CN109648669A - 一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于木材改良技术领域，尤其涉及一种木材‑壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料及其制备方法。本发明以酸性条件下的壳聚糖作为聚阳离子，以植酸钠作为聚阴离子；并使用纳米氢氧化镁进行复配，通过静电层层自组装技术将壳聚糖、植酸钠与纳米氢氧化镁进行复配，能够得到木材‑壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，得到的复合材料具有优异的阻燃性能，其极限氧指数较未经处理的木材提高了14％左右。
Description
技术领域
本发明涉及木材改良技术领域，尤其涉及一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料及其制备方法。
背景技术
将无机纳米材料引入到聚电解质多层膜中是当前的研究热点之一，利用聚电解质对盐和pH敏感的离子性基团使它们响应于外部刺激，能够快速地在基体表面成膜，而薄膜的性能可以很容易地通过纳米材料对响应基团的吸附而在其表面获得增强，或者产生新的功能。
目前研究的聚电解质多为合成的聚电解质，如聚丙烯胺盐酸盐(PAH)、聚丙烯酸(PAA)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)、聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)等，其中研究最为广泛的为PAH/PSS体系，这种合成聚电解质的性能比较稳定，结构可控，更易于加工成型，但是成本较高，有的甚至会有毒性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，该复合材料具有优异的阻燃性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，包括木材和附着在木材表面的阻燃复合膜，所述阻燃复合膜由包括壳聚糖、植酸钠和纳米氢氧化镁的原料制备而成。
本发明提供了上述技术方案所述木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将木材浸入到壳聚糖溶液中，进行一级浸渍，得到第一木材产物；
2)将所述第一木材产物浸入到植酸钠溶液中，进行二级浸渍，得到第二木材产物；
3)将所述第二木材产物浸入到氢氧化镁纳米粒子水溶液中，进行三级浸渍，得到第三木材产物；
4)将所述第三木材产物按照步骤2)～步骤3)重复5～10次，得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料。
优选的，所述壳聚糖溶液的制备方法包括以下步骤：
将壳聚糖溶于水，调节pH值为2～6，进行超声分散，得到壳聚糖溶液。
优选的，所述超声分散的时间为5～30min，功率为400～1000W；所述壳聚糖溶液的质量分数为0.5～2％。
优选的，所述植酸钠溶液的制备方法包括以下步骤：
将植酸钠溶于水，调节pH值为2～6，进行超声分散，得到植酸钠溶液。
优选的，所述超声分散的时间为5～30min，功率为400～1000W；所述植酸钠溶液的质量分数为0.5～2％。
优选的，所述氢氧化镁纳米粒子水溶液的制备方法包括以下步骤：
将氢氧化镁纳米粒子分散在水中，得到氢氧化镁纳米粒子分散液；
调节所述氢氧化镁纳米粒子分散液的pH值为2～6，得到氢氧化镁纳米粒子水溶液。
优选的，所述氢氧化镁纳米粒子水溶液的质量分数为0.5～2％。
优选的，所述一级浸渍、二级浸渍和三级浸渍的浸渍时间独立为5min～60min。
本发明提供了一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，包括木材和附着在木材表面的阻燃复合膜，所述阻燃复合膜由包括壳聚糖、植酸钠和纳米氢氧化镁的原料制备而成。本发明选用的壳聚糖具有较高氮含量，选用的植酸钠磷含量丰富，将二者复配作用，不仅能减少磷的用量，还能够增强木材的阻燃效果；本发明利用纳米氢氧化镁与壳聚糖和植酸钠复配，能够充分利用纳米氢氧化镁抑制高聚物分解和可燃性气体产生的冷却效应，产生阻燃协效的作用；
本发明使用的壳聚糖和植酸钠，均为可降解的纯天然物质，取材来源广泛、成本低廉、无毒安全，能够得到环保的木质复合材料；
本发明提供了一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的制备方法，本发明利用壳聚糖作为聚阳离子，植酸钠作为聚阴离子；并使用纳米氢氧化镁进行复配，通过静电层层自组装技术将壳聚糖、植酸钠与纳米氢氧化镁进行复配，得到的木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料具有优异的阻燃性能，其极限氧指数较未经处理的木材提高了14％左右。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，包括木材和附着在木材表面的阻燃复合膜，所述阻燃复合膜由包括壳聚糖、植酸钠和纳米氢氧化镁的原料制备而成。
