CN103817756A - 一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法 - Google Patents
一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,包括以下步骤:(1)木材的预处理;(2)含硅前驱体溶液的配制;(3)超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注;(4)陈化;(5)干燥。本发明利用超声波震荡实现溶胶-凝胶法过程中含硅前驱体溶液对木材的快速浸注,生产工艺简单迅速、大量节省时间、制造成本低廉、质量稳定,在短时间内就能使大部分纳米二氧化硅沉积在木材细胞壁、部分以凝胶的形式填充于细胞腔;最大限度地保持木材的环境学特征的同时使木材的热稳定性、吸湿性和防水性明显改善,力学性能和尺寸稳定性大为提高,使得材质松软的木材可以用于制备室内装饰和家具用材,具有广阔的发展前景。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域,具体涉及一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法。
背景技术
作为一种天然可再生的资源,木材质轻、容积重小、强度高、强重比大、声热传导性低、干材电绝缘性好、材色佳、纹理美,是理想的室内外建筑和装饰材料。但木材易燃且受环境影响极大,长期与氧、光、湿气接触,易变色、开裂、磨损和挫伤,还容易受到微生物和昆虫的侵害。所以,对木材的改性处理长期以来一直受到广泛关注。
传统对木材的改性方法主要有化学改性和热处理两种。化学改性如添加合适的防腐剂,使用木器漆/专用涂料等, 成本低、工艺简单,但其中所含的铜、铬、砷等重金属离子和氯、酚醛等化合物对环境和人畜都有潜在的危害。热处理的方式安全无毒,但会使木材的组分发生不同程度的降解和结构变化,降低木材的力学强度,同时加深木材的材色,影响木材的美观感。
为此近年来常采用无机材料对木材进行改性,从而达到在提高木材多方面的性能的同时保持木材的环境学特征。采用无机材料对木材进行改性,如中国专利ZL201110070132.8“用硅溶胶制备强化木材的方法”、中国专利ZL200710050082.0“二氧化硅/木材复合材料的制造方法”。以上方法虽然能够利用无机物木材,赋予其良好的热稳定性、耐候性、力学性能等,但是生产工艺耗时长、成本相对高、复合不够均匀等问题,在实际生产应用汇中受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,利用超声波震荡实现溶胶-凝胶法过程中含硅前驱体溶液对木材的快速浸注,生产工艺简单迅速、大量节省时间、制造成本低廉、质量稳定,在短时间内就能使大部分纳米二氧化硅沉积在木材细胞壁、部分以凝胶的形式填充于细胞腔;最大限度地保持木材的环境学特征的同时使木材的热稳定性、吸湿性和防水性明显改善,力学性能和尺寸稳定性大为提高,使得材质松软的木材可以用于制备室内装饰和家具用材,具有广阔的发展前景。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法包括以下步骤:
(1)原木经去皮、切割后,加水蒸煮20~30 h,90 ~115℃下干燥8~24 h,控制木材的含水率为0~30%;
(2)以硅醇盐溶液为前驱体,无水乙醇为溶剂,酸为催化剂,磁力搅拌15~40 min,制得硅前驱体溶液;其中硅醇盐、去离子水和无水乙醇的摩尔比为1:0.5~8:0.5~4,边搅拌边滴加酸,调节溶液的pH=1~3;
(3)将步骤(1)的木材浸入步骤(2)的硅前驱体溶液中,17~30℃下超声处理0.1~16 h;
(4)取出浸注后的木材,轻轻擦拭去除木材表面微量的溶胶,17~30℃下陈化1~7d;
(5)陈化后的木材在90 ~115℃下干燥8 ~24 h,冷却至室温,制得二氧化硅/木材复合材料。
步骤(1)所述的原木包括杉木、松木、杨木、桦木和轻木。
步骤(2)所述的硅醇盐为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯中的一种。
步骤(2)所述的酸为盐酸、醋酸、磷酸、硫酸、甲酸、丙烯酸、柠檬酸、草酸中的一种。
超声处理使用的是型号为KQ–100TDE高频数控超声波清洗器。
