CN109571674A - 一种疏水木材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：将干燥预处理后的木材浸渍于纳米SiO2/聚丙烯蜡溶液中进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到木材中，随后进行热压，使木材表面密实化，最后清除表面的SiO2/聚丙烯蜡得到疏水木材。本发明具有制备方法简单、操作便捷、制备周期短、成本低、环保性好，且疏水木材表面硬度和力学性能都有所提高等特点。

Description

一种疏水木材及其制备方法
技术领域
本发明涉及木材功能改性领域，具体涉及一种疏水木材及其制备方法。
背景技术
木材是天然可再生资源，易于加工，具有良好的力学特性，在社会经济建设与人类基本生活环境中发挥重要作用。木材主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，纤维素和半纤维素含有大量的亲水性基团，使木材表现出极强的吸湿吸水性。木材吸收水分以后，易导致尺寸变形，腐朽变色，甚至降解，严重影响使用范围与使用寿命。如果赋予木材疏水性能，能够隔离木材与水分接触，改善木材的部分缺陷，扩大木材的应用范围和使用寿命。
受“荷叶效应”、水黾的腿、水稻叶片、蝴蝶翅膀、玫瑰花瓣等自然界疏水现象的启示，并随着纳米技术的发展，疏水木材的功能化改性取得了巨大的进步。目前制备超疏水木材的方法主要有刻蚀法、沉积法、层层自组装法、模板法、水热法、溶胶凝胶法、等离子体处理法、表面涂覆等。上述方法中存在疏水层厚度薄，表面硬度不佳，工艺复杂，成本较高且环保性差等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种表面硬度和力学性能好的疏水木材，相应地，本发明还提供一种工艺简单、周期短、成本低且环保的疏水木材的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
S1、将纳米SiO2粉末和聚丙烯蜡粉末混合后加热使聚丙烯蜡粉末熔化，搅拌均匀，得纳米SiO2/聚丙烯蜡溶液；
S2、将预处理后的木材浸渍于步骤S1所得纳米SiO2/聚丙烯蜡溶液中进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到木材中，得到经过疏水处理后的木材；
S3、将步骤S2所得经过疏水处理后的木材先预热，再进行热压处理，使木材表面密实化，得经过热压处理后的木材；
S4、将步骤S3所得经过热压处理后的木材进行后期处理，清除表面SiO2和聚丙烯蜡，得疏水木材。
作为对上述技术方案的进一步改进：
所述步骤S1中，纳米SiO2在纳米SiO2/聚丙烯蜡溶液中的质量分数为1%～4%，纳米SiO2粉末的粒径为50 nm～500 nm。
所述步骤S1中，所述搅拌速度为160 r/min～200 r/min。
所述步骤S2中，所述疏水处理的温度为135 ℃～150 ℃，时间为5 min～30 min。
所述步骤S2中，所述预处理具体为：对木材进行表面砂光，清除表面灰尘后，得预处理后的木材。
所述步骤S3中，所述预热温度为125℃～140℃，预热时间为5 min～20 min，所述热压处理的热压温度为12 5℃～140 ℃，压缩量为5%～10%。
所述步骤S4具体为：将步骤S3所得经过热压处理后的木材冷却至室温，清除表面的SiO2和聚丙烯蜡，对木材进行表面砂光，清除表面灰尘后，得疏水木材。
所述步骤S4中，采用180目木砂纸对木材进行表面砂光，采用高压空气清除表面灰尘。
所述木材为杨木、杉木、桉木和松木中的一种。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种疏水木材，由前述的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明疏水木材的制备方法，将纳米SiO2与聚丙烯蜡联用，以木材多孔性结构为基础，利用疏通原理，将熔融状态的聚丙烯蜡与纳米SiO2渗入木材中，填充导管与细胞腔，在木材细胞壁形成薄膜，堵塞液态水扩散浸入木材的微观通道。同时，木材中的羟基能够与纳米SiO2发生化学反应，减少木材本身的亲水基团，并在木材表面形成花瓣状的微纳结构降低水与木材的接触面积。本发明制备方法工艺简单、制备周期短、成本较低，聚丙烯蜡可以反复利用，清洁无污染，环保。
本发明制备的疏水木材，能够对木材进行整体的疏水改性，木材的疏水层厚度可达0.5 cm以上，且能够有效的提高木材表面硬度和力学性能。其中，表面硬度可达3047~3560 N，相比于原始素材提高了30.8 %~55.2 %；静曲强度可达108.55~153.22 MPa，相比于原始素材提高了51.18%~113.4 %；弹性模量可达11.37~16.83 GPa，相比于原始素材提高了39.6%~106.9%；顺纹抗压强度可达46.05~64.96 MPa，相比于原始素材提高了20.1%~73.2%，本发明的疏水性木材具有“荷叶效应”、同时能够保持木材天然结构，表面接触角可以达到130°以上，滚动角＜20°。另一方面，改变了木材易虫蛀、易发霉、易腐蚀、尺寸稳定性差等缺陷，赋予木材表面防水、防污、自清洁等多种功能。
附图说明
图1为本发明实施例1的疏水木材接触角测试图。
