-10μm，长度在30-60μm的复合碳纤维粉；本发明中，采用热蒸发法，以氧化钼作为钼源，以预氧化聚丙烯腈纤维作为碳源，以硫粉作为硫源，以高纯氩气作为载气和保护气体，通过高温热分解及硫化反应，使得硫化钼纳米片原位密集并且垂直生长在碳纤维的表面构建核壳复合结构，形成表面具有垂直纳米片结构的复合碳纤维，碳纤维表面垂直的纳米片之间会相互嵌插形成插层结构，使得碳纤维通过纳米片之间的插层相互串联，从而形成连续的碳纤维网络结构，由于碳纤维是通过多层纳米片之间相互嵌插重叠在一起而相互串联的，多层纳米片的嵌插重叠使得碳纤维之间连接牢固度得到提升，从而使得形成的连续相碳纤维不易发生断裂；

3）称取适量的三聚氰胺溶于甲醇中，得到质量浓度为5-10%三聚氰胺甲醇溶液，将适量的复合碳纤维经过酰氯化处理后超声分散于N，N-二甲基甲酰胺溶液中，得到质量浓度为15-20%的分散液，按照体积比为1:2-3，将三聚氰胺甲醇溶液加入到分散液中，在85-95℃和60-100r/min条件下，反应4-5h，待反应结束，冷却后进行真空抽滤，并且用蒸馏水进行反复洗涤，干燥后得到改性复合碳纤维；本发明中，采用化学接枝法将三聚氰胺接枝到复合碳纤维表面，接枝的三聚氢钠分布在复合碳纤维表面的沟槽中使沟槽变浅，可以有效的保护碳纤维防止其表面及内部产生缺陷及破坏，从而有助于提高复合碳纤维的韧性和强度；

4）将改性复合碳纤维和适量的分散剂共同分散于水溶液中，得到质量浓度为1.5-2.5%的改性复合碳纤维分散液，其中，分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素中至少一种，掺量为改性复合碳纤维质量的0.5-0.8%，将表面碳化木制工艺品于常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至50-100Pa，然后注入改性复合碳纤维分散液对表面碳化木制工艺品进行浸渍2-3h，最后加压至2-3MPa，保压时间为3-5h，经处理后的木制工艺品取出，烘干后即可得到所需的木制工艺品；本发明中，通过真空-加压浸渍工艺，使得改性复合碳纤维渗入到木制工艺品表面碳化层中，并以木材纤维管壁作为负载基体，在碳化层中形成连续的碳纤维网络结构，从而提高了碳化层的韧性，使得碳化层不易出现断裂，从而提升了碳化层对木制工艺品的保护效果。

进一步，所述聚丙烯腈纤维预氧化处理工艺如下：先在氮气气氛下，将聚丙烯腈纤维由室温经5-8℃/min升至210-215℃，恒温20-25min，以相同速率继续升温至230-235℃恒温20-25min，然后在空气气氛下，以相同速率升温至250-255℃恒温20-25min，再次以相同速率升温至270-275℃恒温20-25min即可。

进一步，所述复合碳纤维经过酰氯化处理的方法如下：将复合碳纤维浸入到过硫酸钾/硝酸银混合溶液中，其中过硫酸钾浓度为0.1-0.15mol/L，硝酸银浓度为0.01-0.015mol/L，在70-75℃下恒温反应1-2h，将产物用去离子水反复洗涤后烘干，然后再置于体积比为20:1的氯化亚砜/N，N-二甲基甲酰胺混合溶液中，在80-85℃下保持45-50h，待反应结束后进行减压蒸馏，烘干后即可。

本发明相比现有技术具有以下优点：

针对现有技术中存在的，木材经过碳化处理后失去了原有的韧性，变得很脆弱，容易断裂的技术缺陷，本发明采用真空-加压浸渍工艺，将改性复合碳纤维渗入到木制工艺品的表面碳化层中，并以木材纤维管壁作为负载基体，通过改性复合碳纤维表面纳米片之间的插层相互串联，从而在碳化层中形成连续的碳纤维网络结构，从而提高了碳化层的韧性，使得碳化层不易出现断裂，从而提升了碳化层对木制工艺品的保护效果。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种提高木制工艺品表面碳化层防腐保护效果的加工工艺，具体工艺如下：