本发明提供了上述技术方案所述木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将木材浸入到壳聚糖溶液中，进行一级浸渍，得到第一木材产物；
2)将所述第一木材产物浸入到植酸钠溶液中，进行二级浸渍，得到第二木材产物；
3)将所述第二木材产物浸入到氢氧化镁纳米粒子水溶液中，进行三级浸渍，得到第三木材产物；
4)将所述第三木材产物按照步骤2)～步骤3)重复5～10次，得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料。
本发明将木材浸入到壳聚糖溶液中，进行一级浸渍，得到第一木材产物。在本发明中，所述木材优选为表面带有负电荷的木质材料，本发明优选将原料木材用蒸馏水反复冲洗并干燥，得到表面带有负电荷的木质材料；本发明利用木材的组分(纤维素、半纤维素和木质素)中均含有大量的羟基，能够得到表面带有负电荷的木质材料。在本发明中，所述干燥的温度优选为55～65℃，时间优选为1.5～2.5h。在本发明中，所述木材优选为杨木。
在本发明中，所述壳聚糖溶液的制备方法优选包括以下步骤：将壳聚糖溶于水，调节pH值为2～6，进行超声分散，得到壳聚糖溶液。在本发明中，所述壳聚糖优选包括低粘度壳聚糖(<200mPa.s)，中粘度壳聚糖(200～400mPa.s)和高粘度壳聚糖(>400mPa.s)。本发明优选使用质量浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为2～6。在本发明中，所述超声分散的时间优选为5～30min，更优选为10～20min，功率优选为400～1000W，更优选为600～800W。在本发明中，所述一级浸渍的时间优选为5min～60min，更优选为20～50min。本发明优选将所述一级浸渍的产物进行反复水洗和干燥后得到第一木材产物，所述干燥的温度优选为55～65℃，时间优选为1.5～2.5h。在本发明中，所述壳聚糖溶液的质量分数优选为0.5～2％，更优选为1.0～1.5％。
得到第一木材产物后，本发明将所述第一木材产物浸入到植酸钠溶液中，进行二级浸渍，得到第二木材产物。在本发明中，所述植酸钠溶液的制备方法优选包括以下步骤：将植酸钠溶于水，调节pH值为2～6，进行超声分散，得到植酸钠溶液。
本发明优选使用质量浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为2～6。在本发明中，所述超声分散的时间优选为5～30min，更优选为10～20min，功率优选为400～1000W，更优选为600～800W。在本发明中，所述二级浸渍的时间优选为5min～60min，更优选为20～50min。本发明优选将所述二级浸渍的产物进行反复水洗和干燥后得到第二木材产物，所述干燥的温度优选为55～65℃，时间优选为1.5～2.5h。在本发明中，所述植酸钠溶液的质量分数优选为0.5～2％，更优选为1.0～1.5％。
得到第二木材产物后，本发明将所述第二木材产物浸入到氢氧化镁纳米粒子水溶液中，进行三级浸渍，得到第三木材产物。在本发明中，所述氢氧化镁纳米粒子水溶液的制备方法优选包括以下步骤：将氢氧化镁纳米粒子分散在水中，得到氢氧化镁纳米粒子分散液；调节所述氢氧化镁纳米粒子分散液的pH值至低于其等电点(pH＝12)，得到氢氧化镁纳米粒子水溶液。在本发明中，所述氢氧化镁的粒径优选为30～50nm，更优选为35～45nm。本发明优选采用超声分散将氢氧化镁纳米粒子分散在水中，所述超声分散的时间优选为5～30min，更优选为10～20min，功率优选为400～1000W，更优选为600～800W。本发明优选使用质量浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为2～6。
在本发明中，所述三级浸渍的浸渍时间优选为5min～60min，更优选为20～50min。本发明优选将所述三级浸渍的产物进行反复水洗和干燥后得到第三木材产物，所述干燥的温度优选为55～65℃，时间优选为1.5～2.5h。在本发明中，所述氢氧化镁纳米粒子水溶液的质量分数优选为0.5～2％，更优选为1.0～1.5％。
得到第三木材产物后，本发明将所述第三木材产物重复进行二级浸渍至三级浸渍5～10次，得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料。在本发明中，所述重复进行二级浸渍至三级浸渍过程中，每次浸渍的浸渍时间优选为5min～30min，更优选为10～20min。本发明优选将所述浸渍后的产物进行反复水洗和干燥后得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，所述干燥的温度优选为55～65℃，时间优选为1.5～2.5h。
下面结合实施例对本发明提供的木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将高粘度(>400mPa.s)的壳聚糖溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，在功率为1000W条件下进行超声分散30min，得到质量分数为1％的壳聚糖溶液；
