CN110587748B - 一种络合木束、络合重组木及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种络合木束、络合重组木及其制备方法，属于木材加工技术领域。上述络合木束的制备方法，包括：步骤1：准备适量木束；步骤2：把植物多酚导入木束，得到多酚木束；步骤3：在多酚木束中导入金属盐，得到多酚金属盐木束；步骤4：干燥多酚金属盐木束，得到络合木束。利用本发明的络合木束制备的络合重组木解决了现有技术中重组木容易出现跳丝、变形、开裂等问题，且保持较好的力学性能。

Description

一种络合木束、络合重组木及其制备方法
技术领域
本发明涉及木材加工技术领域，具体涉及一种络合木束、络合重组木及其制备方法。
背景技术
我国是世界上速生林木资源最丰富的国家，利用速生林木材生产高性能的木基复合材料，以弥补我国优质木材供应不足，已经是我国林业产业面临的一个重大行业问题。重组木不仅改善和提高了速生林木材的物理力学性能，还赋予其疏水、阻燃、防腐、防霉、防白蚁等新功能，是速生林木资源小材大用、劣材优用的有效途径之一，也是未来我国速生林木资源高效利用的发展主要方向之一。
跳丝、变形、开裂和吸水厚度膨胀率高是目前重组木产品存在的主要问题，究其原因主要是压缩形变的恢复和细胞壁干缩湿胀，产生的内应力，从而造成跳丝、变形或开裂；另外，一些多酚含量较高树种如桉树、木麻黄、漆木等，在定向重组加工过程，多酚飘移对酚醛树脂的胶合性能具有较大的影响，也是造成跳丝、开裂、脱胶等问题之一；有些木材如桉树、木麻黄、漆木等多酚含量较高树种，在定向重组加工过程，多酚飘移对酚醛树脂的胶合性能具有较大的影响，也是造成跳丝、开裂、脱胶等问题之一；另一些多酚含量较低树种如杨木、柳树等，通常色泽较浅。为了解决重组木上述问题，目前主要采用热处理(俗称炭化)对木束进行处理。热处理会使半纤维素和部分纤维素热解，使木材中羟基数量减少，提高了尺寸稳定性和抗生物老化性能，同时在湿热的作用下，木质素颜色发生变化，改变了木束的色泽。但是热处理会降低重组木的强度，经过140-200℃处理的木束制备的重组木，其力学强度降低约20-70％；同时，热处理重组木具有让人闻着不舒服的胶味，在热处理过程还会产生废液、废气，造成一定的环境污染。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种络合木束、络合重组木及其制备方法，解决了现有技术中重组木容易出现跳丝、变形、开裂等问题，且保持较好的力学性能。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种络合木束的制备方法，包括：
步骤1：准备适量木束；
步骤2：把植物多酚导入木束，得到多酚木束；
步骤3：在多酚木束中导入金属盐，得到多酚金属盐木束；
步骤4：干燥多酚金属盐木束，得到络合木束。
进一步的，所述步骤1具体为：
11)将原木锯截成一定长度的木段；
12)将上述木段旋切或刨切成一定厚度的单板；
13)将上述单板经过疏解形成木束；
14)将上述木束干燥至含水率为6-30％。
进一步的，所述步骤2为：
21)将植物多酚溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液；
22)把上述木束浸渍于植物多酚水溶液中；
23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的木束。
进一步的，所述植物多酚水溶液的浓度为1.0g/L～25.0g/L，平均分子量为170～50000，为1～40聚合体；所述木束在植物多酚水溶液中的浸渍时间为10min-48h，浸渍温度为0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压；所述植物多酚为栲胶、单宁、单宁酸、末食子酸、焦性末食子酸的一种或多种混合。
将木束浸泡多酚溶液中，在水的作用下木束细胞壁逐渐溶胀，所述植物多酚被逐渐地导入到所述木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，直至达到预设定的浸渍量；将所述木束取出，放置在干燥窑或空气中，使木材中水分逐渐蒸发，所述细胞内植物多酚浓度增加，达到等电点时，开始沉淀，并在氢键和/或疏水键作用下，植物多酚被固化木束内，形成多酚木束。