图2为本发明实施例1的疏水木材扫描电镜图（SEM）。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例的一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）木材预处理：用180目木砂纸对杨木进行表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后干燥备用；本实施例采用的木材为速生杨木，尺寸为70 mm×50 mm×22 mm（径×弦×纵）。
（2）疏水材料准备：将质量分数为1%的纳米SiO2粉末与聚丙烯蜡粉末混合，加热至130 ℃使聚丙烯蜡熔化，以180 r/min的速度搅拌使纳米SiO2粉末均匀的分散于聚丙烯蜡中，得纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液；本实施例中，纳米SiO2粉末的粒径为350 nm。
（3）疏水处理：将经过预处理后的杨木浸在纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中，在140 ℃温度下进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到杨木之中。处理30min后将其从纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中取出，得经过疏水处理的木材。
（4）热压处理：将经过疏水处理的杨木在热压机上先预热，再进行热压，将其表面密实化，在此过程中注意控制预热温度为125 ℃，预热时间为5 min，热压温度为125 ℃、时间为5 min、压缩量为10%。
（5）后期处理：待热压杨木冷却至室温后清除表面余蜡（SiO2和聚丙烯蜡），并用砂纸将其表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后即得到疏水杨木。
如图1所示，本实施例所制得的疏水杨木接触角为139.6 °，表面硬度为3425N，静曲强度为145.75 MPa，顺纹抗压强度为62.28 MPa，弹性模量为13.33 GPa。
本实施例所制得的疏水木材扫描电镜图如图2所示：疏水木材表面有类似花瓣状的结构，这种花瓣状结构形成了微纳米级孔隙，可以捕捉大量的空气，极大地减少了水滴与木材表面的接触面积，从而使木材具有疏水性能。
实施例2
本实施例的一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）木材预处理：用180目木砂纸对杨木进行表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后干燥备用；本实施例采用的木材为速生杨木，尺寸为70 mm×50 mm×22 mm（径×弦×纵）。
（2）疏水材料准备：将质量分数为1%的纳米SiO2粉末与聚丙烯蜡粉末混合，加热至130 ℃使聚丙烯蜡熔化，以180 r/min的速度搅拌使纳米SiO2粉末均匀的分散于聚丙烯蜡中，得纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液；本实施例中，纳米SiO2粉末的粒径为300 nm。
（3）疏水处理：将经过预处理后的杨木浸在纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中，在135℃温度下进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到杨木之中。处理5 min后将其从纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中取出，得经过疏水处理的杨木。
（4）热压处理：将经过疏水处理的杨木在热压机上先预热，再进行热压，将其表面密实化，在此过程中注意控制预热温度为125 ℃，预热时间为5 min，热压温度为125 ℃、时间为5 min、压缩量为8%。
（5）后期处理：待热压杨木冷却至室温后清除表面余蜡（SiO2和聚丙烯蜡），并用砂纸将其表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后即得到疏水杨木。
本实施例所制得的疏水杨木接触角为136.8°，表面硬度为3180 N，静曲强度为113.51 MPa，顺纹抗压强度为46.53 MPa，弹性模量为13.04 GPa。
实施例3
本实施例的一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）木材预处理：用180目木砂纸对杨木进行表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后干燥备用；本实施例采用的木材为速生杨木，尺寸为70 mm×50 mm×22 mm（径×弦×纵）。
（2）疏水材料准备：将质量分数为2 %的纳米SiO2粉末与聚丙烯蜡粉末混合，加热至130 ℃使聚丙烯蜡熔化，以180 r/min的速度搅拌使纳米SiO2粉末均匀的分散于聚丙烯蜡中，得SiO2/聚丙烯蜡熔液；本实施例中，纳米SiO2粉末的粒径为200 nm。
（3）疏水处理：将经过预处理后的杨木浸在纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中，在140 ℃温度下进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到杨木之中。处理10 min后将其从纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中取出，得经过疏水处理的木材。
（4）热压处理：将经过疏水处理的杨木在热压机上先预热，再进行热压，将其表面密实化，在此过程中注意控制预热温度为135℃，预热时间为5 min，热压温度为135 ℃、时间为5 min、压缩量为7%。
