CN109046354A - 木材模板二氧化钛复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木材模板二氧化钛复合材料及其制备方法。该制备方法包括：对木材模板进行预处理；按照钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸与乙酸铜的摩尔比为(0.95～1.05)∶(2.9～3.1)∶(8.9～9.1)∶(1.95～2.05)∶(0.0014～0.0016)配置前驱体溶液；利用前驱体溶液对经过预处理的木材模板做浸渍处理再进行高温煅烧。该复合材料为该制备方法制备而得。本发明对木材进行抽提预处理，在保证木材内部结构不受破坏的同时打通木材内部的多孔结构，增强连通性，提高前驱体浸渍率；将铜金属在前驱体中混合，不用后期采用沉积法沉积金属，工艺简单，制备的二氧化钛光降解性能更好。
Description
技术领域
本发明涉及木质复合材料技术领域，特别是涉及一种木材模板二氧化钛复合材料及其制备方法。
背景技术
光催化技术是一种在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术，在光的照射下可将有机污物彻底降解为二氧化碳与水，同时光催化材料自身无损耗，具有二次污染小，运行成本低和可望利用太阳光为反应光源等优点。
其中，二氧化钛光催化技术是一种新的环境友好型的处理技术，对多种有机物都有明显的降解效果，具有广阔的应用前景。但TiO2光催化剂的比表面积有限，由于表面羟基大量存在，对非极性(疏水性)有机污染物基本没有吸附能力。为了解决这个问题，目前常将吸附技术与光催化技术相结合，使复合催化剂同时具备较高的吸附能力和光催化效率。
现有技术中，上海交通大学硕士论文《木材模板制备TiO2人工Z型反应体系研究》，提出了一种制备分级多孔二氧化钛的方法，其选取白木、水曲柳、柳桉、杉木和白松作为模板，以钛酸四正丁酯为前驱体，利用浸渍-煅烧法制备五种不同木材模板的分级多孔二氧化钛。选用水曲柳模板，在制得的二氧化钛上通过光沉积法沉积金银铂钯四种贵金属，再和硫化镉复合构成人工Z型反应系统。该方法需要先以钛酸四正丁酯为前驱体，制备出分级多孔二氧化钛，然后在制得的二氧化钛上通过光沉积法沉积金银铂钯四种贵金属，而金银铂钯均为价格较高的贵金属，使得制备成本高昂。
发明内容
(一)技术问题
综上所述，现有技术中的二氧化钛复合催化材料制备成本较高，成为了该技术领域亟待解决的问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种木材模板二氧化钛复合材料制备方法，包括：
对木材模板进行预处理；
配置前驱体溶液，前驱体溶液包括钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸和乙酸铜；
钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸与乙酸铜的摩尔比为(0.95～1.05)∶(2.9～3.1)∶(8.9～9.1)∶(1.95～2.05)∶(0.0014～0.0016)；
利用前驱体溶液对经过预处理的木材模板做浸渍处理；
对浸渍处理后的木材模板进行高温煅烧。
其中，优选地，钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸与乙酸铜的摩尔比为1∶3∶9∶2∶0.0015。
其中，配置前驱体溶液，包括：
将无水乙醇的2/3与钛酸丁酯混合搅拌制备成A液，密封待用；
将无水乙醇的剩余1/3与冰乙酸混合搅拌制成B液，密封待用；
将乙酸铜溶于去离子水中，搅拌溶解制成C液，密封待用；
将C液加入B液中，充分搅拌混合，形成D液，密封待用。
其中，利用前驱体溶液对经过预处理的木材模板做浸渍处理，包括：
将经过预处理的木材模板放入A液中，在超声清洗器中浸渍3.5-4.5h(小时)后，向A液缓慢滴加D液并置于超声清洗器中超声反应14-16min(分钟)，之后陈放11.5-12.5h；
取出浸渍后的铜掺杂的木材模板二氧化钛分别在59.5-60.5℃、79.5-80.5℃、99.5-100.5℃下分别干燥115-125min、175-185min、55-65min。
其中，步骤对木材模板进行预处理，包括：