进一步的，所述步骤3为：
31)将金属盐溶解在水中，搅拌均匀后，形成金属盐水溶液；
32)把上述多酚木束浸渍于金属盐水溶液中。
进一步的，所述金属盐水溶液的浓度为0.3g/L～30.0g/L；所述木束在金属盐水溶液中的浸渍时间10min-180天，浸渍温度0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压；所述金属盐为铁盐、铜盐、铝盐、钛盐、钙盐、钼盐、钨盐、铬盐、镁盐、钾盐，及其复盐的一种或多种混合物。
将制备的多酚木束，浸泡在金属盐溶液中，所述金属盐溶液被逐渐地导入到所述木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，直至达到预设定的浸渍量；在此过程，所述多酚与金属离子在水和空气的作用下络合成多酚-金属离子络合物，将所述木束取出，放置在干燥窑或空气中，使木束中水分逐渐蒸发，从而使木束、植物多酚和金属离子形成一个整体。
进一步的，所述木束中含有重量比为0.3％-15％的植物多酚，同时含有重量比为0.1％-12％的金属盐，所述植物多酚和金属盐分布在所述木束的疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和细胞间隙中，并以络合物形式存在。
上述络合木束，包含木束、植物多酚和金属盐，植物多酚与木束组分纤维素、半纤维等多糖之间通过多点氢键和/或多点疏水键作用，将植物多酚固定在木束中，多酚与金属离子之间通过络合成多酚-金属离子络合物，从而使木束、植物多酚和金属离子形成一个整体。氢键主要是由多酚中的酚羟基与木束纤维素和半纤维素中的羟基和羰基结合产生；疏水键主要是由多酚中的苯环与木束中的木质素中的苯环之间形成疏水键结合产生；所述络合主要由植物多酚中邻位二酚羟基与金属离子螯合产生；此外，还可以将硼、铜的离子通过络合固定在重组木中，以达到防霉、防腐的作用。
另一方面，本发明还提供一种络合重组木的制备方法，以上述络合木束为原料，包括：
步骤1：施胶
将分子量为800-2500的酚醛树脂或分子量为600-3000的尿醛树脂，采用浸胶方式浸渍到络合木束中或采用辊涂方式涂布在络合木束表面，所述施胶量为8-30％；
步骤2：干燥
将浸胶后的络合木束在干燥窑中进行干燥，干燥温度为45℃～75℃，干燥含水率控制在10-16％；
步骤3：组坯
将干燥后的络合木束，按照顺纹组坯，形成络合重组木板坯；
步骤4：胶合成型
将上述的重组木板坯送入冷压机中，经冷压制成络合重组木方料，压力为30-100MPa，冷压温度为常温；送入固化道中进行固化，固化温度为 135-155℃，固化时间为8-12h；
或者，将上述的重组木板坯送入热压机中，采用冷进-冷出工艺，热压力为6-10MPa，热压温度为135-155℃，固化时间为120min。
再一方面，本发明还提供一种络合重组木，所述络合重组木是由若干层络合木束按照顺纹堆叠而成，在每层络合木束之间设置有胶黏剂，所述酚醛树脂或尿醛树脂；所述络合木束含有重量比为0.3％-15％的植物多酚，同时含有重量比为0.1％-12％的金属盐，所述植物多酚和金属盐分布在所述木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，并以络合物形式存在。
进一步的，所述木束中的薄壁组织细胞、导管细胞被压缩密实。
