CN107042559B

CN107042559B - 一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料及其制备方法

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Publication number: CN107042559B
Application number: CN201710201499.6A
Authority: CN
Inventors: 方志强; 陈港; 刘宇; 况宇迪; 张俊奇
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2019-03-05
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: CN107042559A

Abstract

本发明公开了一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：（1）将木材切成所需特定形状的木片；（2）将木片浸泡在含有亚硫酸钠、氢氧化钠和甲醇蒸煮液的反应釜中，蒸煮；（3）将蒸煮后的木片用清水洗涤，除去残余蒸煮液后，加压干燥，得到所述具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料。本发明的复合材料具有钢筋混凝土结构，抗张强度最高达810MPa，是原始木片的20倍。本发明制备方法工艺简单，制备过程中不需要添加任何难生物降解和对环境有害的物质，是一种高效率、环境友好的制备方法。

Description

一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于生物基材料领域，尤其涉及一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料及其制备方法。

背景技术

高强复合材料在航空航天、汽车、建筑等领域有广泛的应用。但是，目前由于石油危机与环境问题等全球性问题，大量的研究旨在用生物材料来替代不可再生石油基材料制备高强复合材料，以实现人与自然的可持续发展。木材是最广泛使用的生物材料，主要由定向排列的纤维素纤维、木素和半纤维素构成，具有机械性能优异、储量大、可再生以及可生物降解等优点，是一种环境友好型材料，在家具制造、房屋建筑和造船等领域广泛应用。木材表现出的优异机械性能，主要来源于木材微孔的结构、木质纤维的层次结构以及纤维与木素和半纤维之间的相互作用(Gibson L J.The hierarchical structure andmechanics of plant materials[J].Journal of the Royal Society Interface,2012,9(76):2749-2766)。纤维素纤维细胞壁由薄的初级壁和三个次级层(S1，S2和S3)组成。每层主要由纳米纤维素纤维组成，并被半纤维素和木质素组成的无定形基质包围。纤维素分子链通过氢键平行排列成基原纤，其通过自主装定向排列成为原纤聚集体，原先聚合体进一步通过氢键组装成木质纤维的细胞壁。木质纤维的层级结构赋予木材优异的力学性能。此外，木质素和半纤维素分布于纤维的细胞壁中，起到填充和粘结的作用，能以物理和化学的方式使纤维素纤维之间粘结和加固，维持木材的刚性。此外，木素能够在木材体内形成一层疏水外壳，保证水分的正常运输。因此，利用木材的微孔结构，纤维素纤维的层级结构以及木素的抗水和粘结特性，制备天然高强度复合材料具有重要社会和经济价值。

单根纳米纤维素的杨氏模量和拉伸强度最高可以达到130GPa和1GPa。但是由木质纤维组成的纸张的传统的制浆造纸技术制备的纸张的机械性能与纳米纤维素相差甚远。这主要归结于纸张中的随机排列的木质纤维，而且在制浆的打浆过程中化学和机械处理会使木质纤维的层级结构受到不同程度的损伤。在造纸过程中没有充分利用存在于木材的结构特性。近年来，大量的研究利用木材独特结构和纤维微观结构制备丰富的生物基产品。如从木材中提取的纳米纤维素(CNF)和纤维素纳米晶体(CNC)由于其优异的机械性能和光学性能等，在电子器件，能源和一些其他领域具有广泛的应用前景(Chen L,Wang Q,Hirth K,etal.Tailoring the yield and characteristics of wood cellulose nanocrystals(CNC)using concentrated acid hydrolysis[J].Cellulose,2015,22(3):1753-1762.)。但是，目前纳米纤维素的制备能耗高、效率低，因此，现阶段存在工业化前景不明朗，成本高等问题。美国Hu研究团队和瑞典Lars研究团队等利用木材中天然的微孔结构，将木材中的木质素脱除后浸入环氧树脂和甲基丙烯酸甲酯制备出高透明的复合材料可用于建筑，汽车等行业(Zhu M,Song J,Li T,et al.Highly Anisotropic,Highly Transparent WoodComposites[J].Advanced Materials,2016.)(Li Y,Fu Q,Yu S,et al.OpticallyTransparent Wood from a Nanoporous Cellulosic Template:Combining Functionaland Structural Performance[J].Biomacromolecules,2016,17(4):1358-1364.)。然而，这种透明木头的强度仅能达到50-100MPa，而且，在制备过程中还加入了环氧树脂和甲基丙烯酸甲酯等难以生物降解的物质。

