CN108656276B - 一种能工业化生产和应用的纤维素骨架材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能工业化生产和应用的纤维素骨架材料及其制备方法，所述材料包括纤维素和木质素，木质素含量为0.8%~10%，纤维素骨架材料保持原木骨架的固定外形尺寸，所述骨架材料的长度尺寸为1~50cm，宽度尺寸为1~50 cm，厚度尺寸为0.01~5cm，所述骨架材料的胞间质、细胞壁上形成微孔。所述方法包括漂白液配制、漂白液汽蒸/雾化及漂洗工序。本发明方保留原有的木材骨架，形成纤维素木材骨架材料。本发明纤维素骨架材料尺寸大、厚度厚、木质素含量0.8%～10%可调，灌入折射率匹配的环氧树脂后，能够得到相应尺寸、厚度透明木材，其透光率可达到90%，不仅透光性好，而且能够减少热量流失。

Description

一种能工业化生产和应用的纤维素骨架材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料工艺技术领域，涉及一种多孔结构、使用方便的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料及其制备方法。
背景技术
木质基材料及其制品是日常生活和经济建设中用途最广泛的四大材料（钢材、水泥、木材和塑料）中唯一的生物类材料。虽然具有高强重比、易黏结、刚柔适中、可再生利用等优点，但由于天然木材具有在可见光范围内散射光的微米级孔道、木质素含量高达30 %，木质素吸收可见光，导致大多数木材的在外观上不透明且具有一定的颜色。玻璃作为透光材料，被广泛应用作窗户、透明屋顶。有研究报道，用于加热或制冷建筑室内的能源，有1/3由于玻璃窗户的高导热性而失去。室内空调、照明光源所消耗的能源，占建筑总能源消耗的50%。由于经济的快速发展，我国建筑领域的能源需求在逐年增加，因此降低建筑领域的能源需求变得尤为重要。随着我国节能减排的持续推进，对可见光透明、低导热性能的木材基复合材料已成为近期研究热点。木质素的去除以及在木材多孔结构内填充与纤维素骨架折射率匹配的聚合物，是获得透明木材的两大关键步骤，其中木质素的去除至关重要。木质素不仅吸收可见光使得木材不透明，还起到“胶黏剂”作用，与半纤维素一起使得木材具有很强的机械强度。因此，高效去除木质素与完整保留原有木材纤维素骨架是两个自相矛盾的方面。也就是说，为了得到高透明度木材，木质素的含量必须尽可能降低。然而，随着木质素含量降低，剩余的纤维素骨架机械强度降低，导致其不能保持原有的木材骨架，易破碎，这使得现有的去除木质素方法不适于从大尺寸（大于10厘米）、超厚（厚度超过1厘米）木材中去除木质素。灌注与纤维素折射率匹配的聚合物后，难以得到满足要求的大尺寸、超厚透明木材。
近年来，氢氧化钠、次氯酸钠、亚氯酸钠、双氧水、过氧乙酸、氯气、亚硫酸钠等在纸浆工艺中作为漂白剂的化学物质被众多科研工作者借鉴，成功从原木中直接去除木质素，获得纤维素骨架。瑞典的Las BerLund、美国马里兰大学的胡良兵分别通过NaClO2、NaOH/Na2SO3-H2O2去除木材中的木质素，木质素含量可以从原始木材的25 %降低到2.5 %。然后，在纤维素骨架内填充PMMA/环氧树脂作为木质素替代物，制备出透明木材。由于所制备的透明木材不仅可透过可见光，还具有远低于玻璃的导热性能，文中作者预测，所制备的透明木材有望代替建筑物中的玻璃用来降低建筑使用过程中的能源消耗（室内照明、取暖、制冷等）。
经过上述技术路线得到的透明木材，尺寸和厚度都处于实验室级别，严重制约了透明木材的大面积工业化生产。例如，美国马里兰大学、上海大学的科研工作者，为了研究透明木材屋顶（8厘米x 12厘米）、CsxWO3/透明木材窗户（30厘米x 25厘米）的透光性、隔热性能，只能分别用厚度为0.5厘米的6块、42 块小尺寸透明木材拼接而成，间接说明了现有的去除木质素方法难以应用于大尺寸、超厚木材。因此，研发一种大尺寸（大于10厘米x 10厘米x 1厘米）的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料及其制备方法，在将木质素含量降低到低于1 %的同时，还能保持原有的木材骨架，对于制备大尺寸、超厚透明木材复合材料，节能、透明建筑材料的研制都具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种能工业化生产和应用的纤维素骨架材料，第二目的在于提供一种能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法。