现有研究认为，引起重组木开裂的原因很多，其中最主要的因素是木束中的多糖(纤维素、半纤维素等物质)在吸湿和解吸过程吸收或释放水分而引起木束膨胀或收缩，从而导致的重组木尺寸不稳定和开裂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中，在木束的细胞壁内引入植物多酚和金属盐，利用植物多酚的酚羟基与纤维素、半纤维素的羟基结合，同时，邻位酚羟基与金属离子络合，将相邻的纤维素/半纤维素的分子链交联成网状结构，犹如在纤维素 /半纤维素分子链支上了若干支架支撑，使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩；在上述的基础上，在纤维素骨架内形成了大量的由氢键(植物多酚酚羟基和木束中的羟基结合形成了多点氢键)和配位键(植物多酚酚环上的邻位羟基与金属盐络合形成了配位键)组成的多重牺牲键网络。由于牺牲键键能小于共价键(纤维素、半纤维素、木质素以及酚醛树脂之间形成了共价键网络)，当木束受到内应力或外力作用时，牺牲键优先于共价键断裂。牺牲键不断地断裂和重构的动态作用，耗散了木束体系内的大量能量，消除或削弱了内应力，保护了纤维素骨架共价键网络的完整。这为解决重组木的开裂问题提供了新方法。
本发明首先将把植物多酚导入木束，使木束发生了润胀；然后向其中导入金属盐，植物多酚与木束中的纤维素和半纤维素结合，形成多点氢键，同时，植物多酚与金属盐络合，将“纤维素-植物多酚-金属盐”结合成一体，犹如在纤维素骨架分子中形成了若干支架支撑；然后，伴随的水分的蒸发和氧化反应，“纤维素-植物多酚-金属盐”进一步交联和氧化，最终形成络合木束。本发明“纤维素-植物多酚-金属盐”动态多重牺牲键网络结构，支撑起纤维素和/或半纤维素，使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩，同时牺牲键不断地断裂和重构的动态作用，耗散了重组木体系内的大量能量，消除或削弱了内应力，保护了纤维素骨架共价键网络的完整，从分子水平解决了重组木易开裂问题。
本发明方法解决了现有技术中重组木容易出现跳丝、变形、开裂和吸水厚度膨胀率高等问题，且保持较好的力学性能。
附图说明
图1为本发明多酚木束纤维素分子链结构图；
图2为本发明络合木束纤维素分子链结构图；
图3为本发明实施例1中处理前、后桉树木束图；
图4为本发明实施例1络合木束浸泡在开水中的图；
图5为本发明实施例2处理后中处理前后桉树重组木图；
图6为本发明实施例4中桉树重组木浸泡在开水中的图；
图7为本发明实施例4中未处理桉树重组木经过野外腐朽试验后的图；
图8为本发明实施例4中络合桉树重组木经过野外腐朽试验后的图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明中，所使用的材料及试剂未有特殊说明的，均可从商业途径得到。
实施例1
一种络合木束的制备方法，包括：
步骤1：准备适量木束；
11)将桉树锯截成2000mm长度的木段；
12)将上述木段旋切成8mm厚度的单板；
13)将上述单板经过疏解形成木束，所述的木束平均直径为1.3mm，最大直径小于5.0mm，并在所述木束导管、薄壁细胞的细胞壁或纤维的胞间层中设置了一系列不规则的裂纹，见图3(a)；
14)将上述木束干燥至含水率为6％；
步骤2：把植物多酚导入木束，得到多酚木束；
21)将单宁溶解在水中，搅拌均匀后，形成单宁水溶液，浓度为1.0g/L；
22)把上述木束加压浸渍于单宁水溶液中，浸渍压力为0.3MPa，浸渍时间为2h，浸渍温度为室温，将单宁水溶液导入到所述木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中；
23)干燥已浸渍单宁水溶液的木束，得到多酚木束，其分子链结构如图1所示；
步骤3：在多酚木束中导入金属盐，得到多酚金属盐木束；
31)将氯化铁溶解在水中，搅拌均匀后，形成氯化铁水溶液，浓度为 0.3g/L；
32)把上述多酚木束常压浸渍于氯化铁水溶液中，浸渍压力为0.3MPa，浸渍时间1h，浸渍温度为常温，将氯化铁水溶液导入到所述多酚木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中。
步骤4：干燥多酚金属盐木束，得到络合木束，其分子链结构图如图见图2所示；制备的络合木束见图3(b)。
将本实施例制备的络合木束浸泡在开水中，见图4，络合木束在开水中并没有出现任何褪色现象。
实施例2
一种络合重组木的制备方法，以实施例1制备的络合木束为原料，包括：
步骤1：施胶
将分子量为600的脲醛树脂，采用辊涂方式涂布在络合木束表面，所述施胶量为8％；
步骤2：干燥
将浸胶后的络合木束在干燥窑中进行干燥，干燥温度为60℃，干燥含水率控制在14％