将植酸钠溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，在功率为1000W条件下进行超声分散30min，得到质量分数为1％的植酸钠溶液；
在功率为1000W条件下，将氢氧化镁纳米粒子在水中进行超声分散30min，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，使氢氧化镁纳米粒子带正电，得到质量分数为1％的氢氧化镁纳米粒子水溶液；
将原料杨木用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到表面带有负电荷的木质材料；
将原料杨木浸入到壳聚糖溶液中，进行一级浸渍60min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第一木材产物；将所述第一木材产物浸入到植酸钠溶液中，进行二级浸渍60min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第二木材产物；将所述第二木材产物浸入到氢氧化镁纳米粒子水溶液中，进行三级浸渍60min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第三木材产物；重复进行二级浸渍至三级浸渍10周期，得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料。
将实施例1制备得到的木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料进行扫描电镜表征，如图1。由图可知，在2000倍的电镜下，木材表面负载了大量的六角薄片状结构，该结构由纳米氢氧化镁组成，说明纳米氢氧化镁成功负载于木材表面。
实施例2
将高粘度(>400mPa.s)的壳聚糖溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，在功率为800W条件下进行超声分散20min，得到质量分数为0.5％的壳聚糖溶液；
将植酸钠溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，在功率为800W条件下进行超声分散20min，得到质量分数为0.5％的植酸钠溶液；
在功率为800W条件下，将氢氧化镁纳米粒子在水中进行超声分散20min，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，使氢氧化镁纳米粒子带正电，得到质量分数为0.5％的氢氧化镁纳米粒子水溶液；
将原料杨木用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到表面带有负电荷的木质材料；
将原料杨木浸入到壳聚糖溶液中，进行一级浸渍30min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第一木材产物；将所述第一木材产物浸入到植酸钠溶液中，进行二级浸渍30min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第二木材产物；将所述第二木材产物浸入到氢氧化镁纳米粒子水溶液中，进行三级浸渍60min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第三木材产物；重复进行二级浸渍至三级浸渍5周期，得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料。
实施例3
将低粘度(<200mPa.s)的壳聚糖溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为5，在功率为1000W条件下进行超声分散10min，得到质量分数为1％的壳聚糖溶液；
将植酸钠溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为5，在功率为1000W条件下进行超声分散10min，得到质量分数为2％的植酸钠溶液；
在功率为1000W条件下，将氢氧化镁纳米粒子在水中进行超声分散10min，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，使氢氧化镁纳米粒子带正电，得到质量分数为0.5％的氢氧化镁纳米粒子水溶液；
将原料杨木用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到表面带有负电荷的木质材料；
将原料杨木浸入到壳聚糖溶液中，进行一级浸渍30min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第一木材产物；将所述第一木材产物浸入到植酸钠溶液中，进行二级浸渍30min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第二木材产物；将所述第二木材产物浸入到氢氧化镁纳米粒子水溶液中，进行三级浸渍60min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第三木材产物；重复进行二级浸渍至三级浸渍8周期，得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料。
