CN106243391A - 透明木材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的是透明木材的制备方法，具体包括以下工艺步骤：（一）先将薄木样品在100℃‑110℃下干燥24h；（二）将干燥后的样品、纯水、生物酶及冰乙酸充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度35‑50℃，反应1‑2h，之后用去离子水冲洗；（三）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水提取；（四）随后用去离子水冲洗，再随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮抽提脱水，制得脱木素木模板；（五）将聚合物注入到脱木素木模板，浸润其腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，得到透明木材。优点：1）制得的透明木材具有较高的光学透过率；2）本方法工艺简单且环保，所制得的材料质量轻；3）木材组织的分层结构保存完好，力学性能也较之前优异。

Description

透明木材的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种透明木材的制备方法，属于新型木材技术开发及改性领域。
背景技术
随着经济的发展，能源的消耗也在不断增加。因此，降低建筑业的能源消耗成为研究的热点,在这方面，取之不尽，用之不竭的太阳能能源受到极大关注,由于透光建筑可以实现人工光源部分被自然光代替，可以有助于减少能源的需求。
森林资源是可再生能源，且木材是使用最广泛的生物建筑材料，因此研究人员期望通过改变木模板来改善其功能和特性,CN104858955A的专利公开了一种生产抗菌阻燃木材的方法，包括木材预处理、木材处理剂配备、制备木材处理液、浸渍处理、固化处理、干燥处理、光照处理的步骤，包括钛酸乙酯、异丙醇、乙酰丙酮、水、硅溶胶、八硼酸钠、吡虫啉、氯化镁、硼酸锌、磷酸二铵、钼酸铵、异辛醇磷酸酯和十二烷基硫酸钠木材处理剂，将木材改性使其具备优良的防腐、抗菌、阻燃、抑烟等功能，并且尺寸稳定，不易开裂，强度好，抗流失性强，经久耐用。而本发明也是通过木材改性来改善其各方面的性能，创新之处在于是通过改性木材使其具备较高的透光率。为实现木材的光学透明，必须对纳米材料进行调整,从木材中提取的纤维素纤维已广泛用于制备透明纸，即通过纤维素的溶解与再生，聚合物注入，或降低纤维素的纤维直径至纳米级；CN1166553的专利公开了一种纸浆的脱木素和/或漂白方法，涉及一种借助过氧酸优选对化学纸浆进行选择性脱木素和/或漂白的改进方法，根据该方法，纸浆在至少一种用于粘度保护的助剂的存在下用该有机过氧酸的水溶液进行处理，所述助剂选自：磷的无机酸及其碱金属盐，优选选自：焦磷酸，焦磷酸钠及其铵盐。本发明也需要脱木素和注入聚合物或纳米复合材料，与之不同的是，本发明将脱木素阶段运用到了木模板上，来完成后续透明木材的制备。
透明木材是通过将折射率与样品细胞壁成分相匹配，且其本身光学透明的聚合物注入到脱木素木模板中，浸润其腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网制得的。本发明使用的聚合物即可以是甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等折射率相匹配的光学单体聚合物，也可以是复合型的聚合物。环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯等能够与无机纳米粒子形成聚合物物质，故常被用作复合材料基质。由于细胞壁上的定向纤维素纳米纤维，所以表现出优异的结构性能，且透明木材组织的分层结构保存完好。这种材料质量轻、成本低，在透光建筑物和透明太阳能电池窗户等方面应用前景广阔。
发明内容
本发明提出的是一种透明木材的制备方法，其目的旨在对木材进行改性，运用环保的脱木素工艺及聚合物的注入方式制备一种具有高光学透过率的透明木材。
本发明的技术解决方案：透明木材的制备方法，其特征在于该方法包括以下工艺步骤：
（一）先将薄木样品在100℃-110℃下干燥24h；
（二）将干燥后的样品、纯水、生物酶及冰乙酸（调PH为3-5）充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度35-50℃，反应1-2h，之后用去离子水冲洗；
（三）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水提取；
（四）随后用去离子水冲洗，再随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮抽提脱水，制得脱木素木模板；
（五）将聚合物注入到脱木素木模板，浸润其腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，得到透明木材。
本发明的优点：
1）本发明具有较高的70%以上的光学透过率；
2）本发明工艺简单环保，所制得的材料质量轻，可应用在透光建筑物和透明太阳能电池窗户等；
3）木材组织的分层结构保存完好，力学性能（强度和弹性模量）也比之前优异。
具体实施方式
透明木材的制备方法，其特征在于该方法包括以下工艺步骤：
（1）先将薄木样品在100℃-110℃下干燥24h；
（2）将干燥后的样品、纯水、生物酶及冰乙酸（调PH为3-5）充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度35-50℃，反应1-2h，之后用去离子水冲洗；