（5）后期处理：待热压杨木冷却至室温后清除表面余蜡（SiO2和聚丙烯蜡），并用砂纸将其表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后即得到疏水杨木。
本实施例所制得的疏水杨木接触角为131.7 °，表面硬度为3225 N，静曲强度为118.11 MPa，顺纹抗压强度为52.92 MPa，弹性模量为12.71 GPa。
实施例4
本实施例的一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）木材预处理：用180目木砂纸对杨木进行表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后干燥备用；本实施例采用的木材为速生杨木，尺寸为70mm×50mm×22mm（径×弦×纵）。
（2）疏水材料准备：将质量分数为3%的纳米SiO2粉末与聚丙烯蜡粉末混合，加热至130 ℃使聚丙烯蜡熔化，通过高速搅拌器180 r/min的高速搅拌使纳米SiO2粉末均匀的分散于聚丙烯蜡中，得SiO2/聚丙烯蜡熔液；本实施例中，纳米SiO2粉末的粒径为250 nm。
（3）疏水处理：将经过预处理后的杨木浸在纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中，在145 ℃温度下进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到杨木之中。处理30 min后将其从纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中取出，得经过疏水处理的木材。
（4）热压处理：将经过疏水处理的杨木在热压机上先预热，再进行热压，将其表面密实化，在此过程中注意控制预热温度为140 ℃，预热时间为5 min，热压温度为140 ℃、时间为5 min、压缩量为10%。
（5）后期处理：待热压杨木冷却至室温后清除表面余蜡（SiO2和聚丙烯蜡），并用砂纸将其表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后即得到疏水杨木。
本实施例所制得的疏水杨木接触角为137.5°，表面硬度为3327 N，静曲强度为120.78 MPa，顺纹抗压强度为61.67 MPa，弹性模量为11.94 GPa。
实施例5
本实施例的一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）木材预处理：用180目木砂纸对松木进行表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后干燥备用；本实施例采用的木材为松木，尺寸为70 mm×50 mm×22 mm（径×弦×纵）。
（2）疏水材料准备：将质量分数为4%的纳米SiO2粉末与聚丙烯蜡粉末混合，加热至130 ℃使聚丙烯蜡熔化，以200 r/min的速度搅拌使纳米SiO2粉末均匀的分散于聚丙烯蜡中，得纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液；本实施例中，纳米SiO2粉末的粒径为280 nm。
（3）疏水处理：将经过预处理后的松木浸在纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中，在150 ℃温度下进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到松木之中。处理20 min后将其从纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中取出，得经过疏水处理的木材。
（4）热压处理：将经过疏水处理的松木在热压机上先预热，再进行热压，将其表面密实化，在此过程中注意控制预热温度为130℃，预热时间为5 min，热压温度为130℃、时间为5 min、压缩量为6%。
（5）后期处理：待热压松木冷却至室温后清除表面余蜡（SiO2和聚丙烯蜡），并用砂纸将其表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后即得到疏水松木。
本实施例所制得的疏水松木接触角为134.9°，表面硬度为3392 N，静曲强度为132.91 MPa，顺纹抗压强度为47.91MPa，弹性模量为14.75GPa。
实施例6
本实施例的一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）木材预处理：用180目木砂纸对杉木进行表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后干燥备用；本实施例采用的木材为杉木，尺寸为70mm×50mm×22mm（径×弦×纵）。
（2）疏水材料准备：将质量分数为3%的纳米SiO2粉末与聚丙烯蜡粉末混合，加热至130 ℃使聚丙烯蜡熔化，以200 r/min的速度搅拌使纳米SiO2粉末均匀分散于聚丙烯蜡中，得纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液；本实施例中，纳米SiO2粉末的粒径为160 nm。
（3）疏水处理：将经过预处理后的杉木浸在纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中，在140 ℃温度下进行疏水处理，使SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到杉木之中。处理30 min后将其从纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中取出，得经过疏水处理的木材。
