CN105965636B - 一种利用生物聚合物‑壳聚糖改性木材、竹材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用生物聚合物‑壳聚糖改性木材、竹材的方法，该方法是以1‑乙基‑3甲基氯化咪唑离子液体为溶剂在加热条件下溶解壳聚糖，并形成均匀稳定的壳聚糖溶液，然后对速生木材或竹材进行改性处理，以1‑乙基‑3甲基氯化咪唑离子液体为溶剂的壳聚糖溶液很容易扩散到木/竹质材料表层，加热干燥后在木/竹基材中形成均匀的壳聚糖层。改性后的木材、竹材具有较好的尺寸稳定性、防霉抗菌性能，同时硬度被得到一定程度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种利用生物聚合物-壳聚糖改性木材、竹材的方法,具体是一种以1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体为壳聚糖的载体，对木材或竹材进行改性处理的方法，属于木材科学与技术领域。
背景技术
木、竹质产品在使用过程中主要存在变形、开裂、发霉、腐朽等缺陷，因而如何通过物理或者化学的方法提高产品的尺寸稳定性、防霉抗菌性等性能是木材加工行业一直关注的热点。
壳聚糖（chitosan）是一种天然线形高聚物，分子量大，吸附作用强，与纤维素有良好的生物相容性，因此在木材染色、木材抗菌以及丝织品、纸质文物加固保护方面的应用得到越来越多的重视。研究结果表明，壳聚糖的浸渍性能好，能在纤维间架桥，具有优良的粘结性和防水性，是一种比较理想的加固材料。
目前，利用壳聚糖改性木材的方法主要是以弱酸（如乙酸等），或者有机溶剂等为溶剂，将壳聚糖溶解在其中形成混合溶液，然后通过浸渍处理将壳聚糖浸入木质材料中，在通过高温干燥得到壳聚糖改性木质产品。但是这类改性方法存在以下几个缺陷：①以弱酸为溶剂时，大量酸的存在在高温下容易使木材发生酸解，导致木材强度降低，性能受到影响；② 弱酸对壳聚糖的溶解度较小，少量的壳聚糖仅能停留在木材表面而不能进入木材基质内部形成有效的壳聚糖薄膜；③ 有机溶剂在使用过程中一般需要100~200℃，因而易挥发导致环境污染。因此，鉴于这些缺点，本发明提出采用离子液体作为溶剂，利用离子液体溶解度大，在40℃左右即可使用的优点使壳聚糖进入木材基材中，干燥后在木材基质形成连续膜结构，可以较好地阻止水分的吸收，提高木材的尺寸稳定性和硬度，以及防霉抗菌的能力。
发明内容
本发明提出的是一种以1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体为壳聚糖的载体，对木材或竹材进行改性处理的方法，其目的旨在减少因弱酸或有机溶剂为载体而导致木材的酸降解和环境污染等缺陷，通过本发明在40℃左右即可使用的优点使壳聚糖进入木材基材中，干燥后在木材基质形成连续膜结构，可以较好地阻止水分的吸收，提高木材的尺寸稳定性和硬度，以及防霉抗菌的能力。
本发明的技术解决方案：一种利用生物聚合物-壳聚糖改性木材、竹材的方法，其特征是该方法包括如下步骤：
1）将木材/竹材试件在102±3℃下真空干燥直至恒重，然后取出木材/竹材试件进行调湿处理至含水率在8～10%，最后放入干燥器中待处理；
2）称取1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体10g为溶剂，按质量比为2%，5%，8%，10%在离子液体中加入不同质量的壳聚糖0.2g，0.5g，0.8g，1g，然后在75～95℃的水浴条件下均匀搅拌20～35分钟，直至壳聚糖混合溶液完全溶解成淡黄色的液体；
3）将完全溶解后的壳聚糖溶液从水浴锅中取出，冷却至室温后，然后放入35～45℃的水浴锅中，再将步骤1）中的木/竹试件放入壳聚糖溶液中，并使其完全被壳聚糖溶液覆盖，浸渍5分钟后，调换木/竹试件在溶液中的位置，使其各个表面能均匀浸渍，总的浸渍时间为20～30分钟，最后取出试件，去除残留在表面的壳聚糖溶液；
4）将步骤3）中经壳聚糖浸渍后的木/竹试件置入蒸馏水中浸泡8～12分钟，使壳聚糖能充分浸入试件内部，然后取出木/竹试件，去除残留在试件表面的水分及壳聚糖溶液；
5）将步骤4）中的试件放入真空干燥箱中在75～85℃下干燥8～12小时，然后再在102±3℃下真空干燥直至恒重；
6）步骤5）中得到的试件即为壳聚糖改性后的木/竹试件，计算出其增重率后，进行性能测试。