本发明的显著优点在于:
本发明采用溶胶-凝胶工艺,利用超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注,使纳米二氧化硅渗透到木材内部,使大部分纳米二氧化硅颗粒与木材细胞壁的羟基以氢键相互联系形成稳定的化学键接,牢固地结合在木材内部的细胞壁上,部分纳米二氧化硅颗粒表面的不饱和残键等活性基团借助物理和化学作用力形成牢固的结合,以凝胶的形式填充于细胞腔。由于纳米二氧化硅键合到木材内部,不仅最大限度地保持木材的环境学特征,保持了本身所具有的天然纹理、色泽和花纹,还使木材的热稳定性、吸湿性和防水性明显改善,力学性能和尺寸稳定性大为提高。与常规的制造二氧化硅/木材复合材料或硅溶胶制备强化木材的相比,利用超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注,工艺更简单,极大地减少了生产工艺时间,节约了成本。
超声波震荡的溶胶-凝胶法是利用超声波在液体中传播时产生交替的压缩和稀薄周期,产生空化气泡,经过多次压缩循环,空化气泡剧烈地崩溃,产生瞬间的高达5000 ℃的高温和约为500个大气压的压力。该方法促进了各相之间的物质传递和碰撞,增加了纳米二氧化硅前驱体溶液和木材之间的化学反应程度,使得纳米二氧化硅溶胶与木材中的羟基基团形成稳定的化学键,同时提高了纳米二氧化硅向木材内部的渗透量。
本发明的方法生产工艺简单迅速、大量节省时间、成本降低、质量稳定、复合均匀,在很短时间内就能使大部分纳米二氧化硅进入木材细胞壁与细胞壁物质发生化学结合、部分以凝胶的形式沉积于细胞腔,达到在最大限度地保持木材的环境学特征的同时使木材的热稳定性、吸湿性和防水性明显改善,力学性能和尺寸稳定性大为提高,被高附加值利用在制备室内外装饰、建筑材料和家具用材等领域。
附图说明
图1是实施例3制备的二氧化硅/木材复合材料的环境扫描电子显微镜(ESEM)观测图;
图2是图1所对应的X-射线能谱扫描图;
图3是实施例4制备的二氧化硅/木材复合材料横截面的环境扫描电子显微镜(ESEM)观测图;
图4是实施例4制备的二氧化硅/木材复合材料纵截面的环境扫描电子显微镜(ESEM)观测图;
图5是图3所对应的X-射线能谱扫描图;
图6是实施例3制备的二氧化硅/木材复合材料的水接触角照片;
图7是实施例4制备的二氧化硅/木材复合材料的水接触角照片;
图8是实施例3和4制备的二氧化硅/木材复合材料在氮气气氛下热失重曲线,图中1表示实施例4经过步骤三处理后的木材的热失重曲线,图中2表示实施例3经过步骤三处理后的木材的热失重曲线,图中3表示未处理木材的热失重曲线。
具体实施方式
实施例1:
快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法如下:
一、木材的预处理:原木经去皮、切割后,置于容器加水预热蒸煮24 h,放入烘干箱,调节干燥温度为 103 ℃,烘干时间为 18 h,进行预干处理。
二、含硅前驱体溶液的配置:正硅酸乙酯为前驱体,无水乙醇为溶剂均匀混合得到混合液,添加浓盐酸作为催化剂,其中正硅酸乙酯、去离子水物质的量之比1∶2,正硅酸乙酯、无水乙醇按物质的量之比1∶2均匀混合,边磁力搅拌边滴加浓盐酸使整个溶液的pH值为2.5。保持磁力搅拌30 min,直到搅拌充分,得到透明、澄清的硅前驱体溶液。
三、超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注:将含水率为0%的杉木浸入到含硅前驱体溶液中,放入到高频数控超声波清洗器中(频率为80 kHz,功率为50 W),保持温度在20℃,进行超声震荡30 min后得到浸注后的木材。
四、对浸注完的木材进行陈化:超声处理完成后,取出浸注后的木材,轻轻擦拭去除木材表面微量的溶胶,先将其放置在20 ℃,以及一个大气压下保持 2 d,使生成的二氧化硅溶胶陈化。
五、对陈化后的样品进行干燥得到改性的木材:陈化完成后的木材放在烘干箱,干燥温度103 ℃,烘18 h后冷却至室温,使溶胶凝胶化,即快速得到二氧化硅/木材复合材料。
实施例2
快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法如下:
一、木材的预处理:原木经去皮、切割后,置于容器加水预热蒸煮24 h,放入烘干箱,调节干燥温度为 103 ℃,烘干时间为 18 h,进行预干处理。