本发明从纤维素聚合链及其对齐结构增强木材机械性能特点出发，提出一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料。通过蒸煮的办法脱除部分木素，软化木材结构的同时，保持了木材完整的结构，然后在一定的压力下加压干燥，得到该高强纤维素/木素复合材料。

发明内容

本发明提供了一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料及其制备方法。

本发明通过以下技术方案实现。

一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将木材切成所需特定形状的木片；

(2)将木片加入含有亚硫酸钠、氢氧化钠和甲醇溶液的反应釜中，蒸煮，脱除杂质和部分木素，使木材发生软化，同时保持木材结构的完整；

(3)将蒸煮后的木片用清水洗涤，除去残余蒸煮液后，加压干燥，得到所述具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料。

进一步地，步骤(1)中，所述木材包括所有的木材原料。

进一步地，步骤(2)中，相对于绝干木片，所述亚硫酸钠的添加量为15％-25％。

进一步地，步骤(2)中，相对于绝干木片，所述氢氧化钠的添加量为5％-10％。

进一步地，步骤(2)中，所述甲醇溶液的浓度为20～30vol％。

进一步地，步骤(2)中，进行蒸煮的液比为1:10～15。

进一步地，步骤(2)中，所述蒸煮是在150～170℃保温2～6h，优选为2～4h。

进一步地，步骤(2)中，所述搅拌过程中不用搅拌，保持木片完整的形状结构。

进一步地，步骤(3)中，所述加压干燥的压力为4～10MPa，优选为6～10MPa；加压干燥过程中，直接将木片压制成复合材料，保持了纤维对齐的排列方向。

进一步地，步骤(3)中，所述加压干燥的时间为4～12h。

由上述任一项所述制备方法制得的一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料，具有钢筋混凝土结构：纤维素纤维之间沿着纤维轴向平行排列(钢筋)，起到力学支撑的作用；木素均匀分布在纤维素纤维之间的胞间层(混凝土)，起到粘结作用。

所述一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料为高强复合材料，厚度为200-650μm，密度为0.9-1.2g/cm³，拉伸强度为390-810MPa。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

(1)本发明制备过程工艺简单，是一种高效率的制备方法；

(2)本发明的具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料由于含有疏水物质木素，从而具有优良的抗水抗溶剂性能；

(3)本发明的具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料，具有钢筋混凝土结构：纤维素纤维之间沿着纤维轴向平行排列(钢筋)，起到力学支撑的作用；木素均匀分布在纤维素纤维之间的胞间层(混凝土)，起到粘结作用，从而使复合材料具有优异的机械性能，抗张强度最高达810MPa，是原始木片的20倍，是一种高强材料，在建筑、汽车和航空航天等领域有着广泛的应用前景。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

实施例1

(1)将杉木段切成50mm×40mm×4mm木片；

(2)将木片加入含有亚硫酸钠(相对绝干木片，添加量为15％)、氢氧化钠(相对绝干木片，添加量为5％)和甲醇溶液(浓度为20vol％)蒸煮液的反应釜中，液比为1:10，150℃保温2h，反应过程中不用搅拌，保持木片完整的形状结构；

(3)将蒸煮后的木片洗涤除去残余蒸煮药液后，在4MPa的压力下干燥4h，制得具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料，水分为22％。

通过以上步骤制得的高强纤维素/木素复合材料的厚度为650μm，密度0.9g/cm³，拉伸强度为390MPa，原始木片拉伸强度为43MPa。

实施例2

(1)将杉木段切成50mm×40mm×4mm木片；

(3)将蒸煮后的木片洗涤除去残余蒸煮药液后，在4MPa的压力下干燥12h，制得具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料，水分为14％。

通过以上步骤制得的高强纤维素/木素复合材料的厚度为590μm，密度1g/cm3，拉伸强度为487MPa，原始木片拉伸强度为43MPa。

实施例3

(1)将杉木段切成70mm×50mm×4mm木片；

(2)将木片加入含有亚硫酸钠(相对绝干木片，添加量为25％)、氢氧化钠(相对绝干木片，添加量为10％)和甲醇溶液(浓度为30vol％)蒸煮液的反应釜中，液比为1:15，170℃保温6h，反应过程中不用搅拌，保持木片完整的形状结构；

