CN110978679A - 一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，提供了一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料及其制备方法，以负载纳米片材的木质纤维膜作为硬相物质，以高分子聚合物薄膜作为软相物质，通过层层叠加组装形成仿贝壳珍珠层结构。本发明通过仿生贝壳珍珠母有机‑无机相间的层状“砖泥”结构，开发出了一种环保高强度的木质纤维基复合材料，制备出的木质纤维基复合材料具有较高的力学强度。

Description

一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料及其制备方法。
背景技术
自然界中的许多生物材料，例如贝壳、珍珠、骨骼、牙齿等均是有机和无机相结合的典范，经过数亿年的选择进化形成了具有复杂精细的多级微纳米结构，在拥有高强力学性能的同时，兼具高韧和轻质特性。其中，贝壳的珍珠层是最为典型的代表。贝壳珍珠层是由95％的文石片(碳酸钙)和少量的有机生物大分子聚合物(1％～5％的蛋白质/多聚糖基)相互交替迭层而成，具有“砖泥”微纳层状结构，其强度、模量和韧性分别高达80～170MPa，40～70GPa和1.24KJ﹒m-2，韧性为其组成相文石的3000倍。材料微观结构结决定了其宏观力学性能，贝壳之所以具有如此优良的力学强度和韧性，主要源于其特殊的有机-无机微纳多层级结构，在遭受外力时，硬质文石片的交替存在可以使应力发生偏转，同时生物大分子聚合物内部以及与无机盐之间在分子层面上所形成的牺牲键，能转移应力和耗损能量。
木质纤维是一种来源丰富、价格低廉、比强度高的天然可再生生物质资源，以其为原材料制备的木质纤维基复合材料被广泛应用于建筑装饰和家具。然而，目前，所制备的木质纤维复合材料普遍存在力学强度不高或者需要使用甲醛类胶黏剂，一方面限制了其使用范围，另一方面木质复合材料使用过程中使用的甲醛会影响人们的居住健康。因此，通过环保型无机纳米材料和聚合物膜材料，仿生贝壳有机-无机微纳多层级结构的有望制备出环保高性能木质纤维基复合材料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料及其制备方法，以提高木质纤维基复合材料的力学强度。
第一方面，本发明提供的一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，以负载纳米片材的木质纤维膜作为硬相物质，以高分子聚合物薄膜作为软相物质，通过层层叠加组装形成仿贝壳珍珠层结构。
可选地，包括如下步骤：
步骤S1：将木质纤维加入到水中搅拌均匀，再继续加入纳米片材，并研磨处理，获得木质纤维纳米片悬浮液；
步骤S2：将步骤S1中的木质纤维纳米片悬浮液抽滤成负载纳米片材的木质纤维膜，并进行预压干燥处理；
步骤S3：将步骤S2中的负载纳米片材的木质纤维膜与高分子聚合物薄膜交替叠加，并预压成型；
步骤S4：对步骤S3成型的板材进行热压成型。
可选地，所述纳米片材包括纳米片状三氧化二铝、氮化硼、氧化石墨烯、纳米蒙脱土、纳米片状磷酸钙或纳米云母片；
所述高分子聚合物薄膜包括聚乙烯醇薄膜、聚乳酸薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚酯薄膜；
高分子聚合物薄膜的尺寸为150mm*150mm*0.1mm。
可选地，所述步骤S1中，每1L水中加入25g绝干木质纤维，所述纳米片材与所述木质纤维的质量比为1～10:100；
所述研磨处理的时间为2～8h。
可选地，所述步骤S2中，所述预压干燥处理的温度为80℃，时间为5min，压力为2.5Mpa；
此步骤中的预压步骤的目的是使木质纤维膜更加干燥。
可选地，所述步骤S3中，预压成型的温度为常温，压力为5MPa，时间为5min；
此步骤中的预压步骤的目的是使板材初步成型。
可选地，所述步骤S3中，所述负载纳米片材的木质纤维膜与高分子聚合物薄膜以1:1的数量配比交替叠加，叠加总层数为20～50层。
可选地，所述步骤S4中，热压成型的温度为180-260℃，压力为5～20MPa，时间为5～15min。
第二方面，本发明提供的如权利要求1-9中任一项所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法所制备的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料。
本发明的有益效果：
1.本发明的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，以负载纳米片材的木质纤维膜作为硬相物质，以高分子聚合物薄膜作为软相物质，通过层层叠加组装，有效的模仿贝壳珍珠母层状结构，结合热压致密化技术，形成仿贝壳珍珠层结构。
2.本发明通过仿生贝壳珍珠母有机-无机相间的层状“砖泥”结构，开发出了一种环保高强度的木质纤维基复合材料，制备出的木质纤维基复合材料具有较高的力学强度。
3.本发明所采用的的材料均无毒、无害；制备过程中不涉及有机溶剂及酸碱试剂，制备所采用的的研磨技术、真空诱导抽滤技术、层层组装技术以及热压密石化技术均为常用、易操作的技术，因而本发明具有制备过程简单、安全、操作性强等优点。
4.本发明所制备的木质纤维基复合材料可应用于承重材料或阻燃隔热材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明实施例1所提供的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本申请所有实施例中采用的木质纤维为采购自浙江省宁波大世界集团有限公司的松木纤维，40目，含水率为10％。
实施例1
本实施例提供一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：木质纤维的预处理
称取100g木质纤维加入到4L蒸馏水中，搅拌均匀后加入2.5g片状纳米三氧化二铝，搅拌均匀；最后将混合体系加入到胶体研磨机中研磨处理2h，获得木质纤维纳米片悬浮液。
S2：木质纤维基薄膜成型
取S1中研磨均匀的木质纤维纳米片悬浮液200g加入到真空抽滤装置中，抽滤成负载纳米片材的木质纤维薄膜，木质纤维薄膜的直径为150mm,厚度约为0.1mm，并于80℃下，预压5min，压力为2.5MPa。
S3：组装成型
在负载纳米片材的木质纤维薄膜表面喷涂一薄层环氧树脂，然后与高分子聚合物薄膜层层交替叠加，叠加30层，于常温下5MPa下预压5min，得初步板坯。
S4：热压成型