二、含硅前驱体溶液的配置:正硅酸乙酯为前驱体,无水乙醇为溶剂均匀混合得到混合液,添加浓盐酸作为催化剂,其中正硅酸乙酯、去离子水物质的量之比1∶2,正硅酸乙酯、无水乙醇按物质的量之比1∶2均匀混合,边磁力搅拌边滴加浓盐酸使整个溶液的pH值为2.5。保持磁力搅拌30 min,直到搅拌充分,得到透明、澄清的硅前驱体溶液。
三、超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注:将含水率为0% 的杉木浸入到含硅前驱体溶液中,放入到高频数控超声波清洗器中(频率为80 kHz,功率为100 W),保持温度在20 ℃,进行超声震荡30 min后得到浸注后的木材。
四、对浸注完的木材进行陈化:超声处理完成后,取出浸注后的木材,轻轻擦拭去除木材表面微量的溶胶,先将其放置在20 ℃,以及一个大气压下保持 2 d,使生成的二氧化硅溶胶陈化。
五、对陈化后的样品进行干燥得到改性的木材:陈化完成后的木材放在烘干箱,干燥温度103 ℃,烘18 h后冷却至室温,使溶胶凝胶化,即快速得到二氧化硅/木材复合材料。
实施例3
快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法如下:
一、木材的预处理:原木经去皮、切割后,置于容器加水预热蒸煮24 h,放入烘干箱,调节干燥温度为 103 ℃,烘干时间为 18 h,进行预干处理。
二、含硅前驱体溶液的配置:正硅酸乙酯为前驱体,无水乙醇为溶剂均匀混合得到混合液,添加浓盐酸作为催化剂,其中正硅酸乙酯、去离子水物质的量之比1∶2,正硅酸乙酯、无水乙醇按物质的量之比1∶2均匀混合,边磁力搅拌边滴加浓盐酸使整个溶液的pH值为2.5。保持磁力搅拌30 min,直到搅拌充分,得到透明、澄清的硅前驱体溶液。
三、超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注:将含水率为0% 的杉木浸入到含硅前驱体溶液中,放入到高频数控超声波清洗器中(频率为80 kHz,功率为100 W),保持温度在20 ℃,进行超声震荡1 h后得到浸注后的木材。
四、对浸注完的木材进行陈化:超声处理完成后,取出浸注后的木材,轻轻擦拭去除木材表面微量的溶胶,先将其放置在20 ℃,以及一个大气压下保持 2 d,使生成的二氧化硅溶胶陈化。
五、对陈化后的样品进行干燥得到改性的木材:陈化完成后的木材放在烘干箱,干燥温度103 ℃,烘18 h后冷却至室温,使溶胶凝胶化,即快速得到二氧化硅/木材复合材料。
本实施例制备的二氧化硅/木材复合材料的横截面进行环境扫描电子显微镜(ESEM)表征,得到表面形貌如图1所示。图1中木材细胞腔中的二氧化硅纳米溶胶几乎很少,绝大部分都通过超声渗透到木材细胞壁内。
由图2中插图可清晰观测到杉木细胞壁中来自于原始材料前驱体溶液中的Si元素的存在,且主要是存在于细胞壁中,很少的存在于细胞腔。表1表明通过X-射线能谱扫描检测该ESEM观测图(图1)细胞壁中的Si元素重量百分含量为38.29%;原子百分含量为23.79%。由图1和表1定性和定量证明了该复合材料中存在的Si元素。
表1
本实施例制备的二氧化硅/木材复合材料的水接触角为110.69°,如图6。
实施例4
快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法如下:
一、木材的预处理:原木经去皮、切割后,置于容器加水预热蒸煮24 h,放入烘干箱,调节干燥温度为 103 ℃,烘干时间为 18 h,进行预干处理。
二、含硅前驱体溶液的配置:正硅酸乙酯为前驱体,无水乙醇为溶剂均匀混合得到混合液,添加浓盐酸作为催化剂,其中正硅酸乙酯、去离子水物质的量之比1∶2,正硅酸乙酯、无水乙醇按物质的量之比1∶2均匀混合,边磁力搅拌边滴加浓盐酸使整个溶液的pH值为2.5。保持磁力搅拌30 min,直到搅拌充分,得到透明、澄清的硅前驱体溶液。
三、超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注:将含水率为0% 的杉木浸入到含硅前驱体溶液中,放入到高频数控超声波清洗器中(频率为80 kHz,功率为50W),保持温度在20 ℃,进行超声震荡1 h后得到浸注后的木材。
四、对浸注完的木材进行陈化:超声处理完成后,取出浸注后的木材,轻轻擦拭去除木材表面微量的溶胶,先将其放置在20 ℃,以及一个大气压下保持 2 d,使生成的二氧化硅溶胶陈化。