步骤3：组坯
将干燥后的络合木束，按照顺纹组坯，形成络合重组木板坯；
步骤4：胶合成型
将上述的重组木板坯送入冷压机中，经冷压制成络合重组木方料，压力为60MPa，冷压温度为常温；送入固化道中进行固化，固化温度为 135℃，固化时间为12h，得到络合重组木，见图5(b)。
对上述络合重组木的物理力学性能进行测试，结果如表1所示。从表 1可以看出，络合重组木较现有普通重组木(见图5(a))的吸水厚度膨胀率数值显著降低，证明本发明制备的络合重组木尺寸稳定性得到显著改善。
表1普通重组木、络合重组木性能的比较
性能指标 普通重组木 络合重组木
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.10 1.14
弯曲强度(MPa) 237 242
弹性模量(GPa) 25.4 23.2
吸水厚度膨胀(％) 8.6 2.3
吸水宽度膨胀(％) 6.8 1.3
将制备的络合重组木泡在开水中，见图6，络合重组木在开水中也没有出现任何褪色现象，证明本发明改变重组木的颜色的方法不易褪色，可保持长久有效。
实施例3
一种络合木束的制备方法，包括：
步骤1：准备适量木束；
11)将杨木锯截成2000mm长度的木段；
12)将上述木段旋切成厚度为6mm单板；
13)将上述单板经过疏解形成木束，所述的单根木纤维束平均直径为 1.3mm，最大直径小于5.0mm，并在所述木束导管、薄壁细胞的细胞壁或纤维的胞间层中设置了一系列不规则的裂纹；
14)将上述木束干燥至含水率为30％；
步骤2：把植物多酚导入木束，得到多酚木束；
21)将杨梅栲胶溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液，浓度为2.5g/L；
22)把上述木束植入于植物多酚水溶液中，采用加压浸渍，浸渍压力为0.3MPa，时间为30min，浸渍温度为25℃，将杨梅栲胶水溶液导入到所述木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中；
23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的木束；
步骤3：在多酚木束中导入金属盐，得到多酚金属盐木束；
31)将硫酸铜和氨溶烷基胺铜(ACQ)按重量比1：1比例溶解在水中，搅拌均匀后，形成铜盐水溶液，浓度为4.5g/L；
32)把上述多酚木束浸渍于金属盐水溶液中，采用加压浸渍，浸渍压力为0.3MPa，浸渍时间20min，浸渍温度25℃，将铜盐水溶液导入到所述多酚木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中。
步骤4：将上述木束的pH值调至到9.0，采用干燥窑将其干燥到含水率为18％，得到络合木束。
实施例4
一种络合重组木的制备方法，以实施例3制备的络合木束为原料，包括：
步骤1：施胶
将分子量为600的酚醛树脂，采用浸胶方式浸渍到络合木束中，所述施胶量为12％；
步骤2：干燥
将浸胶后的络合木束在干燥窑中进行干燥，干燥温度为55℃，干燥含水率控制在16％
步骤3：组坯
将干燥后的络合木束，按照顺纹组坯，形成络合重组木板坯；
步骤4：胶合成型
将上述的重组木板坯送入热压机中，采用冷进-冷出工艺，热压力为6 MPa，热压温度为155℃，固化时间为120min，得到络合重组木。
对上述络合重组木的物理力学性能进行测试，结果如表2所示。从表 2可以看出，本发明制备的络合重组木具有较好的尺寸稳定性，同时，防霉、防腐等级较高，离子流失(铜离子流失)率显著降低。
表2普通重组木、络合杨木重组木性能对比
性能指标 普通重组木 络合重组木
气干密度(g/cm<sup>3</sup>) 0.85 0.85
弯曲强度(MPa) 137 136
弹性模量(GPa) 15.7 15.1
吸水厚度膨胀(％) 9.8 2.7
吸水宽度膨胀(％) 4.8 1.4
防霉性能 4级 2级
防腐性能 Ⅳ级(不腐朽) Ⅱ级(耐腐)
铜离子流失 83.6％ 8.4％