本发明的第一目的是这样实现的，包括纤维素和木质素，木质素含量为0.8 %~10%，纤维素骨架材料保持原有木材的固定外形尺寸，所述骨架材料的长度尺寸为1~50 cm，宽度尺寸为1~50 cm，厚度尺寸为0.01~5 cm，所述骨架材料的胞间质、细胞壁上形成微孔。
本发明的第二目的是这样实现的，包括漂白液配制、漂白液汽蒸/雾化及漂洗工序，具体包括：
A、漂白液配制：将漂白物质分散在水中，搅拌均匀，得漂白溶液，使漂白物质在溶液中的浓度为0.1～10 mol/L；
B、漂白液汽蒸/雾化：将待处理的木质基材置于网格上，网格放置于漂白剂溶液上方，将漂白溶液加热至40℃~100℃，或者超声、高压雾化，蒸汽/雾滴漂白0.2~48 h，得漂白后的木质基纤维素骨架材料；
C、漂洗：将工序B中得到的木质基纤维素骨架材料置于网格上，分别用去离子水和乙醇淋洗3-5次，纤维素骨架制作完成并浸入乙醇中保存备用。
本发明纤维素骨架材料尺寸大、厚度厚、木质素含量可低至 0.8 %，原有木材骨架保留完好，灌入折射率匹配的环氧树脂后，能够得到相应尺寸、厚度透明木材，其透光率可达到90 %，具有较高的推广应用价值，使用后不仅透光性好，而且能够减少由于室内外热对流所造成的能源损失。
本发明方法首次采用汽蒸法/雾化法将木质基材中的木质素去除，并保留原有的骨架，形成纤维素骨架材料。灌入折射率匹配的聚合物后，纤维素骨架转变为透明木材复合材料。次氯酸钠、亚氯酸钠、双氧水、氯气等水溶性漂白物质被用作汽蒸/雾化漂白；水被用作溶剂。通过精确控制汽蒸/雾化漂白时间和液料比，分别将木质基样品去除木质素，形成相应大尺寸、超厚纤维素骨架材料，木质素含量可降低到0.8 %，原来的骨架还被完整保留。真空辅助下，将与纤维素折射率匹配的环氧树脂灌注其中，成功得到相应尺寸、厚度透明木材，其透光率可达到90 %。本发明所述去除木质素方法绿色、高效、工艺简单、原料利用率高、设备通用性好，便于进行规模化生产，所得骨架易于填充聚合物获得透明木材。
附图说明
图1为实施例1中2厘米厚木材汽蒸去木质素前（左）、后（中）及相应透明木材（右）的扫描电子显微镜（SEM）照片；
图2为实施例1中2厘米厚木材汽蒸去木质素后木材纤维素骨架尺寸（左）和厚度（右）相机照片；
图3为实施例2中汽蒸去木质素所得大尺寸透明木材相机照片，由于其透明度高，底部的英文单词（小四号）清晰可见。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不得以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
本发明的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料包括纤维素和木质素，木质素含量为0.8 %~10 %，纤维素骨架材料保持原有固定外形尺寸。
所述骨架材料的长度尺寸为1~50cm，宽度尺寸为1~50cm，厚度尺寸为0.01~5 cm。
所述骨架材料的胞间质、细胞壁上形成微孔。
能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法，包括漂白液配制、漂白液汽蒸/雾化及漂洗工序，具体包括：
A、漂白液配制：将漂白物质分散在水中，搅拌均匀，得漂白溶液，使漂白物质在溶液中的浓度为0.1～10 mol/L；
B、漂白液汽蒸/雾化：将待处理的木质基材置于网格上，网格放置于漂白剂溶液上方，将漂白溶液加热至40℃~100℃，或者雾化成微米级雾滴，蒸汽/雾滴漂白0.2~48h，得漂白后的纤维素骨架材料；
C、漂洗：将工序B中得到的纤维素骨架材料置于网格上，分别用去离子水和乙醇淋洗3-5次，纤维素骨架制作完成并浸入乙醇中保存备用。