本发明的优点：目前，利用壳聚糖改性木材的方法主要是以弱酸（如乙酸等），或者有机溶剂等为溶剂，这些溶剂存在以下几个缺陷：①以弱酸为溶剂时，大量酸的存在在高温下容易使木材发生酸解，导致木材强度降低；② 弱酸对壳聚糖的溶解度较小，少量的壳聚糖仅能停留在木材表面而不能进入木材基质内部形成有效的壳聚糖薄膜；③ 有机溶剂在使用过程中一般需要100~200℃，因而易挥发导致环境污染。本发明以1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体为溶剂，该离子液体对壳聚糖的溶解度高，避免了环境污染和酸降解的缺点，而且在较低温度（40℃）左右仍然以液态溶液形态存在，即可使壳聚糖有效进入木材基材中，干燥后在木材基质形成连续膜结构，较好地阻止水分的吸收，提高木材的尺寸稳定性和硬度，以及防霉抗菌的能力。
附图说明
图1-1是 杨木表层光学显微镜下未处理杨木图。
图1-2是杨木表层光学显微镜壳聚糖改性杨木图。
图2-1是杨木表层扫描电子显微镜下未处理杨木图。
图2-2是杨木表层扫描电子显微镜壳聚糖改性杨木图。
具体实施方式
一种利用生物聚合物-壳聚糖改性木材、竹材的方法，包括如下步骤：
1）将木材/竹材试件在102±3℃下真空干燥直至恒重，然后取出木材/竹材试件进行调湿处理至含水率在8～10%，最后放入干燥器中待处理；
2）称取1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体10g为溶剂，按质量比为2%，5%，8%，10%在离子液体中加入不同质量的壳聚糖0.2g，0.5g，0.8g，1g，然后在75～95℃的水浴条件下均匀搅拌20～35分钟，直至壳聚糖混合溶液完全溶解成淡黄色的液体；
3）将完全溶解后的壳聚糖溶液从水浴锅中取出，冷却至室温后，然后放入35～45℃的水浴锅中，再将步骤1）中的木/竹试件放入壳聚糖溶液中，并使其完全被壳聚糖溶液覆盖，浸渍5分钟后，调换木/竹试件在溶液中的位置，使其各个表面能均匀浸渍，总的浸渍时间为20～30分钟，最后取出试件，去除残留在表面的壳聚糖溶液；
4）将步骤3）中经壳聚糖浸渍后的木/竹试件置入蒸馏水中浸泡8～12分钟，使壳聚糖能充分浸入试件内部，然后取出木/竹试件，去除残留在试件表面的水分及壳聚糖溶液；
5）将步骤4）中的试件放入真空干燥箱中在75～85℃下干燥8～12小时，然后再在102±3℃下真空干燥直至恒重；
6）步骤5）中得到的试件即为壳聚糖改性后的木/竹试件，计算出其增重率后，进行性能测试。
实施例1
以规格为50mm×50mm×30mm（长×宽×厚）的杨木为基材，在102±3℃下真空干燥24小时后取出杨木试件进行调湿处理，将试件含水率调为9%后放入密封的干燥器中。
称取10g的1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体，再按其质量比的2%称取壳聚糖0.2g加入1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体中，然后在90℃的水浴条件下均匀搅拌30分钟，至壳聚糖混合溶液完全溶解成淡黄色的透明液体后停止加温搅拌，再将完全溶解后的壳聚糖溶液从水浴锅中取出冷却至室温后放入40℃的水浴锅中，并将调湿处理后的杨木试件放入壳聚糖溶液中，浸渍5分钟后，调换试件在溶液中的位置，使其各个表面能被均匀浸渍，总的浸渍时间为25分钟，最后取出试件，去除残留在表面的壳聚糖溶液。最后将壳聚糖浸渍后的杨木试件置入蒸馏水中浸泡10分钟后取出试件，去除残留在试件表面的水分及壳聚糖溶液后放入真空干燥箱中在80℃下干燥10小时，然后再在102±3℃下真空干燥直至恒重，得到的试件即为壳聚糖改性后杨木。
实施例2
以规格为50mm×50mm×30mm（长×宽×厚）的杨木为基材，在102±3℃下真空干燥24小时后取出杨木试件进行调湿处理，将试件含水率调为8%后放入密封的干燥器中。
称取10g的1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体，再按其质量比的5%称取壳聚糖0.5g加入1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体中，然后在75℃的水浴条件下均匀搅拌20分钟，至壳聚糖混合溶液完全溶解成淡黄色的透明液体后停止加温搅拌，再将完全溶解后的壳聚糖溶液从水浴锅中取出冷却至室温后放入75℃的水浴锅中，并将调湿处理后的杨木试件放入壳聚糖溶液中，浸渍5分钟后，调换试件在溶液中的位置，使其各个表面能被均匀浸渍，总的浸渍时间为20分钟，最后取出试件，去除残留在表面的壳聚糖溶液。最后将壳聚糖浸渍后的杨木试件置入蒸馏水中浸泡8分钟后取出试件，去除残留在试件表面的水分及壳聚糖溶液后放入真空干燥箱中在80℃下干燥8小时，然后再在102±3℃下真空干燥直至恒重，得到的试件即为壳聚糖改性后杨木。