1）选用柳木作为原料加工制得工艺品，将其加入到质量浓度为1.5%的氢氧化钠溶液中，室温下浸渍40h，取出后用去离子水反复洗涤至滤液呈中性，然后转移至真空烘箱中，在100℃下干燥5h，烘干后采用氧焊枪烧烤工艺，用25mm口径喷灯加压，火焰调整到蓝色，火焰长度调整到200mm，保持匀速烧烤，烧烤时先用湿抹布涂湿，均匀移动，调整停留时间3秒，形成深度为1mm的碳化层，将经过预炭化的木制工艺品浸入质量浓度为2%的氢氧化钾溶液中，在氮气气氛下加热至120℃，加热处理1h，然后用1M盐酸溶液彻底洗涤木制工艺品，再用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，放置于100℃真空烘箱中过夜，得到表面碳化木制工艺品；

2）按照质量体积比为3:25g/ml，将氧化钼粉超声分散于无水乙醇中形成悬浮液，将占氧化钼质量15%的预氧化聚丙烯腈纤维浸入悬浮液中1min，取出后在空气中自然干燥，将干燥后的前驱体置于管式炉下气流区高温加热区中间，同时按照硫粉与预氧化聚丙烯腈纤维的质量比为20:1，将硫粉置于管式炉上气流区低温加热区中间，密封后进行抽真空及洗气处理，通入高纯氩气，流量控制在50sccn，管式炉内部压力控制在-0.03MPa，之后，先将下气流区高温区在20min内从室温升温至400℃，保温10min后，再将高温区在40min内加热至1100℃并保温20min，与此同时，在40min内将上气流低温加热区从室温加热至300℃并保温20min，待加热结束后，将管式炉自然冷却至室温，经过粉碎后得到单丝直径在8μm，长度在30μm的复合碳纤维粉；

3）称取适量的三聚氰胺溶于甲醇中，得到质量浓度为5%三聚氰胺甲醇溶液，将适量的复合碳纤维经过酰氯化处理后超声分散于N，N-二甲基甲酰胺溶液中，得到质量浓度为15%的分散液，按照体积比为1:2，将三聚氰胺甲醇溶液加入到分散液中，在85℃和60r/min条件下，反应4h，待反应结束，冷却后进行真空抽滤，并且用蒸馏水进行反复洗涤，干燥后得到改性复合碳纤维；

4）将改性复合碳纤维和适量的分散剂共同分散于水溶液中，得到质量浓度为1.5%的改性复合碳纤维分散液，其中，分散剂为甲基纤维素，掺量为改性复合碳纤维质量的0.5%，将表面碳化木制工艺品于常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至50Pa，然后注入改性复合碳纤维分散液对表面碳化木制工艺品进行浸渍2h，最后加压至2MPa，保压时间为3h，经处理后的木制工艺品取出，烘干后即可得到所需的木制工艺品。

进一步，所述聚丙烯腈纤维预氧化处理工艺如下：先在氮气气氛下，将聚丙烯腈纤维由室温经5℃/min升至210℃，恒温20min，以相同速率继续升温至230℃恒温20min，然后在空气气氛下，以相同速率升温至250℃恒温20min，再次以相同速率升温至270℃恒温20min即可。

进一步，所述复合碳纤维经过酰氯化处理的方法如下：将复合碳纤维浸入到过硫酸钾/硝酸银混合溶液中，其中过硫酸钾浓度为0.1mol/L，硝酸银浓度为0.01mol/L，在70℃下恒温反应1h，将产物用去离子水反复洗涤后烘干，然后再置于体积比为20:1的氯化亚砜/N，N-二甲基甲酰胺混合溶液中，在80℃下保持45h，待反应结束后进行减压蒸馏，烘干后即可。

实施例2

一种提高木制工艺品表面碳化层防腐保护效果的加工工艺，具体工艺如下：

1）选用柳木作为原料加工制得工艺品，将其加入到质量浓度为2.0%的氢氧化钠溶液中，室温下浸渍45h，取出后用去离子水反复洗涤至滤液呈中性，然后转移至真空烘箱中，在110℃下干燥5.5h，烘干后采用氧焊枪烧烤工艺，用25mm口径喷灯加压，火焰调整到蓝色，火焰长度调整到200mm，保持匀速烧烤，烧烤时先用湿抹布涂湿，均匀移动，调整停留时间4秒，形成深度为1.3mm的碳化层，将经过预炭化的木制工艺品浸入质量浓度为2.5%的氢氧化钾溶液中，在氮气气氛下加热至150℃，加热处理1.5h，然后用1.2M盐酸溶液彻底洗涤木制工艺品，再用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，放置于105℃真空烘箱中过夜，得到表面碳化木制工艺品；

