[發(fā)明專利]一種高強度木材及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010964303.0
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112171830B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 祝名偉;黃大方;陳延峰
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學
• 主分類號: B27K3/02
• 分類號: B27K3/02;B27K5/00;B27M1/08
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務(wù)所 32305
• 代理人: 李媛媛

本發(fā)明公開了一種高強度木材及其制備方法。該高強度木材由木材細胞單元緊密排布形成的致密微結(jié)構(gòu)，木材細胞單元是由納米纖維素纖維及木質(zhì)素構(gòu)成的實心結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素的含量范圍為0％～90％。本發(fā)明制備方法為：首先通過去除木質(zhì)素的工藝，獲得部分去除木質(zhì)素的木材；然后用化學溶液處理木材的纖維，最后用水清洗去除樣品中的化學殘余，干燥后獲得高強度木材。該高強度木材在密度和力學上有極大的提高，其制備方法原料廣泛，制備步驟簡單，成本低等特點，極大的擴大了木材的應(yīng)用范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種力學強度超高的木材及其制備方法，屬于人工微結(jié)構(gòu)材料、生態(tài)材料及其制備技術(shù)。

背景技術(shù)

木材因其優(yōu)異的性能和自然友好性，成為傳統(tǒng)應(yīng)用方面使用最廣的材料，包括家居、建筑、船舶、運輸?shù)鹊取５悄静囊虿豢杀苊獾纳L缺陷，兼顧生命需求等原因，很難實現(xiàn)在單一性能上的極限要求，因此木材受限于承擔較高力學要求的應(yīng)用，尤其是在許多先進工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中并不理想。鋼、合金等是目前工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的力學優(yōu)異的材料，但其制備工藝復(fù)雜、成本很高，再加上環(huán)境污染的惡化，所以一種環(huán)境友好、可承受較大的強度和不利環(huán)境的超輕超強材料被迫切需要。

木材由具有空腔的厚壁細胞單元構(gòu)成，其細胞壁主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其中纖維素分子鏈平行排列，構(gòu)成幾個納米級的基本纖絲，基本纖絲再組成幾十個納米級的微纖絲，木質(zhì)素主要聚集在這些纖維的空隙中。受缺陷以及木材非均質(zhì)和各向異性的特點影響，木材并不是一個力學性能特別優(yōu)異的材料，一般木材強度只有幾十個兆帕，譬如椴木順紋抗拉強度僅有70多兆帕。但其中的納米纖維素纖維力學強度約幾十個GPa，因此木材是最有潛力實現(xiàn)上述需求的材料。

目前提高木材力學強度和均勻性主要通過壓縮木材，木束纖維膠粘或者與其它材料復(fù)合。譬如由木單板或者刨花通過膠合成多層板或刨花板；還有從木材中獲取粗纖維，然后通過濕法或者干法制備成高密度的纖維板等等。由于加入了膠等物質(zhì)，大大影響了其環(huán)境友好性。而采用淀粉等環(huán)境友好的膠粘結(jié)植物纖維形成的塊材，不僅成本高，而且容易霉變。還有一種通過木材軟化或者去除木質(zhì)素后通過某一方向的壓縮形式獲得力學性能超高的木材，此類材料受壓縮形式的限制，且犧牲了壓縮方向的力學性能，力學性能不是很均勻，不利于生產(chǎn)和應(yīng)用。

如果通過對木材中微納纖維的調(diào)控，不添加其他物質(zhì)，只通過調(diào)控細胞壁內(nèi)多級微納纖維間的相互作用來重新構(gòu)筑超輕超強木材，極大地增強木材的力學強度，減少缺陷，可以讓木材在現(xiàn)代工程應(yīng)用中尤其是需要超輕超強力學要求場所，有更廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種高強度木材及其制備方法。

本發(fā)明的木材采用的技術(shù)方案為：

一種高強度木材，該木材由木材細胞單元緊密排布形成的致密微結(jié)構(gòu)，所述木材細胞單元是由納米纖維素纖維及木質(zhì)素構(gòu)成的實心結(jié)構(gòu)，所述木質(zhì)素的含量范圍為0％～90％。

進一步地，所述木材的密度為1.2-1.6g/cm³，順紋抗拉強度為350MPa-900MPa，抗彎強度為300-600MPa，肖氏硬度D為65-85。

進一步地，所述木材的種類為針葉材或者闊葉材。

本發(fā)明一種高強度木材的制備方法，包括以下步驟：

(1)將木材用A處理溶液處理20分鐘到72小時，去除部分木質(zhì)素，木質(zhì)素去除的含量為10％—100％；所述A處理溶液為強堿溶液、亞硫酸鈉溶液、雙氧水溶液或高溫水蒸煮液；

(2)再用B處理溶液處理30分鐘到48小時，使得木材中木材細胞單元的納米纖維素纖維發(fā)生溶脹；所述B處理溶液為堿/尿素混合溶液、氯化鋰/N,N-二甲基乙酰胺溶液、離子液體、銅氨溶液或者N-甲基嗎啉-N-氧化物溶液；

(3)將步驟(2)得到的塊材用水清洗去除溶液殘留物，干燥后，木材整體收縮，即可獲得所述高強度木材。