A步骤中漂白物质为亚氯酸钠、次氯酸钠、双氧水、过氧乙酸、氯气中的任一种。
网格材质为玻璃、塑料、陶瓷中的任一种。
B步骤中木质基材为木材、竹材或藤材中的任一种。
B和C步骤中网格的孔径尺寸为0.1 -3.0 cm，网格离液面高度0.1-50 cm。
B步骤中的漂白蒸汽可通过加热漂白液产生。
B步骤中的微米级漂白雾滴可通过超声、高压雾化产生。
漂白蒸汽或者漂白雾滴可导入放置大尺寸木质基样品的容器中去除木素。
在其管胞内和细胞壁内浸入折射率匹配的环氧树脂，固化后得到相应尺寸的透明木材，其透光率可高达90%，雾度可高达85%。
本发明工作原理：
由于水、双氧水、过氧乙酸、氯都具有很高的蒸汽压，且在沸腾时仍保持漂白活性；次氯酸钠、亚氯酸钠或过氧乙酸等漂白液，可通过超声、高压雾化成微米级液滴，加热至沸或雾化时，所产生的蒸汽或微米级液滴更易透过微米级木材管胞/纹孔。随着湿蒸时间延长，木材多孔结构内的湿度增大至饱和，溶有木素降解产物的液滴从木材多孔内部进入细胞壁内，能更高效、快速去除木素。其次，由于木材样品与热漂白液隔开，避免了热溶液对木材多孔结构的溶胀、剥离，即使木素含量低于 1 %，仍可保持原有的纤维素骨架。再次，可将产生的蒸汽或雾滴导入放置大尺寸木材样品的容器中去除木素。
实施例：
实施例1
（1）本发明所述纤维素木材骨架材料的制备
将待处理的含水率为10 %的椴木加工成5 cm x 5 cm x 5 cm的木材样品置入玻璃烧杯中的塑料网格（孔径尺寸：0.5 cm）上，塑料网格置于10 mol/L双氧水上方（距液面2cm），于100℃下汽蒸12小时，然后将木质基复合材料取出，用去离子水与乙醇替冲洗3次，得到纤维素木材骨架材料，并保存在乙醇溶液中。
（2）本发明所述纤维素木材骨架材料的性能检测
检测方法：木质素含量测定、纤维素木材骨架形貌的测定方法分别见《Biomacromolecules》，2016年第4期，起始页码：1358-1364和《Applied SurfaceScience》，2015年第328卷，起始页码：453-458。
检测结果：见表1、图1。
实施例2
（1）本发明所述纤维素木材骨架材料的制备
将待处理的含水率为10 %的椴木加工成0.08 x 21 x 19 cm的的片状木材样品置入不锈钢容器中的不锈钢网格（孔径尺寸：3.0 cm）上，不锈钢网格置于5mol/L双氧水上方（距液面0.1 cm），于95℃下汽蒸6小时，然后将木质基复合材料取出，用去离子水与乙醇替冲洗4次，得到纤维素木材骨架材料，并保存在乙醇溶液中。
（2）本发明所述纤维素木材骨架材料的性能检测
检测方法：同实施例1。
检测结果：见表1。
实施例3
（1）本发明所述纤维素木材骨架材料的制备
将待处理的含水率为10%的杨木加工成0.1cm x 50 cm x 50 cm的片状木材样品置入陶瓷容器中的陶瓷网格（孔径尺寸：0.1cm）上，网格置于0.1mol/L亚氯酸钠溶液上方（距液面0.1cm），超声雾化亚氯酸钠溶液，所产生的微米级雾滴导入装有木材样品的容器中，于80℃下雾除24小时，然后将木质基复合材料取出，用去离子水与乙醇替冲洗5次，得到纤维素木材骨架材料，保存在乙醇溶液中。
（2）本发明所述纤维素木材骨架材料的性能检测
检测方法：同实施例1。
检测结果：见表1。
实施例4
（1）本发明所述纤维素木材骨架材料的制备
将待处理的含水率为25%的松木加工成0.1cm x 5 cm x 5 cm的片状木材样品置入不锈钢容器中的不锈钢网格上（孔径尺寸：0.5 cm），不锈钢网格置于6mol/L过氧乙酸溶液上方（距液面0.1cm），于80℃下汽蒸12小时，然后将木质基复合材料取出，用去离子水与乙醇替冲洗4次，得到纤维素木材骨架材料，并保存在乙醇溶液中。
（2）本发明所述纤维素木材骨架材料的性能检测
检测方法：同实施例1。
检测结果：见表1。
实施例5
（1）本发明所述纤维素木材骨架材料的制备