将S3中的板坯于10MPa压力条件下，180℃热压10min，即得到仿生多层级木质纤维基复合板坯。
图1示出了本发明实施例1所提供的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的SEM图。由图1可以看出该实施例1所制备的木质纤维基复合材料的层状结构。
实施例2
本实施例提供一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：木质纤维的预处理
称取100g木质纤维加入到4L蒸馏水中，搅拌均匀后加入5g纳米氮化硼，搅拌均匀；最后将混合体系加入到胶体研磨机中研磨处理6h，获得木质纤维纳米片悬浮液。
S2：木质纤维基薄膜成型
同实施例1中S2。
S3：组装成型
同实施例1中S3。
S4：热压成型
将S3中的板坯于10MPa压力条件下，180℃热压10min，即得到仿生多层级木质纤维基复合板坯。
实施例3
本实施例提供一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：木质纤维的预处理
称取100g木质纤维加入到4L蒸馏水中，搅拌均匀后加入10g纳米氧化石墨烯，搅拌均匀；最后将混合体系加入到胶体研磨机中研磨处理6h，获得木质纤维纳米片悬浮液。
S2：木质纤维基薄膜成型
同实施例1中S2。
S3：组装成型
同实施例1中S3。
S4：热压成型
将S3中的板坯于20MPa压力条件下，180℃热压5min，即得到仿生多层级木质纤维基复合板坯。
实施例4
本实施例提供一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：木质纤维的预处理
称取100g木质纤维加入到4L蒸馏水中，搅拌均匀后加入5g纳米蒙脱土，搅拌均匀；最后将混合体系加入到胶体研磨机中研磨处理4h，获得木质纤维纳米片悬浮液。
S2：木质纤维基薄膜成型
同实施例1中S2。
S3：组装成型
同实施例1中S3。
S4：热压成型
将S3中的板坯于5MPa压力条件下，200℃热压15min，即得到仿生多层级木质纤维基复合板坯。
实施例5
本实施例提供一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：木质纤维的预处理
称取100g木质纤维加入到4L蒸馏水中，搅拌均匀后加入5g片状纳米磷酸钙，搅拌均匀；最后将混合体系加入到胶体研磨机中研磨处理8h，获得木质纤维纳米片悬浮液。
S2：木质纤维基薄膜成型
同实施例1中S2。
S3：组装成型
同实施例1中S3。
S4：热压成型
将S3中的板坯于10MPa压力条件下，220℃热压10min，即得到仿生多层级木质纤维基复合板坯。
实施例6
本实施例提供一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：木质纤维的预处理
称取100g木质纤维加入到4L蒸馏水中，搅拌均匀后加入10g纳米云母片，搅拌均匀；最后将混合体系加入到胶体研磨机中研磨处理8h，获得木质纤维纳米片悬浮液。
S2：木质纤维基薄膜成型
同实施例1中S2。
S3：组装成型
同实施例1中S3。
S4：热压成型
将S3中的板坯于20MPa压力条件下，220℃热压15min，即得到仿生多层级木质纤维基复合板坯。
实施例7
参照国家标准《GB/T 17657-2013人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对实施例1-6制备的板材的物理力学性能进行检测，具体检测结果见表1。
表1
Figure BDA0002310098800000081
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，以负载纳米片材的木质纤维膜作为硬相物质，以高分子聚合物薄膜作为软相物质，通过层层叠加组装形成仿贝壳珍珠层结构。
2.根据权利要求1所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将木质纤维加入到水中搅拌均匀，再继续加入纳米片材，并研磨处理，获得木质纤维纳米片悬浮液；
步骤S2：将步骤S1中的木质纤维纳米片悬浮液抽滤成负载纳米片材的木质纤维膜，并进行预压干燥处理；
步骤S3：将步骤S2中的负载纳米片材的木质纤维膜与高分子聚合物薄膜交替叠加，并预压成型；
步骤S4：对步骤S3成型的板材进行热压成型。
3.根据权利要求1或2所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米片材包括纳米片状三氧化二铝、氮化硼、氧化石墨烯、纳米蒙脱土、纳米片状磷酸钙或纳米云母片。
4.根据权利要求1或2所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物薄膜包括聚乙烯醇薄膜、聚乳酸薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚酯薄膜。
5.根据权利要求2所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，每1L水中加入25g木质纤维，所述纳米片材与所述木质纤维的质量比为1～10:100；
所述研磨处理的时间为2～8h。
6.根据权利要求2所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述预压干燥处理的温度为80℃，时间为5min，压力为2.5MPa。
7.根据权利要求2所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，预压成型的温度为常温，压力为5MPa，时间为5min。
8.根据权利要求2所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述负载纳米片材的木质纤维膜与高分子聚合物薄膜以1:1的数量配比交替叠加，叠加总层数为20～50层。
9.根据权利要求2所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，热压成型的温度为180-260℃，压力为5～20MPa，时间为5～15min。
10.如权利要求1-9中任一项所述的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料的制备方法所制备的仿贝壳珍珠层结构的木质纤维基复合材料。
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