2）按照质量体积比为3:26g/ml，将氧化钼粉超声分散于无水乙醇中形成悬浮液，将占氧化钼质量17%的预氧化聚丙烯腈纤维浸入悬浮液中2min，取出后在空气中自然干燥，将干燥后的前驱体置于管式炉下气流区高温加热区中间，同时按照硫粉与预氧化聚丙烯腈纤维的质量比为21:1，将硫粉置于管式炉上气流区低温加热区中间，密封后进行抽真空及洗气处理，通入高纯氩气，流量控制在55sccn，管式炉内部压力控制在-0.04MPa，之后，先将下气流区高温区在23min内从室温升温至430℃，保温13min后，再将高温区在42min内加热至1130℃并保温25min，与此同时，在42min内将上气流低温加热区从室温加热至320℃并保温22min，待加热结束后，将管式炉自然冷却至室温，经过粉碎后得到单丝直径在10μm，长度在50μm的复合碳纤维粉；

3）称取适量的三聚氰胺溶于甲醇中，得到质量浓度为8%三聚氰胺甲醇溶液，将适量的复合碳纤维经过酰氯化处理后超声分散于N，N-二甲基甲酰胺溶液中，得到质量浓度为17%的分散液，按照体积比为1:2.5，将三聚氰胺甲醇溶液加入到分散液中，在90℃和80r/min条件下，反应4.5h，待反应结束，冷却后进行真空抽滤，并且用蒸馏水进行反复洗涤，干燥后得到改性复合碳纤维；

4）将改性复合碳纤维和适量的分散剂共同分散于水溶液中，得到质量浓度为2.0%的改性复合碳纤维分散液，其中，分散剂为羧甲基纤维素钠，掺量为改性复合碳纤维质量的0.7%，将表面碳化木制工艺品于常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至80Pa，然后注入改性复合碳纤维分散液对表面碳化木制工艺品进行浸渍2.5h，最后加压至2.5MPa，保压时间为4h，经处理后的木制工艺品取出，烘干后即可得到所需的木制工艺品。

进一步，所述聚丙烯腈纤维预氧化处理工艺如下：先在氮气气氛下，将聚丙烯腈纤维由室温经6℃/min升至212℃，恒温23min，以相同速率继续升温至232℃恒温23min，然后在空气气氛下，以相同速率升温至252℃恒温23min，再次以相同速率升温至272℃恒温23min即可。

进一步，所述复合碳纤维经过酰氯化处理的方法如下：将复合碳纤维浸入到过硫酸钾/硝酸银混合溶液中，其中过硫酸钾浓度为0.12mol/L，硝酸银浓度为0.013mol/L，在72℃下恒温反应1.5h，将产物用去离子水反复洗涤后烘干，然后再置于体积比为20:1的氯化亚砜/N，N-二甲基甲酰胺混合溶液中，在82℃下保持46h，待反应结束后进行减压蒸馏，烘干后即可。

实施例3

一种提高木制工艺品表面碳化层防腐保护效果的加工工艺，具体工艺如下：

1）选用柳木作为原料加工制得工艺品，将其加入到质量浓度为2.5%的氢氧化钠溶液中，室温下浸渍50h，取出后用去离子水反复洗涤至滤液呈中性，然后转移至真空烘箱中，在120℃下干燥6h，烘干后采用氧焊枪烧烤工艺，用25mm口径喷灯加压，火焰调整到蓝色，火焰长度调整到200mm，保持匀速烧烤，烧烤时先用湿抹布涂湿，均匀移动，调整停留时间5秒，形成深度为1.5mm的碳化层，将经过预炭化的木制工艺品浸入质量浓度为3%的氢氧化钾溶液中，在氮气气氛下加热至160℃，加热处理2h，然后用1.5M盐酸溶液彻底洗涤木制工艺品，再用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，放置于110℃真空烘箱中过夜，得到表面碳化木制工艺品；