将待处理的含水率为5 %的梧桐木加工成0.2cm x 5 cm x 5 cm的片状木材样品置入陶瓷容器中的陶瓷网格（孔径尺寸：0.1cm）上，网格置于0.1 mol/L氯气溶液上方（距液面50 cm），于40℃下汽蒸48小时，然后将木质基复合材料取出，用去离子水与乙醇替冲洗4次，得到纤维素木材骨架材料，保存在乙醇溶液中。
（2）本发明所述纤维素木材骨架材料的性能检测
检测方法：同实施例1。
检测结果：见表1。
实施例6
（1）本发明所述纤维素木材骨架材料的制备
将待处理的含水率为10%的桉木加工成0.01cm x 2 cm x 2 cm的片状木材样品置入陶瓷容器中的陶瓷网格（孔径尺寸：0.1cm）上，高压雾化4mol/L次氯酸钠溶液，产生的微米级雾滴导入装有木质基样品的容器中，雾除0.2小时，然后将木质基复合材料取出，用去离子水与乙醇替冲洗4次，得到纤维素木材骨架材料，并保存在乙醇溶液中。
（2）本发明所述纤维素木材骨架材料的性能检测
检测方法：同实施例1。
检测结果：见表1。
由表1可知，采用本发明所述方法制备的纤维素木材骨架材料具有木质素含量低、原有木材骨架保留完整，尺寸可达50厘米，厚度可达5厘米，灌入折射率匹配的聚合物后，可得到相应尺寸透明木材，具有良好的推广应用前景。
表1 实施例1~6所制备的纤维素木材骨架材料的木质素含量及尺寸厚度
实施例序号 木质素含量/% 漂白物质 温度/℃ 时间/h 种类、尺寸/cm
1 0.94±0.05 双氧水 100 12 椴木2x5x5
2 0.84±0.06 双氧水 95 6 椴木0.08x21x19
3 2.12±0.08 亚氯酸钠 80 24 杨木 0.1 x 50 x 50
4 1.86±0.09 过氧乙酸 80 12 松木0.1 x 5 x 5
5 1.76±0.10 氯 100 48 梧桐0.2 x 5 x 5
6 2.96 ±0.16 次氯酸钠 4 48 桉木0.05x 2 x 2

Claims (7)

1.一种能工业化生产和应用的纤维素骨架材料，其特征是：包括纤维素和木质素，木质素含量为0.84±0.06% ~ 2.96 ±0.16 %，纤维素骨架材料保持原木骨架的固定外形尺寸，所述骨架材料的长度尺寸为5~50 cm，宽度尺寸为5~50 cm，厚度尺寸为2~5 cm，所述骨架材料的胞间质、细胞壁上形成微孔。
2.根据权利要求1所述的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法，其特征在于包括漂白液配制、漂白液汽蒸/雾化及漂洗工序，具体包括：
A、漂白液配制：将漂白物质分散在水中，搅拌均匀，得漂白液，使漂白物质在溶液中的浓度为0.1～10 mol/L；
B、漂白液汽蒸/雾化：将待处理的木质基材置于网格上，网格放置于漂白液上方，将漂白液加热至40℃~100℃，或者超声、高压雾化，蒸汽/雾滴漂白0.2~48h，得纤维素骨架材料；
C、漂洗：将工序B中得到的纤维素骨架材料置于网格上，分别用去离子水和乙醇淋洗3-5次，纤维素骨架制作完成并浸入乙醇中保存备用。
3.根据权利要求2所述的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法，其特征在于A步骤中漂白物质为亚氯酸钠、次氯酸钠、双氧水、过氧乙酸、氯气中的任一种。
4.根据权利要求2所述的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法，其特征在于网格材质为玻璃、塑料、陶瓷中的任一种。
5.根据权利要求2所述的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法，其特征在于B步骤中木质基材为木材、竹材或藤材中的任一种。
6.根据权利要求2所述的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法，其特征在于B和C步骤中网格的孔径尺寸为0.1 -3.0 cm，网格离液面高度0.1-50 cm。
7.根据权利要求2所述的能工业化生产和应用的纤维素骨架材料的制备方法，其特征在于B步骤中，微米级漂白雾滴通过超声、高压雾化漂白液产生。
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