（3）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水提取；
（4）随后用去离子水冲洗，再随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮抽提脱水，制得脱木素木模板；
（5）将聚合物注入到脱木素木模板，浸润其腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，得到透明木材。
所述步骤（1）中的薄木样品为密度0.47g/cm3的桦木。
所述步骤（2）中的生物酶是合成的漆酶/木聚糖酶体系，酶用量为10IU/g。
所述步骤（2）中的样品与水的质量比为1:30-40，添加的过氧化氢为样品质量的4%。
所述步骤（3）中的质量分数为30%的双氧水和25%的氨水体积比为(15-20)：1。
所述步骤（4）中的乙醇和丙酮混合液的体积比为（0.5-2）：1。
所述步骤（4）中依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮超声抽提脱水：其中纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮的体积比为1:1:1；所述纯乙醇抽提脱水、乙醇和丙酮混合溶液抽提脱水、纯丙酮抽提脱水为三步超声抽提脱水，其每步超声抽提脱水重复三次，每次3min。
所述步骤（5）入的聚合物为折射率与样品细胞壁成分相匹配的光学单体聚合物或者是能够与无机纳米粒子形成聚合物物质的复合型聚合物。
所述的折射率与样品细胞壁成分相匹配的光学单体聚合物为甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂中的一种。
所述的能够与无机纳米粒子形成聚合物物质的复合型聚合物为纳米SnO2(质量分数为25%的纳米SnO2粒子)/甲基丙烯酸甲酯、纳米CaCO3(质量分数为0.1%的纳米CaCO3粒子)/甲基丙烯酸甲酯、纳米ZrO2（质量分数为10%的纳米ZrO2粒子）/环氧树脂中的一种。
所述步骤（4）的作用：洗去样品表面的残留物，用乙醇充分脱水，而使用丙酮可以促进乙醇和水的去除，便于干燥，同时，乙醇和丙酮还兼具抽提作用。
环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯等能够与无机纳米粒子形成聚合物物质，故常被用作复合材料基质；由于细胞壁上的定向纤维素纳米纤维的排列及其与聚合物之间的协同作用，所以表现出的力学性能（高强度和弹性模量）比之前优异，且透明木材组织的分层结构保存完好，这种材料质量轻、成本低，可广泛应用在透光建筑物和透明太阳能电池窗户等方面。
本发明中先将纳米纤维素模板脱木素处理，即在100℃-110℃的条件下干燥24h，将干燥后的样品、纯水、生物酶及冰乙酸（调PH为3-5）充分混合，添加微量过氧化氢反应，之后用去离子水冲洗，再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水提取，随后用去离子水冲洗，再随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮抽提脱水，制得脱木素木模板，将聚合物注入到该模板，浸润其腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，所得即为透明木材。
木素的折射率是1.61，而纤维素（折射率1.53）和半纤维素（折射率≈1.53）的折射率比较低，脱除木素后，细胞壁成分的折射率几乎可达到1.53；为了进一步减少光散射和降低纳米孔隙度，可以注入折射率相匹配的聚合物，来调节光学界面。
以下结合具体的实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例1
制备透明木材，包括以下步骤：
（1）密度0.47g/cm3的桦木在102℃下干燥24h；
（2）将干燥后的样品、纯水、生物酶(合成的漆酶/木聚糖酶体系，酶用量为10IU/g)及冰乙酸（调PH为3.5）充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度45℃，反应1h，之后用去离子水冲洗；所述样品与水的质量比为1:30，添加的过氧化氢为样品质量的4%；
（3）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水以体积比15:1提取；
（4）提取后的样品用去离子水冲洗，随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮超声抽提脱水，每步超声抽提脱水重复三次，每次3min，其中乙醇和丙酮混合液的体积比为0.5：1；纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮的体积比为1:1:1；
（5）注入聚合物，浸润脱木素模板的腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，具体包括：
1）将纯MMA单体（甲基丙烯酸甲酯），AIBN（0.2g/ml）引发剂混合，搅拌均匀，在80℃下预聚合15min；
2）在冰-水浴中冷却至室温终止反应；
3）将所得的预聚合MMA在真空下浸润脱木素模板30min三次；
4）在75℃的条件下，放在烘箱中加热4h，得到透明木材。
本实施例中步骤（5）中所述的聚合物为甲基丙烯酸甲酯。
经测试，本实施例制得的透明木材，具有较高的72%的透光率。