（4）热压处理：将经过疏水处理的杉木在热压机上先预热，再进行热压，将其表面密实化，在此过程中注意控制预热温度为125 ℃，预热时间为5 min，热压温度为125 ℃、时间为5 min、压缩量为10%。
（5）后期处理：待热压杉木冷却至室温后清除表面余蜡（SiO2和聚丙烯蜡），并用砂纸将其表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后即得到疏水木材。
本实施例所制得的疏水杉木接触角为133.0°，表面硬度为3254 N，静曲强度为127.53 MPa，顺纹抗压强度为47.32 MPa，弹性模量为12.64 GPa。
实施例7
本实施例的一种疏水木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）木材预处理：用180目木砂纸对桉木进行表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后干燥备用；本实施例采用的木材为桉木，尺寸为70 mm×50 mm×22 mm（径×弦×纵）。
（2）疏水材料准备：将质量分数为4%的纳米SiO2粉末与聚丙烯蜡粉末混合，加热至130 ℃使聚丙烯蜡熔化，在200 r/min的速度下搅拌使纳米SiO2粉末均匀的分散于聚丙烯蜡中，得纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液；本实施例中，纳米SiO2粉末的粒径为320 nm。
（3）疏水处理：将经过预处理后的桉木浸在纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液中，在145 ℃温度下进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到桉木之中。处理10 min后将其从SiO2/聚丙烯蜡熔液中取出，得经过疏水处理的木材。
（4）热压处理：将经过疏水处理的桉木在热压机上先预热，再进行热压，将其表面密实化，在此过程中注意控制预热温度为130℃，预热时间为5 min，热压温度为130℃、时间为5 min、压缩量为8%。
（5）后期处理：待热压桉木冷却至室温后清除表面余蜡（SiO2和聚丙烯蜡），并用砂纸将其表面砂光，用高压空气清除表面灰尘后即得到疏水木材。
本实施例所制得的疏水桉木接触角为135.2°，表面硬度为3405 N，静曲强度为143.75 MPa，顺纹抗压强度为50.24 MPa，弹性模量为15.34 GPa。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种疏水木材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将纳米SiO2粉末和聚丙烯蜡粉末混合后加热使聚丙烯蜡粉末熔化，搅拌均匀，得纳米SiO2/聚丙烯蜡溶液；
S2、将预处理后的木材浸渍于步骤S1所得纳米SiO2/聚丙烯蜡溶液中进行疏水处理，使纳米SiO2/聚丙烯蜡熔液渗透到木材中，得到经过疏水处理后的木材；
S3、将步骤S2所得经过疏水处理后的木材先预热，再进行热压处理，使木材表面密实化，得经过热压处理后的木材；
S4、将步骤S3所得经过热压处理后的木材进行后期处理，清除表面的SiO2和聚丙烯蜡，得疏水木材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，纳米SiO2在纳米SiO2/聚丙烯蜡溶液中的质量分数为1%～4%；纳米SiO2粉末的粒径为50 nm～500 nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述搅拌速度为160r/min～200 r/min。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述疏水处理的温度为135 ℃～150 ℃，时间为5 min～30min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述预处理具体为：对木材进行表面砂光，清除表面灰尘后，得预处理后的木材。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述预热温度为125℃～140 ℃，预热时间为5 min～20 min，所述热压处理的热压温度为125 ℃～140 ℃，压缩量为5%～10%。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：将步骤S3所得经过热压处理后的木材冷却至室温，清除表面的SiO2和聚丙烯蜡，对木材进行表面砂光，清除表面灰尘后，得疏水木材。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，采用180目木砂纸对木材进行表面砂光，采用高压空气清除表面灰尘。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述木材为杨木、杉木、桉木和松木中的一种。
10.一种疏水木材，其特征在于：所述疏水木材根据权利要求1至9中任一项所述的制备方法制备得到。
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