对比例
将高粘度(>400mPa.s)的壳聚糖溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，在功率为800W条件下进行超声分散20min，得到质量分数为0.5％的壳聚糖阳离子电解质溶液；
将植酸钠溶解在水中，并使用浓度为0.1mol/L的HCl溶液调节pH值为3，在功率为800W条件下进行超声分散20min，得到质量分数为0.5％的植酸钠阴离子电解质溶液；
将原料杨木用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到表面带有负电荷的木质材料；
将原料杨木浸入到壳聚糖阳离子电解质溶液中，进行一级浸渍30min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第一木材产物；将所述第一木材产物浸入到植酸钠阴离子电解质溶液中，进行二级浸渍30min，然后用蒸馏水反复冲洗并在60℃下干燥2h，得到第二木材产物；重复进行一级浸渍至二级浸渍5周期，得到木材-壳聚糖/植酸钠复合材料。
测定实施例1～3制备的木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的极限氧指数，并与原料木材以及对比例得到的木材材料(不使用氢氧化镁纳米粒子)的极限氧指数进行对比，结果如表1所示。
表1实施例1～3制备的木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料与原料木材的极限氧指数(LOI)/％
由表1可知，本发明制备的木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的阻燃性能提高，能够明显提高木材的极限氧指数，而且氢氧化镁纳米粒子与壳聚糖和植酸钠具有协同增效阻燃作用，能够进一步提高木材的极限氧指数。
由以上实施例可知，本发明提供了一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的制备方法，通过静电层层自组装技术将壳聚糖、植酸钠与氢氧化镁进行复配，能够得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，得到的复合材料具有优异的阻燃性能，其极限氧指数较未经处理的木材提高了14％左右。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料，包括木材和附着在木材表面的阻燃复合膜，所述阻燃复合膜由包括壳聚糖、植酸钠和纳米氢氧化镁的原料制备而成。
2.权利要求1所述木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将木材浸入到壳聚糖溶液中，进行一级浸渍，得到第一木材产物；
2)将所述第一木材产物浸入到植酸钠溶液中，进行二级浸渍，得到第二木材产物；
3)将所述第二木材产物浸入到氢氧化镁纳米粒子水溶液中，进行三级浸渍，得到第三木材产物；
4)将所述第三木材产物按照步骤2)～步骤3)重复5～10次，得到木材-壳聚糖/植酸钠/纳米氢氧化镁复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖溶液的制备方法包括以下步骤：
将壳聚糖溶于水，调节pH值为2～6，进行超声分散，得到壳聚糖溶液。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述超声分散的时间为5～30min，功率为400～1000W。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖溶液的质量分数为0.5～2％。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述植酸钠溶液的制备方法包括以下步骤：
将植酸钠溶于水，调节pH值为2～6，进行超声分散，得到植酸钠溶液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述超声分散的时间为5～30min，功率为400～1000W；所述植酸钠溶液的质量分数为0.5～2％。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氢氧化镁纳米粒子水溶液的制备方法包括以下步骤：
将氢氧化镁纳米粒子分散在水中，得到氢氧化镁纳米粒子分散液；
调节所述氢氧化镁纳米粒子分散液的pH值为2～6，得到氢氧化镁纳米粒子水溶液。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氢氧化镁纳米粒子水溶液的质量分数为0.5～2％。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述一级浸渍、二级浸渍和三级浸渍的浸渍时间独立为5min～60min。
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