CN110999661B - 一种石墨烯对活体植物纤维改性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过对植物输入浓度为1～10ppm氧化石墨烯悬浊液，从而对活体植物纤维改性的方法。将不同浓度的氧化石墨烯输入活体植物内，测试植物力学性能的变化情况，实验表明此方法能成功地将氧化石墨烯还原为石墨烯，并对活体植物纤维进行改性，有效提高了木材的力学性能、大大增强了木材的使用价值。
Description
技术领域
本发明是涉及一种氧化石墨烯对活体植物纤维改性的方法，属于氧化石墨烯应用与材料领域。
背景技术
石墨烯因其优异的性质在众多领域得到广泛应用。目前研究发现，石墨烯可提高纤维的物理机械性能, 赋予其导电性、导热性和紫外线防护功能等。清华大学课题组曾进行过石墨烯对蚕丝性能的改良实验，并发现石墨烯对蚕丝的韧度有较大改善作用。目前国内外缺少将石墨烯输入活体植物以探索其对植物纤维的改良的研究。
木材作为一种非均质的、各向异性的天然高分子材料，许多性质都有别于其它材料，而其力学性质更是与其它均质材料有着明显的差异。木材在使用过程中的受力状态，可以分为抗拉、抗压、抗弯和抗剪四类强度，由于木材具有特殊的构造特点，其抗拉、抗压、抗剪强度又有顺纹(作用力方向与纤维方向平行)和横纹(作用力方向与纤维方向垂直)之分。从总体上讲，木材的强度可以分为顺纹抗压、横纹抗压、顺纹抗拉、横纹抗拉、抗弯、顺纹抗剪、横纹抗剪七种强度。本发明主要以下四项指标的提高做出改进。
木材的抗弯强度：木材在受弯破坏时，通常在受弯区首先达到强度极限，形成微小不明显的裂纹，但不会出现立即破坏，随着外力增大裂纹逐渐扩展，产生大量的塑性变形。随之当受拉区域内许多纤维达到强度极限时，由于纤维本身及纤维间断裂而导致木材最后破坏。木材本身具有良好的抗弯性能，抗弯强度为顺纹抗压强度的1．5～2．0倍。
木材的抗弯弹性模量：木材的抗弯弹性模量表示木材在比例限度内，应力与应变之间的相关程度，用于度量木材的劲度或抵抗变形的能力。
顺纹抗压强度：顺纹抗压强度指作用力方向与木材纤维方向平行时的抗压强度，这种受压破坏是细胞壁丧失稳定性的结果，而并非纤维的断裂。木材顺纹抗发明内容压强度受疵病的影响比较小，是木材各种力学性质中的基本指标。其强度仅次于顺纹抗拉强度和抗弯强度，该强度在土建工程中应用最广，常用于柱、桩、斜撑及桁架等承重构件。
密度：木材的力学性质，与构成木材物质的数量及构造有关，并以木材的物质数量为最主要，而木材的表观密度是单位体积木材物质数量的标志。木材表观密度与强度之间的关系，一般为直线关系，即表观密度大，其强度也大。
发明内容
为补足国内石墨烯与活体植物结合后对植物纤维产生影响方面研究的空白，同时探寻提高木材力学性能的方法，本发明提供了一种通过对植物输入氧化石墨烯悬浊液，从而对活体植物纤维改性的方法。
泡桐树在我国分布广泛，具备生产良种化的有利条件，其本身材料属性优越，木质轻，易加工，纹理鲜明美观，不易翘裂变形，不易燃烧，绝缘的导音性能好，还具有隔潮、耐腐、易干燥等优点。经过改性后，泡桐树以其具有的良好基础条件，将会在各方面拥有更加优越的价值。
本方法将去离子的饱和氧化石墨烯悬浊液通过输液袋注入树苗主干，并持续按期加入氧化石墨烯悬浊液，由于官能团的存在，氧化石墨烯的共轭结构遭到了破坏, 力学性能大幅降低，但是可以通过化学还原或热还原等手段, 恢复其部分共轭结构从而提高性能。氧化石墨烯进入植物体内之后能有效地转化为还原石墨烯，并且与植物纤维结合，改性活体植物地植物纤维。连续输入12个月溶液后，则取得经改性后力学性能得到提升的木材。
附图说明
图1为本发明的技术流程图。
图2为对照样（输入蒸馏水）的测试结果。
图3为实验样（输入1ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图4为实验样（输入2ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图5为实验样（输入3ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图6为实验样（输入4ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图7为实验样（输入5ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图8为实验样（输入6ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图9为实验样（输入7ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图10为实验样（输入8ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图11为实验样（输入9ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
图12为实验样（输入10ppm氧化石墨烯悬浊液）的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
一种氧化石墨烯对活体植物纤维改性的方法，其流程如图1，包括以下步骤。
(1)将适量的氧化石墨烯加入蒸馏水，用力搅拌，使氧化石墨烯均匀分散于水溶液中。
(2)待该液体分散稳定后，得到氧化石墨烯分散液。
(4)将配置好的氧化石墨分散液液装入事先准备好的树木输液袋中，为树木输入氧化石墨烯溶液，用电钻在树木的主干钻孔，注意钻孔的位置靠下，悬挂输液袋的位置要靠上，以确保氧化石墨烯溶液顺利输入树木枝干的茎的形成层处。
(5)按期更换输液袋并输入新的氧化石墨烯分散液，对泡桐树连续输入氧化石墨烯分散液12个月。
(6)实验结束后取树木枝干作为样本，做抗弯强度检测。
(7)实验结束后取树木枝干作为样本，做抗弯弹性模量检测。
(8)实验结束后取树木枝干作为样本，做顺纹抗压强度检测。
(9)实验结束后取树木枝干作为样本，做密度（气干）检测。
实施例1。
蒸馏水对活性植物纤维的改进（具体过程如图1所示）。
上述实施例1中蒸馏水对活性植物纤维的改性，如图2所示，抗弯强度为26.7MPa。
上述实施例1中蒸馏水对活性植物纤维的改性，如图2所示，抗弯弹性模量为4150MPa。
上述实施例1中蒸馏水对活性植物纤维的改性，如图2所示，顺纹抗压强度为16.9MPa。
上述实施例1中蒸馏水对活性植物纤维的改性，如图2所示，密度（气干）为0.284g/cm³。
实施例2。
1ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例2中浓度为1ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图3所示，抗弯强度为27.0MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例2中浓度为1ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图3所示，抗弯弹性模量为4185MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例2中1ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图3所示，顺纹抗压强度为17.2MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例2中1ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图3所示，密度（气干）为0.289g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例3。
2ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例3中浓度为2ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图4所示，抗弯强度为27.4MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例3中浓度为2ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图4所示，抗弯弹性模量为4267MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例3中2ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图4所示，顺纹抗压强度为17.6MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例3中2ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图4所示，密度（气干）为0.291g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例4。
3ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例4中浓度为3ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图5所示，抗弯强度为27.9MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例4中浓度为3ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图5所示，抗弯弹性模量为4364MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例4中3ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图5所示，顺纹抗压强度为18.1MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例4中3ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图5所示，密度（气干）为0.297g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例5。
4ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例5中浓度为4ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图6所示，抗弯强度为28.2MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例5中浓度为4ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图6所示，抗弯弹性模量为4480MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例5中4ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图6所示，顺纹抗压强度为18.8MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例5中4ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图6所示，密度（气干）为0.306g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例6。
5ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例6中浓度为5ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图7所示，抗弯强度为29.4MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例6中浓度为5ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图7所示，抗弯弹性模量为4592MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例6中5ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图7所示，顺纹抗压强度为19.6MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例6中5ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图7所示，密度（气干）为0.314g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例7。
6ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例7中浓度为6ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图8所示，抗弯强度为31.7MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例7中浓度为6ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图8所示，抗弯弹性模量为4703MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例7中6ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图8所示，顺纹抗压强度为20.5MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例7中6ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图8所示，密度（气干）为0.321g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例8。
7ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例8中浓度为7ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图9所示，抗弯强度为32.6MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例8中浓度为7ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图9所示，抗弯弹性模量为4806MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例8中7ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图9所示，顺纹抗压强度为21.6MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例8中7ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图9所示，密度（气干）为0.330g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例9。
8ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例9中浓度为8ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图10所示，抗弯强度为34.2MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例9中浓度为8ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图10所示，抗弯弹性模量为4985MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例9中8ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图10所示，顺纹抗压强度为22.4MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例9中8ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图10所示，密度（气干）为0.335g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例10。
9ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例10中浓度为9ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图11所示，抗弯强度为34.5MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例10中浓度为9ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图11所示，抗弯弹性模量为5069MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例10中9ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图11所示，顺纹抗压强度为23.1MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例10中9ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图11所示，密度（气干）为0.337g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
实施例11。
10ppm氧化石墨烯对活性植物纤维的改性（具体过程如图1所示）。
上述实施例11中浓度为10ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图12所示，抗弯强度为34.7MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，植物的抗弯强度有相应的提高。
上述实施例11中浓度为10ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图3所示，抗弯弹性模量为5137MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，抗弯弹性模量有相应的提高。
上述实施例11中10ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图3所示，顺纹抗压强度为23.8MPa，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，顺纹抗压强度有相应的提高。
上述实施例11中10ppm氧化石墨烯悬浊液对活性植物纤维的改性，如图3所示，密度（气干）为0.338g/cm³，表明氧化石墨烯进入植物体内后能与植物纤维结合，密度有相应的提高。
综上所述，本发明中通过氧化石墨烯对活性植物纤维改性的方法可以有效地将氧化石墨烯引入活体植物体内，对活体植物纤维进行改性，有效提高了木材的力学性能、增强了木材的使用价值。
Claims (4)
1.一种石墨烯对活体植物纤维改性的方法，其特征在于，氧化石墨烯悬浊液的配制，并将氧化石墨烯悬浊液注射入泡桐树茎的形成层处持续培养，氧化石墨烯在植物体内有效转化为还原石墨烯，并且与植物纤维结合，改性活体植物的植物纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，石墨烯悬浊液的制备方法为：在纯水中加入氧化石墨烯粉末，制备褐色至黑色的悬浊液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，泡桐树的选取，即改性对象为移栽两年后的树苗，并持续进行12个月的注射。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在改性过程中定期加入氧化石墨烯悬浊液，并保证氧化石墨烯悬浊液全部进入泡桐树体中。
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