实施例2
制备透明木材，包括以下步骤：
（1）密度0.47g/cm3的桦木在110℃下干燥24h；
（2）将干燥后的样品、纯水、生物酶(合成的漆酶/木聚糖酶体系，酶用量为10IU/g)及冰乙酸（调PH为4）充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度35℃，反应1.5h，之后用去离子水冲洗；所述样品与水的质量比为1:35，添加的过氧化氢为样品质量的4%；
（3）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水以体积比20:1提取；
（4）提取后的样品用去离子水冲洗，随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮超声抽提脱水，每步超声抽提脱水重复三次，每次3min，其中乙醇和丙酮混合液的体积比为1：1；纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮的体积比为1:1:1；
（5）注入聚合物，浸润脱木素模板的腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，具体包括：
1）将纯环氧树脂和固化剂聚酰胺以1:0.4的配比在真空下浸润脱木素模板30min三次；
2）在100℃的条件下，反应1.5h，得到透明木材。
本实施例中步骤（5）中所述的聚合物为环氧树脂。
经测试，本实施例制得的透明木材，具有较高的80%的透光率。
实施例3
制备透明木材，包括以下步骤：
（1）密度0.47g/cm3的桦木在100℃下干燥24h；
（2）将干燥后的样品、纯水、生物酶(合成的漆酶/木聚糖酶体系，酶用量为10IU/g)及冰乙酸（调PH为5）充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度50℃，反应2h，之后用去离子水冲洗；所述样品与水的质量比为1:40，添加的过氧化氢为样品质量的4%；
（3）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水以体积比18:1提取；
（4）提取后的样品用去离子水冲洗，随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮超声抽提脱水，每步超声抽提脱水重复三次，每次3min，其中乙醇和丙酮混合液的体积比为2：1；纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮的体积比为1:1:1；
（5）注入聚合物，浸润脱木素模板的腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，具体包括：
1）将预聚合纳米SnO2(质量分数为25%的纳米SnO2粒子)/MMA在真空下浸润脱木素模板30min三次；
2）在60℃的条件下，反应4h，得到透明木材。
本实施例中步骤（5）中所述的聚合物为纳米SnO2(质量分数为25%的纳米SnO2粒子)/甲基丙烯酸甲酯。
经测试，本实施例制得的透明木材，具有较高的71%的透光率。
实施例4
制备透明木材，包括以下步骤：
（1）密度0.47g/cm3的桦木在105℃下干燥24h；
（2）将干燥后的样品、纯水、生物酶(合成的漆酶/木聚糖酶体系，酶用量为10IU/g)及冰乙酸（调PH为4.5）充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度46℃，反应1h，之后用去离子水冲洗；所述样品与水的质量比为1:38，添加的过氧化氢为样品质量的4%；
（3）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水以体积比16:1提取；
（4）提取后的样品用去离子水冲洗，随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮超声抽提脱水，每步超声抽提脱水重复三次，每次3min，其中乙醇和丙酮混合液的体积比为1：1；纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮的体积比为1:1:1；
（5）注入聚合物，浸润脱木素模板的腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，具体包括：
1）将预聚合纳米CaCO3(质量分数为0.1%的纳米CaCO3粒子)/MMA在真空下浸润脱木素模板30min三次；
2）在75℃的条件下，反应4.5h，得到透明木材。
本实施例中步骤（5）中所述的聚合物为纳米CaCO3(质量分数为0.1%的纳米CaCO3粒子)/甲基丙烯酸甲酯。
经测试，本实施例制得的透明木材，具有较高的70%的透光率。
实施例5
制备透明木材，包括以下步骤：
（1）密度0.47g/cm3的桦木在108℃下干燥24h；
（2）将干燥后的样品、纯水、生物酶(合成的漆酶/木聚糖酶体系，酶用量为10IU/g)及冰乙酸（调PH为4.5）充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度38℃，反应2h，之后用去离子水冲洗；所述样品与水的质量比为1:35，添加的过氧化氢为样品质量的4%；
（3）再将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水以体积比16:1提取；