综上可知，本申请将植物多酚和金属盐导入木束中，以此制备的重组木具有较好的颜色保持性，不易褪色，同时，具有较好的防腐、防霉性能，解决了现有技术中重组木容易出现跳丝、变形、开裂和吸水厚度膨胀率高等问题，且保持较好的力学性能。
以上所述是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种络合木束的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：准备适量木束；
步骤2：把植物多酚导入木束：将所述木束浸渍于植物多酚水溶液中，植物多酚被逐渐地导入到所述木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，得到多酚木束；所述植物多酚水溶液的浓度为1.0 g/L~25.0g/L，平均分子量为170~50000，为1~40聚合体；
步骤3：在多酚木束中导入金属盐：将所述多酚木束浸渍于金属盐水溶液中，金属盐溶液被逐渐地导入到所述木束疏解裂纹表面、细胞壁、细胞腔和/或细胞间隙中，得到多酚金属盐木束；所述金属盐水溶液的浓度为0.3g/L~30.0g/L；所述金属盐为铁盐、铜盐、铝盐、钛盐、钙盐、钼盐、钨盐、铬盐、镁盐、钾盐，及其复盐的一种或多种混合物；
步骤4：干燥多酚金属盐木束，得到络合木束，所述络合木束中含有重量比为0.3%-15%的植物多酚，同时含有重量比为0.1%-12%的金属盐。
2.根据权利要求1所述的络合木束的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
11）将原木锯截成一定长度的木段；
12）将上述木段旋切或刨切成一定厚度的单板；
13）将上述单板经过疏解形成木束；
14）将上述木束干燥至含水率为6-30%。
3.根据权利要求1所述的络合木束的制备方法，其特征在于，所述步骤2为：
21）将植物多酚溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液；
22）把上述木束浸渍于植物多酚水溶液中；
23）干燥已浸渍植物多酚水溶液的木束。
4.根据权利要求3所述的络合木束的制备方法，其特征在于，所述木束在植物多酚水溶液中的浸渍时间为10min-48h，浸渍温度为0-80℃，浸渍方法为常压、加压或抽真空后再加压；所述植物多酚为栲胶、单宁、单宁酸、没食子酸、焦性没食子酸的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的络合木束的制备方法，其特征在于，所述步骤3为：
31）将金属盐溶解在水中，搅拌均匀后，形成金属盐水溶液；
32）把上述多酚木束浸渍于金属盐水溶液中。
6.根据权利要求5所述络合木束的制备方法，其特征在于，所述木束在金属盐水溶液中的浸渍时间10min-180天，浸渍温度0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压。
7.一种络合木束，其特征在于，所述络合木束由权利要求1-6任一所述的方法制备而成。
8.一种络合重组木的制备方法，其特征在于，以权利要求7所述络合木束为原料，包括：
步骤1：施胶
将酚醛树脂或脲醛树脂，采用浸胶方式浸渍到络合木束中或采用辊涂方式涂布在络合木束表面，所述施胶量为8-30%；
步骤2：干燥
将浸胶后的络合木束在干燥窑中进行干燥，干燥温度为45℃~75℃，干燥含水率控制在10-16%；
步骤3：组坯
将干燥后的络合木束，按照顺纹组坯，形成络合重组木板坯；
步骤4：胶合成型
将上述的重组木板坯送入冷压机中，经冷压制成络合重组木方料，压力为30-100 MPa，冷压温度为常温；送入固化道中进行固化，固化温度为135-155℃，固化时间为8-12h；
或者，将上述的重组木板坯送入热压机中，采用冷进-冷出工艺，热压力为6-10 MPa，热压温度为135-155℃，固化时间为120 min。
9.一种络合重组木，其特征在于，所述络合重组木由权利要求8所述的方法制备而成。
10.根据权利要求9所述的络合重组木，其特征在于，所述木束中的薄壁组织细胞、导管细胞被压缩密实。
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