[發明專利]一種基于核磁共振3D打印木材定向結構的方法

有效

• 申請號: 201910517362.0
• 申請日: 2019-06-14
• 公開（公告）號: CN110142840B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 姚利宏;王哲;王喜明;郭宇;李超;曹琪
• 申請（專利權）人: 內蒙古農業大學
• 主分類號: B27M1/00
• 分類號: B27M1/00;B33Y10/00
• 代理公司: 北京君泊知識產權代理有限公司 11496
• 代理人: 王程遠

本發明涉及一種基于核磁共振3D打印木材定向結構的方法，本發明屬于3D打印技術領域。該方法將木材樣品放置于核磁共振分析儀中進行掃描，樣品在水平方向放置順時針旋轉360°，每旋轉一定角度，儀器進行拍攝照片。通過所拍攝一系列有序的照片進行三維模型重構，分析得到木材樣品的空間結構參數信息和細胞組織分布情況。分析所得到的木材樣品三維模型，結合三維建筑模塊的組合連接形式對木材樣品的三維模型進行重排定向，經由3D打印機打印人造木材。同時，打印材料亦可進行選擇和結構設定，使其具備不同的功能屬性。最后分別根據不同情況進行3D打印來測試其力學性能，以得到性能最好的最優方案。

技術領域

本發明涉及3D打印人造木材技術領域，具體的涉及一種基于核磁共振3D打印木材定向結構的方法。

背景技術

木材是一種重要的天然可再生資源，以強重比高，良好的聲學特性，溫和的視覺效果，易加工等優點被人們廣泛利用，從家具到建筑，從器皿到臥具，隨處可見，與人們的生活緊密相關。隨著人們對于實木家具的喜愛逐漸增加，我國木質資源逐年減弱，加快了木材資源的消耗，導致我國的木材嚴重供給不足。近年來大量的人工速生樹種被廣泛種植滿足全球范圍內的木材供應。人工林面積逐年增加，現在已經達到世界人工林面積的前列。

人造木質材料在我們生活中已經非常普遍，現有的人造板即是將木材微型單體通過膠黏劑結合，利用熱壓機壓制所形成，然后進行表面裝飾等后續操作。同時也存在形狀單一，結構緊密不可控和環保方面的問題。

但是由于人工速生林有生長速度快，人工林生長周期短，導致材質松軟、密度低、硬度小、強度低、易腐朽、變形和力學性能差等缺點，這樣的人工速生木材很難用在家具制造等經濟高附加值領域。木材細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。纖維素以微纖維的形態存在于細胞壁中，有較高的結晶度，使植物具有較高的強度，稱微骨架結構；半纖維素是無定型物質，分布在微纖維之中，成為填充物質；對于木質素，一般認為是無定形物質，包圍在微纖維、毫纖維等之間，是纖維與纖維之間形成胞間層的主要物質，稱為結殼物質。木材細胞壁的三大化學成分是影響木材細胞壁力學性能的重要因素，人們往往要對木材進行改性利用，以期達到優美觀感與良好性能。所以探索木材細胞壁結構性能及空間組織形態，提高人工林木材力學強度具有重要意義。

目前3D打印僅使用木材化學成分為原料配方進行打印，未實現對所需要打印的人造木材進行結構、組織的設定，以采用最優的組合方式達到其力學性能的高點，同時也未實現根據設定不同的組織類型賦予產品各項優良性能的目的。此外，紅外光譜測定木材化學成分的測試方法尚不成熟，細胞壁各層的化學成分含量及分布規律有待于進一步的研究。目前對細胞壁各層化學成分含量和空間構成研究較少，依賴于測試方法的提高和有效模型的建立。

在現有技術中，將木材空間結構聯合建筑物穩定的三維建筑結構模塊，利用3D打印技術制作人造木質材料還沒有人嘗試。本發明為解決人工林木材性質差，應用范圍局限的問題，采用3D打印技術對木材細胞壁進行定向調控，得出最佳化學成分空間分布結構及最優配比，且對木材內部微觀組織結構進行重新設計構建，引入建筑模塊，達到木材強度可調節，內部細胞類型及形態可控制的效果。

發明內容

為解決上述問題，本發明的目的在于實現人為調控木材內部微觀結構，獲得各項性能均優異的人造木材。

為達到上述目的，本發明的技術方案為：一種基于核磁共振3D打印木材定向結構的方法，包括以下步驟：

(1)利用Rhinoceros軟件對木材細胞壁各組分含量及空間位置進行設定，建立三維模型；

(2)利用3D打印技術獲得步驟(1)中不同壁層結構類型的纖維型單體；

(3)選擇合適的木材樣品，確定要分析的結構位置，調整核磁共振儀的分辨率及參數；

(4)將木材樣品放入核磁共振儀測試位置，并開始掃描拍攝，獲取一系列有序的木材微觀結構圖像；