五、对陈化后的样品进行干燥得到改性的木材:陈化完成后的木材放在烘干箱,干燥温度103 ℃,烘18 h后冷却至室温,使溶胶凝胶化,即快速得到二氧化硅/木材复合材料。
本实施例制备的二氧化硅/木材复合材料的横截面进行环境扫描电子显微镜(ESEM)表征,得到表面形貌如图3所示。对得到的快速制造二氧化硅/木材复合材料的纵截面进行环境扫描电子显微镜(ESEM)表征,得到表面形貌如图4所示。图3、图4中木材细胞腔中的二氧化硅纳米溶胶几乎很少,绝大部分都通过超声渗透到木材细胞壁内。
由图5中可清晰观测到杉木细胞壁中来自于原始材料前驱体溶液中的Si元素的存在,且主要是存在于细胞壁中,很少的存在于细胞腔。表2表明通过X-射线能谱扫描检测该ESEM观测图(图3)细胞壁中的Si元素重量百分含量为56.00%;原子百分含量为40.12%。由图3和表1定性和定量证明了该复合材料中存在的Si元素。
表2
本实施例制备的二氧化硅/木材复合材料的水接触角为127.78°,如图7,处理后木材具有一定的防水性。
图1、2和图3、4、5的Si元素含量的不同取决于不同的超声功率和超声时间所带来的浸注量的差异。
图8可知快速制备二氧化硅/木材复合材料的初始热降解温度、快速降解温度及失重平衡温度较未处理杉木的相应温度高,这说明改性后木材的热稳定性明显提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)原木经去皮、切割后,加水蒸煮20~30 h,90 ~115℃下干燥8~24 h,控制木材的含水率为0~30%;
(2)以硅醇盐溶液为前驱体,无水乙醇为溶剂,酸为催化剂,磁力搅拌15~40 min,制得硅前驱体溶液;其中硅醇盐、去离子水和无水乙醇的摩尔比为1:0.5~8:0.5~4,边搅拌边滴加酸,调节溶液的pH=1~3;
(3)将步骤(1)的木材浸入步骤(2)的硅前驱体溶液中,17~30℃下超声处理0.1~16 h;
(4)取出浸注后的木材,轻轻擦拭去除木材表面微量的溶胶,17~30℃下陈化1~7d;
(5)陈化后的木材在90 ~115℃下干燥8 ~24 h,冷却至室温,制得二氧化硅/木材复合材料。
2.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:步骤(1)所述的原木包括杉木、松木、杨木、桦木和轻木。
3.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:步骤(2)所述的硅醇盐为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯中的一种。
4.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:步骤(2)所述的酸为盐酸、醋酸、磷酸、硫酸、甲酸、丙烯酸、柠檬酸、草酸中的一种。
5.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:原木经去皮、切割后,加水蒸煮24h,103℃下干燥18h。
6.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:硅醇盐、去离子水和无水乙醇的摩尔比为1:2:2。
7.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:调节溶液的pH=2.5。
8.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:超声处理使用的是型号为KQ–100TDE高频数控超声波清洗器。
9.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:20℃下陈化6d。
10.根据权利要求1所述的快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法,其特征在于:陈化后的木材在103℃下干燥18h。
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CN103817756B (zh) | 2016-01-06 |
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