对木材模板进行热水抽提处理或者碱处理；
然后进行微波处理，微波输出功率为590-610W(瓦)，处理340-370s；之后的饱水的木材模板先在室温下放1.5-2.5天，然后当木材模板达到气干状态时，放入干燥烘箱中烘干，温度设定在102-104℃；干燥后的木材模板浸没在无水乙醇当中进行脱水，浸泡28-32min后再晾置到气干状态。
其中，热水抽提处理包括：将木材模板放入烧杯中，并注入去离子水浸过木方，在49.5-50.5℃的恒温水浴锅中进行2.9-3.1h的水热处理；
和/或，碱处理包括：将木材模板浸没在质量浓度为1-3％的氢氧化钠溶液中，密封静置浸渍115-125min后，再用去离子水反复冲洗5-6次备用。
其中，对浸渍处理后的木材模板进行高温煅烧，包括：
将经过浸渍处理的木材模板放入管式炉中进行高温煅烧，由室温缓慢升至259-261℃并保温39-41min，再由259-261℃升温至595-605℃并保温179-181min。
本发明还公开一种木材模板二氧化钛复合材料，为按照上述制备方法制备而得的复合材料。
(三)技术效果
与现有技术的方式相比，本发明能够达到如下技术效果：
本发明将钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸和乙酸铜按照特定的摩尔比配制前驱体溶液，将经过预处理的木材单板进行前驱体浸渍，再经高温煅烧后即得到木材模板二氧化钛复合材料。其中，利用该前驱体溶液对木材模板进行浸渍处理，能够使混合在前驱体溶液中的铜元素充分与木材模板相结合，制备出铜掺杂的木材模板二氧化钛，无需后期采用沉积法沉积金属，制备工艺相对简化，并且铜价格相对低廉，降低了木材模板二氧化钛复合材料的制备成本；经实验检测，该二氧化钛复合材料具有较好的光降解性能；
按照本发明进一步公开的前驱体溶液配置以及浸渍处理方式，浸渍效果较好；
进一步地，本发明采用热水抽提处理或碱处理、然后微波水热法对木材模板进行预处理，能够在保证木材内部结构不受到破坏的同时打通木材内部的多孔结构，增强连通性，提高前驱体浸渍率。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的技术方案更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种木材模板二氧化钛复合材料制备方法，包括步骤：
步骤S101：对木材模板进行预处理。
步骤S102，配置前驱体溶液。
前驱体溶液包括钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸和乙酸铜。其中钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸与乙酸铜的摩尔比为(0.95～1.05)∶(2.9～3.1)∶(8.9～9.1)∶(1.95～2.05)∶(0.0014～0.0016)。
其中步骤S101和步骤S102的步骤编号仅为描述方便，并不表示两个步骤在操作时序上的先后顺序。
步骤S103，利用前驱体溶液对经过预处理的木材模板做浸渍处理。
步骤S104，对浸渍处理后的木材模板进行高温煅烧。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例1-2对本发明提供的木材模板二氧化钛复合材料制备方法进行具体描述。
实施例1
①对木材模板进行预处理。
本发明对木材模板进行预处理包括进行热水抽提处理或者碱处理，然后进行微波处理，微波输出功率为590-610W，处理340-370s；微波处理之后的饱水的木材模板先在室温下放1.5-2.5天，然后当木材模板达到气干状态时，放入干燥烘箱中烘干，温度设定在102-104℃；干燥后的木材模板浸没在无水乙醇当中进行脱水，浸泡28-32min后再晾置到气干状态。
木材上的纹孔塞或纹孔膜影响着木材内部结构之间的连通性，并对液体的流动形成阻碍，同时绝大多数木材的导管、树脂道中含有抽提物、树脂等有机物堵塞内部孔径。
通过本发明提供的热水抽提处理/碱处理，再结合微波处理，能够在保证木材内部结构不受到破坏的同时打通木材内部的多孔结构，增强连通性，提高前驱体浸渍率。
②配置前驱体溶液。
其中钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸与乙酸铜的摩尔比为0.95∶2.9∶8.9∶1.95∶0.0014，或者为1.05∶3.1∶9.1∶2.05∶0.0016。