(3)将蒸煮后的木片洗涤除去残余蒸煮药液后，在6MPa压力下干燥7h，制得钢筋混凝土结构的纤维素/木素复材料，水分为16％。

通过以上步骤制得的高强纤维素/木素复复合材料的厚度为200μm，密度1.1g/cm³，拉伸强度为590MPa，原始木片拉伸强度为43MPa。

实施例4

(1)将杨木段切成200mm×100mm×4mm木片；

(2)将木片加入含有亚硫酸钠(相对绝干木片，添加量为20％)、氢氧化钠(相对绝干木片，添加量为5％)和甲醇溶液(浓度为20vol％)蒸煮液的反应釜中，液比为1:15，170℃保温5h，反应过程中不用搅拌，保持木片完整的形状结构；

(3)将蒸煮后的木片洗涤除去残余蒸煮药液后，在6MPa压力下干燥9h，制得钢筋混凝土结构的纤维素/木素复材料，水分为13％。

通过以上步骤制得的高强纤维素/木素复合材料的厚度为310μm，密度1.0g/cm³，拉伸强度为712MPa，原始木片拉伸强度为43MPa。

实施例5

(1)将桉木段切成50mm×40mm×4mm木片；

(2)将木片加入含有亚硫酸钠(相对绝干木片，添加量为22％)、氢氧化钠(相对绝干木片，添加量为7％)和甲醇溶液(浓度为25vol％)蒸煮液的反应釜中，液比为1:13，160℃保温4h，反应过程中不用搅拌，保持木片完整的形状结构；

(3)将蒸煮后的木片洗涤除去残余蒸煮药液后，在5MPa压力下干燥7h，制得钢筋混凝土结构的纤维素/木素复材料，水分为15％。

通过以上步骤制得的高强纤维素/木素复合材料的厚度为510μm，密度1.0g/cm³，拉伸强度为665MPa，原始木片拉伸强度为43MPa。

实施例6

(1)将杉木段切成50mm×40mm×4mm木片；

(2)将木片加入含有亚硫酸钠(相对绝干木片，添加量为20％)、氢氧化钠(相对绝干木片，添加量为5％)和甲醇溶液(浓度为20vol％)蒸煮液的反应釜中，液比为1:10，170℃保温4h，反应过程中不用搅拌，保持木片完整的形状结构；

(3)将蒸煮后的木片洗涤除去残余蒸煮药液后，在10MPa压力下干燥11h，制得钢筋混凝土结构的纤维素/木素复材料，水分为10％。

通过以上步骤制得的高强纤维素/木素复复合材料的厚度为256μm，密度1.2g/cm³，拉伸强度为810MPa，原始木片拉伸强度为43MPa。

Claims

1.一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将木材切成所需特定形状的木片；

（2）将木片加入含有亚硫酸钠、氢氧化钠和甲醇溶液的反应釜中，蒸煮；所述蒸煮过程中不用搅拌，保持木片完整的形状结构；相对于绝干木片，氢氧化钠的添加量为5%-10%，亚硫酸钠的添加量为15%-25%；液比为1:10~15；所述蒸煮是在150~170℃保温2~6h；

（3）将蒸煮后的木片用清水洗涤，除去残余蒸煮液后，加压干燥，得到所述具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料；所述加压干燥的压力为4~10MPa，加压干燥时间为4-12h。

2.根据权利要求1所述的一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述木材包括所有的木材原料。

3.根据权利要求1所述的一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述甲醇溶液的浓度为20~30vol%。

4.由权利要求1~3任一项所述制备方法制得的一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料，其特征在于，具有钢筋混凝土结构：纤维素纤维之间沿着纤维轴向平行排列，起到力学支撑的作用；木素均匀分布在纤维素纤维之间的胞间层，起到粘结作用。

5.根据权利要求4所述的一种具有钢筋混凝土结构的高强纤维素/木素复合材料，其特征在于，为高强复合材料，厚度为200-650 μm，密度为0.9-1.2 g/cm³，拉伸强度为390-810MPa。