（4）提取后的样品用去离子水冲洗，随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮超声抽提脱水，每步超声抽提脱水重复三次，每次3min，其中乙醇和丙酮混合液的体积比为1.5：1；纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮的体积比为1:1:1；
（5）注入聚合物，浸润脱木素模板的腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，具体包括：
1）将纳米ZrO2（质量分数为10%的纳米ZrO2粒子）/环氧树脂和固化剂聚酰胺以1:0.4的配比在真空下浸润脱木素模板30min三次；
2）在100℃的条件下，反应2h，得到透明木材。
本实施例中步骤（5）中所述的聚合物为纳米ZrO2（质量分数为10%的纳米ZrO2粒子）/环氧树脂。
经测试，本实施例制得的透明木材，具有较高的83%的透光率。
尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.透明木材的制备方法，其特征在于该方法包括以下工艺步骤：
（一）将薄木样品在100℃-110℃下干燥24h；
（二）将干燥后的样品、纯水、生物酶及冰乙酸,调PH为3-5,充分混合，添加微量过氧化氢，反应温度35-50℃，反应1-2h，之后用去离子水冲洗；
（三）将样品用质量分数为30%的双氧水和25%的氨水提取；
（四）用去离子水冲洗，随后依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮抽提脱水，制得脱木素木模板；
（五）将聚合物注入到脱木素木模板，浸润其腔和细胞壁上的纳米纤维素纤维网，得到透明木材。
2.根据权利要求1所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中的薄木样品为密度0.47g/cm3的桦木。
3.根据权利要求1所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中的生物酶是合成的漆酶/木聚糖酶体系，酶用量为10IU/g。
4.根据权利要求1所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中的样品与水的质量比为1:30-40，添加的过氧化氢为样品质量的4%。
5.根据权利要求1所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述步骤（3）中的质量分数为30%的双氧水和25%的氨水体积比为(15-20):1。
6.根据权利要求1所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述步骤（4）中的乙醇和丙酮混合液的体积比为(0.5-2):1。
7.根据权利要求1所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述步骤（4）中依次用纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮超声抽提脱水：其中纯乙醇、乙醇和丙酮混合溶液、纯丙酮的体积比为1:1:1；所述纯乙醇抽提脱水、乙醇和丙酮混合溶液抽提脱水、纯丙酮抽提脱水为三步超声抽提脱水，其每步超声抽提脱水重复三次，每次3min。
8.根据权利要求1所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述步骤（5）中注入的聚合物为折射率与样品细胞壁成分相匹配的光学单体聚合物或者是与无机纳米粒子形成聚合物物质的复合型聚合物。
9.根据权利要求8所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述的折射率与样品细胞壁成分相匹配的光学单体聚合物为甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂中的一种。
10.根据权利要求8所述的透明木材的制备方法，其特征在于所述的能够与无机纳米粒子形成聚合物物质的复合型聚合物为纳米SnO2,质量分数为25%的纳米SnO2粒子/甲基丙烯酸甲酯、纳米CaCO3,质量分数为0.1%的纳米CaCO3粒子/甲基丙烯酸甲酯、纳米ZrO2，质量分数为10%的纳米ZrO2粒子/环氧树脂中的一种。
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Assignee: Nanjing DIO Furniture Co., Ltd.

Assignor: Nanjing Forestry University

Contract record no.: 2019320000151

Denomination of invention: Production method of transparent timber

Granted publication date: 20181211

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Assignor: Nanjing Forestry University

Contract record no.: 2019320000150

Denomination of invention: Production method of transparent timber

Granted publication date: 20181211

License type: Common License

Record date: 20190521