优选地，作为一种可实施方式，将无水乙醇的2/3与钛酸丁酯混合搅拌制备成A液，密封待用；将无水乙醇的剩余1/3与冰乙酸混合搅拌制成B液，密封待用；将乙酸铜溶于去离子水中，搅拌溶解制成C液，密封待用；将C液加入B液中，充分搅拌混合，形成D液，密封待用。
③利用前驱体溶液对经过预处理的木材模板做浸渍处理。
优选地，作为一种可实施方式，将经过预处理的木材模板放入A液中，在超声清洗器中浸渍3.5-4.5h后，向A液缓慢滴加D液并置于超声清洗器中超声反应14-16min，之后陈放11.5-12.5h。优选地，在超声清洗器中浸渍的超声频率为39-41KHz；D液的滴速为3.5-4.5ml/min。
取出浸渍后的铜掺杂的木材模板二氧化钛分别在59.5-60.5℃、79.5-80.5℃、99.5-100.5℃下分别干燥115-125min、175-185min、55-65min。
④对浸渍处理后的所述木材模板进行高温煅烧。
将经过浸渍处理的所述木材模板放入管式炉中进行高温煅烧，由室温缓慢升至259-261℃并保温39-41min，再由259-261℃升温至595-605℃并保温179-181min。
实施例2
①木材模板的预处理
该实施例中，水热处理是将木材模板放入烧杯中，并注入一定量的去离子水浸过木方，在50℃的恒温水浴锅中进行3h的水热处理，去除木材中的侵填体、抽提物等。
碱处理是将木材模板浸没在质量浓度为3％的氢氧化钠溶液中静置，待浸渍处理2h后，再用去离子水反复冲洗5-6次备用。
其中热水抽提处理阔叶材树种效果好，碱处理针叶材树种效果好。
之后，进行微波处理，微波输出功率为600W，处理340-370s。饱水试件先在室温下放2天，然后当试件达到气干状态时，将木材放入干燥烘箱中烘至绝干，温度设定在103℃。干燥后的木材模板浸没在无水乙醇当中进行脱水，浸泡30分钟后再晾置到气干状态。
②配置前驱体溶液。作为一种优选实施方式，钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸与乙酸铜的摩尔比为1∶3∶9∶2∶0.0015。采用配比的前驱体溶液，浸渍效果较佳。
具体如何配置前驱体溶液同实施例1，不再赘述。
③将经过预处理的木材模板放入A液中，在超声清洗器(超声频率40KHz)中浸渍4h后，向A液缓慢滴加D液(滴速≈4ml/min)并置于超声清洗器中超声反应15min。然后在自然条件下陈放12h，取出浸渍后的铜掺杂木材模板二氧化钛在60℃、80℃、100℃下分别干燥2h、3h、1h。
④将干燥后的样品放入管式炉中进行高温煅烧，由室温缓慢升至260℃并保温40min，减少煅烧过程中升温过快造成木材模板去除不完全的现象，再由260℃升温至600℃并保温180min。
本发明还提供一种木材模板二氧化钛复合材料，为按照本发明的制备方法制备而得的复合材料。
以杨木模板为木材模板，按照本发明上述制备方法制得的二氧化钛光催化材料，分别在紫外光条件下以及自然光条件下，测得该复合材料降解甲醛气体的效率如下表所示：
| 时间 | 紫外光条件 | 自然光条件 |
| 120min | 12.61 | 2.96 |
| 200min | 15.33 | 3.14 |
| 280min | 15.77 | 5.87 |
表中数值表示每立方米中甲醛减少的质量百分比。
可见，本发明提供的以木材为模板制备光催化性能二氧化钛复合材料，具备一定的光催化降解甲醛的性能，可在自然光条件下实现对甲醛的逐步降解。
现有技术中的制备方法，需要先以钛酸四正丁酯为前驱体，利用浸渍-煅烧法制备木材模板的分级多孔二氧化钛，然后在制得的二氧化钛上通过光沉积法沉积金银铂钯四种贵金属，工艺复杂，成功较高，并且木材没有经过抽提处理，前驱体浸渍效果差。