2）按照质量体积比为3:28g/ml，将氧化钼粉超声分散于无水乙醇中形成悬浮液，将占氧化钼质量18%的预氧化聚丙烯腈纤维浸入悬浮液中2min，取出后在空气中自然干燥，将干燥后的前驱体置于管式炉下气流区高温加热区中间，同时按照硫粉与预氧化聚丙烯腈纤维的质量比为23:1，将硫粉置于管式炉上气流区低温加热区中间，密封后进行抽真空及洗气处理，通入高纯氩气，流量控制在60sccn，管式炉内部压力控制在-0.05MPa，之后，先将下气流区高温区在25min内从室温升温至450℃，保温15min后，再将高温区在45min内加热至1150℃并保温30min，与此同时，在45min内将上气流低温加热区从室温加热至350℃并保温25min，待加热结束后，将管式炉自然冷却至室温，经过粉碎后得到单丝直径在10μm，长度在60μm的复合碳纤维粉；

3）称取适量的三聚氰胺溶于甲醇中，得到质量浓度为10%三聚氰胺甲醇溶液，将适量的复合碳纤维经过酰氯化处理后超声分散于N，N-二甲基甲酰胺溶液中，得到质量浓度为20%的分散液，按照体积比为1:3，将三聚氰胺甲醇溶液加入到分散液中，在95℃和100r/min条件下，反应5h，待反应结束，冷却后进行真空抽滤，并且用蒸馏水进行反复洗涤，干燥后得到改性复合碳纤维；

4）将改性复合碳纤维和适量的分散剂共同分散于水溶液中，得到质量浓度为2.5%的改性复合碳纤维分散液，其中，分散剂为羟乙基纤维素，掺量为改性复合碳纤维质量的0.8%，将表面碳化木制工艺品于常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至100Pa，然后注入改性复合碳纤维分散液对表面碳化木制工艺品进行浸渍3h，最后加压至3MPa，保压时间为5h，经处理后的木制工艺品取出，烘干后即可得到所需的木制工艺品。

进一步，所述聚丙烯腈纤维预氧化处理工艺如下：先在氮气气氛下，将聚丙烯腈纤维由室温经8℃/min升至215℃，恒温25min，以相同速率继续升温至235℃恒温25min，然后在空气气氛下，以相同速率升温至255℃恒温25min，再次以相同速率升温至275℃恒温25min即可。

进一步，所述复合碳纤维经过酰氯化处理的方法如下：将复合碳纤维浸入到过硫酸钾/硝酸银混合溶液中，其中过硫酸钾浓度为0.15mol/L，硝酸银浓度为0.015mol/L，在75℃下恒温反应2h，将产物用去离子水反复洗涤后烘干，然后再置于体积比为20:1的氯化亚砜/N，N-二甲基甲酰胺混合溶液中，在85℃下保持50h，待反应结束后进行减压蒸馏，烘干后即可。

对比例1：去除步骤1）中，将经过预炭化的木制工艺品浸入氢氧化钾溶液中，在氮气气氛下进行加热处理，其余与实施例1相同。

对比例2：去除步骤2）中的复合碳纤维粉，选用聚丙烯腈纤维作为原料制得单丝直径在8μm，长度在30μm的碳纤维粉替代，其余与实施例1相同。

对比例3：去除步骤3）中三聚氰胺接枝改性处理，其余与实施例1相同。

测试实验

选取含水率为8-12%，厚度为5mm，长度为950mm，宽度为130mm的柳木板材作为试样，采用实施例1-3以及对比例1-3提供的工艺方法对其加工处理，对照组的柳木板材按照对比例1提供的工艺方法，只进行表层碳化处理，各工艺方法提供的板材试样均为50组，然后按照GB/T1927-1973-2009《木材物理力学性质试验方法》等标准，采用优鸿测控技术（上海）有限公司提供的UH4000万能力学试验机对板材试样进行抗弯曲性能测试，结果如下：相比较对照组提供的表层碳化柳木板材，实施例1提供的板材试样，抗弯曲强度提升了46.2%；实施例2提供的板材试样，抗弯曲强度提升了47.6%；实施例3提供的板材试样，抗弯曲强度提升了46.8%；对比例1提供的板材试样，抗弯曲强度提升了26.4%；对比例2提供的板材试样，抗弯曲强度提升了13.7%；对比例3提供的板材试样，抗弯曲强度提升了38.6%。

通过上述试验结果可知，本发明提供的处理工艺，有效的改善木材表面碳化层韧性较差，碳化层易出现断裂的技术缺陷，可以有效的提升碳化层对木制工艺品的保护效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。