实施例3
以规格为50mm×50mm×30mm（长×宽×厚）的杨木为基材，在102±3℃下真空干燥24小时后取出杨木试件进行调湿处理，将试件含水率调为10%后放入密封的干燥器中。
称取10g的1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体，再按其质量比的8 %称取壳聚糖0.8g加入1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体中，然后在95℃的水浴条件下均匀搅拌35分钟，至壳聚糖混合溶液完全溶解成淡黄色的透明液体后停止加温搅拌，再将完全溶解后的壳聚糖溶液从水浴锅中取出冷却至室温后放入45℃的水浴锅中，并将调湿处理后的杨木试件放入壳聚糖溶液中，浸渍5分钟后，调换试件在溶液中的位置，使其各个表面能被均匀浸渍，总的浸渍时间为30分钟，最后取出试件，去除残留在表面的壳聚糖溶液。最后将壳聚糖浸渍后的杨木试件置入蒸馏水中浸泡8分钟后取出试件，去除残留在试件表面的水分及壳聚糖溶液后放入真空干燥箱中在85℃下干燥12小时，然后再在102±3℃下真空干燥直至恒重，得到的试件即为壳聚糖改性后杨木。
实施例4
以规格为50mm×50mm×30mm（长×宽×厚）的杨木为基材，在102±3℃下真空干燥24小时后取出杨木试件进行调湿处理，将试件含水率调为7%后放入密封的干燥器中。
称取10g的1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体，再按其质量比的10%称取壳聚糖1.0g加入1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体中，然后在70℃的水浴条件下均匀搅拌37分钟，至壳聚糖混合溶液完全溶解成淡黄色的透明液体后停止加温搅拌，再将完全溶解后的壳聚糖溶液从水浴锅中取出冷却至室温后放入48℃的水浴锅中，并将调湿处理后的杨木试件放入壳聚糖溶液中，浸渍5分钟后，调换试件在溶液中的位置，使其各个表面能被均匀浸渍，总的浸渍时间为32分钟，最后取出试件，去除残留在表面的壳聚糖溶液。最后将壳聚糖浸渍后的杨木试件置入蒸馏水中浸泡13分钟后取出试件，去除残留在试件表面的水分及壳聚糖溶液后放入真空干燥箱中在85℃下干燥12.5小时，然后再在102±3℃下真空干燥直至恒重，得到的试件即为壳聚糖改性后杨木。
性能检测结果如下。
如图1-1所示，未处理杨木是未通过壳聚糖改性的杨木。
如图1-2所示，杨木表层光学显微镜壳聚糖改性杨木是通过壳聚糖改性的杨木。
如图2-1所示，未处理杨木是未通过壳聚糖改性的杨木。
如图2-2所示，杨木表层扫描电子显微镜壳聚糖改性杨木是通过壳聚糖改性的杨木。
光学电镜和扫描电子显微镜显示壳聚糖完全进入木材细胞腔，并在杨木基材内形成了连续的壳聚糖薄膜。
杨木增重率：0.87%；硬度提高率：125%；
7天的吸水率为未处理材的20%；7天的吸水体积膨胀率为未处理材的42%；
防腐检测：根据《木材天然耐腐性实验室试验方法》GB/T13942.1-92检测后评定耐腐等级为Ⅰ级；
防霉性：通过权威官方检测机构的测试，达到户外木材防霉使用要求。
Claims (1)
1.一种利用生物聚合物-壳聚糖改性木材的方法，其特征是该方法包括如下步骤：
1）以规格为50mm×50mm×30mm（长×宽×厚）的杨木为基材，在102±3℃下真空干燥24小时后取出杨木试件进行调湿处理，将试件含水率调为9%后放入密封的干燥器中；
2）称取10g的1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体，再按其质量比的2%称取壳聚糖0.2g加入1-乙基-3甲基氯化咪唑离子液体中，然后在90℃的水浴条件下均匀搅拌30分钟，至壳聚糖混合溶液完全溶解成淡黄色的透明液体后停止加温搅拌，再将完全溶解后的壳聚糖溶液从水浴锅中取出冷却至室温后放入40℃的水浴锅中，并将调湿处理后的杨木试件放入壳聚糖溶液中，浸渍5分钟后，调换试件在溶液中的位置，使其各个表面能被均匀浸渍，总的浸渍时间为25分钟，最后取出试件，去除残留在表面的壳聚糖溶液；
3）将壳聚糖浸渍后的杨木试件置入蒸馏水中浸泡10分钟后取出试件，去除残留在试件表面的水分及壳聚糖溶液后放入真空干燥箱中在80℃下干燥10小时，然后再在102±3℃下真空干燥直至恒重，得到的试件即为壳聚糖改性后杨木。
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