本发明经研究发现，木材上的纹孔塞或纹孔膜影响着木材内部结构之间的连通性，并对液体的流动形成阻碍，同时绝大多数木材的导管、树脂道中含有抽提物、树脂等有机物堵塞内部孔径。由此，本发明提出采用热水抽提或者碱处理、然后采用微波水热处理方法对木材进行抽提预处理，通过水热处理在保证木材内部结构不受到破坏的同时打通木材内部的多孔结构，增强连通性，提高前驱体浸渍率。并且，本发明将钛酸丁酯∶去离子水∶无水乙醇∶冰乙酸∶乙酸铜按照1∶3∶9∶2∶0.0015(摩尔比)配置前驱体，然后将经过热水抽提处理的木材单板进行前驱体浸渍，将铜金属在前驱体中混合，通过前驱体浸渍实现木材模板二氧化钛与铜金属的结合，无需后期采用沉积法沉积金属，相比于后期光沉积法沉积贵金属，成本大大降低。且本发明工艺更简单，制备的二氧化钛光降解性能较好。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于，包括：
对木材模板进行预处理；
配置前驱体溶液，所述前驱体溶液包括钛酸丁酯、去离子水、无水乙醇、冰乙酸和乙酸铜；
所述钛酸丁酯、所述去离子水、所述无水乙醇、所述冰乙酸与所述乙酸铜的摩尔比为(0.95～1.05)∶(2.9～3.1)∶(8.9～9.1)∶(1.95～2.05)∶(0.0014～0.0016)；
利用所述前驱体溶液对经过预处理的所述木材模板做浸渍处理；
对浸渍处理后的所述木材模板进行高温煅烧。
2.根据权利要求1所述的木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于：
所述钛酸丁酯、所述去离子水、所述无水乙醇、所述冰乙酸与所述乙酸铜的摩尔比为1∶3∶9∶2∶0.0015。
3.根据权利要求1所述的木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤配置前驱体溶液，包括：
将所述无水乙醇的2/3与所述钛酸丁酯混合搅拌制备成A液，密封待用；
将所述无水乙醇的剩余1/3与所述冰乙酸混合搅拌制成B液，密封待用；
将所述乙酸铜溶于所述去离子水中，搅拌溶解制成C液，密封待用；
将所述C液加入所述B液中，充分搅拌混合，形成D液，密封待用。
4.根据权利要求3所述的木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤利用所述前驱体溶液对经过预处理的所述木材模板做浸渍处理，包括：
将经过预处理的所述木材模板放入所述A液中，在超声清洗器中浸渍3.5-4.5h后，向所述A液缓慢滴加所述D液并置于超声清洗器中超声反应14-16min，之后陈放11.5-12.5h；
取出浸渍后的铜掺杂的木材模板二氧化钛分别在59.5-60.5℃、79.5-80.5℃、99.5-100.5℃下分别干燥115-125min、175-185min、55-65min。
5.根据权利要求1所述的木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤对木材模板进行预处理，包括：
对所述木材模板进行热水抽提处理或者碱处理；
然后进行微波处理，微波输出功率为590-610W，处理340-370s；之后所述木材模板先在室温下放1.5-2.5天，然后当所述木材模板达到气干状态时，放入干燥烘箱中烘干，温度设定在102-104℃；干燥后的所述木材模板浸没在无水乙醇当中进行脱水，浸泡28-32min后再晾置到气干状态。
6.根据权利要求5所述的木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于，所述热水抽提处理包括：
将所述木材模板放入烧杯中，并注入去离子水浸过木方，在49.5-50.5℃的恒温水浴锅中进行2.9-3.1h的水热处理。
7.根据权利要求5所述的木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于，所述碱处理包括：
将所述木材模板浸没在质量浓度为1-3％的氢氧化钠溶液中，密封静置浸渍115-125min后，再用去离子水反复冲洗5-6次备用。
8.根据权利要求1所述的木材模板二氧化钛复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤对浸渍处理后的所述木材模板进行高温煅烧，包括：
将经过浸渍处理的所述木材模板放入管式炉中进行高温煅烧，由室温缓慢升至259-261℃并保温39-41min，再由259-261℃升温至595-605℃并保温179-181min。
9.一种木材模板二氧化钛复合材料，其特征在于，为按照权利要求1-8任一项所述的制备方法制备而得的复合材料。
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