CN111702900A - 一种用纳米纤维素对木材进行防腐和加固的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种用纳米纤维素对木材进行防腐和加固的方法，方法是木材界面经过纳米纤维素的修饰，使用纳米级无机物对修饰后的木材进行防腐处理，再使用加压浸渍法将纳米二氧化硅、纳米碳酸钙具有增强作用的无机纳米粒子对木材细胞壁进行加固，得到防腐性能稳定且不易受力破坏的防腐加固木材。本发明能用较为简单的工艺得到防腐性能稳定、抗流失性强且持久、耐磨性好、不易受力破坏的防腐加固木材。

Description

一种用纳米纤维素对木材进行防腐和加固的方法
技术领域
本发明属于一种用纳米纤维素对木材进行防腐和加固的方法。
背景技术
木材如今广泛进入室内使用，但由于木材易受到霉菌或腐朽菌的侵蚀、且耐磨、性差导至其性能会大大的降低，其外表的美观程度也会受损。因此迫切需要具有防腐、耐磨特性的木材，因为其可延长木材的贮存期，使木材的使用性能保持长期稳定，使木材的外观不发生较大变化，减少不必要耗损，据有极高的经济价值。
现有专利中的木材防腐剂可分为以下几大类：无机硼类木材防腐剂、、有机杀菌消毒剂类、植物源木材防腐剂及最近的纳米木材防腐剂等，但这些木材防腐剂都存在着一定的问题，如耐腐效果差、抗流失性差、抗菌时间短、污染环境、抑制的菌类较少、毒性较大及防腐效果不稳定等。
近年来，对于木材表面封护剂的相关研究有很多，主要采用非天然高分子聚合物如聚丙烯、聚四氟乙烯等，这些材料具有高的接触角、高透明度或多功能化特点。但仍存在微细结构强度低、耐磨性差、易老化、制备过程繁琐、环保性能差等不足。
当前，纳米纤维素基材料在超疏水研究方面有了一定进展，如已成功制备纳米纤维素超疏水膜等，如专利公开号CN108032393A介绍了一种基于纳米二氧化硅和乳化蜡改性防腐处理方法，用上述材料的防腐改性剂对木材进行处理，以提高木材改性防腐性能。但经这些材料处理的木材仍存在微细结构强度低、抗流失性差、耐磨性差、易老化、制备过程繁琐、环保性能差等不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种用纳米纤维素对木材进行防腐和加固的方法，用较为简单的工艺得到防腐性能稳定、抗流失性强且持久、耐磨性好、不易受力破坏的防腐加固木材。
为此，本发明的方法是木材界面经过纳米纤维素的修饰，使用纳米级无机物对修饰后的木材进行防腐处理，再使用加压浸渍法将纳米二氧化硅、纳米碳酸钙具有增强作用的无机纳米粒子对木材细胞壁进行加固，得到防腐性能稳定且不易受力破坏的防腐加固木材，包括如下步骤：
(1)将木材浸泡在装有纳米纤维素水悬浮液的反应釜中，25～30℃室温下，抽真空浸泡30～60min，获得纳米纤维素修饰的木材。
（2）取硫酸铜、柠檬酸、去离子水倒入容器中，搅拌至完全溶解，获得Cu2+溶液。
（3）将纳米纤维素修饰木材，浸泡在步骤（2）中的Cu2+ 溶液中，搅拌6～8min。再将容器放入预热的恒温槽中，加入过量的次磷酸钠，搅拌反应1～4小时，取出纳米纤维素修饰后的防腐处理木材。
（4）将纳米纤维素修饰后的防腐处理木材用去离子水清洗2～3次，并水浸8～15h，最后在室温下干燥，获得纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材。
（5）取1～4质量份纳米二氧化硅或纳米碳酸钙、300～400质量份去离子水，搅拌，再使用均质仪进行均质，经过4～7次均质，得到纳米二氧化硅胶体，或纳米碳酸钙胶体，将步骤（3）中获得的纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材浸泡在装有纳米二氧化硅胶体，或纳米碳酸钙胶体的浸渍处理罐中，室温下抽真空，罐内真空度为0.05MPa～0.09MPa，保真空时间为30～60min，最后在室温下干燥，获得具有防腐增强性能的木材。
所述的纳米纤维素的种类包括纤维素微纤丝、纳米纤维素晶体、细菌纳米纤维素及改性纳米纤维素，以及上述纤维素的任意混合物。
所述的纳米纤维素水悬浮液浓度为0.1～0.45%。
所述的硫酸铜、柠檬酸、去离子水是以1：2：100～300的质量比倒入容器，获得的Cu2+ 溶液浓度为0.02%～1%。所述的硫酸铜溶液是现配现用。所述的恒温槽温度为75～150摄氏度，次磷酸钠的用量为3～5倍的硫酸铜质量。所述的均质仪使用的压力为20MPa。所述的木材为木制品，包括但不限于木制家具、纸张、木建筑及木制工艺品。
上述方法达到了本发明的目的。
本发明能用较为简单的工艺得到防腐性能稳定、抗流失性强且持久、耐磨性好、不易受力破坏的防腐加固木材。
纳米纤维素具有较高的表面能以及与木材组织具有同样的结构，能够与木材形成氢键，紧紧附着在木材上，而且其尺寸较小，能够较好的渗透木材，但是并不能为木材带来防腐和加固的特性。本发明先利用纳米纤维素与纳米级别的抗菌无机物有良好的结合性，将两者结合一起用于木材防腐。结合两者的优异性能，在不改变抗菌纳米无机物渗透性的情况下，大大的减少了流失率，使该方法具有环保无污染、应用场景广泛、防腐效果佳等优点。同时，针对力学性能较弱的木质材料（如木质文物），将通过纳米二氧化硅、纳米碳酸钙等材料对细胞壁的填充进行有效支撑，在保持其良好防腐性能的基础上对其力学性能进行增强。
试验表明：经本发明方法处理后的木材有如下优点：
1.不会消耗大量溶剂，因溶剂挥发而造成环境污染。
2.耐腐广谱高效性、低毒环保性、在木材中固着率高。本发明对褐腐菌的损失率(%)为0. 11～2.57；对白腐菌的损失率(%)为0.12～0.57。
3.成分简单，制作步骤较少，处理成本低，能够快速投产使用。本发明处理成本低仅是传统处理成本的40%。
4.由于纳米纤维素的加入，可在一定程度上提高木材的尺寸稳定性、密度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度。
5.纳米二氧化硅、碳酸钙对木材进行了增强，大大的提高了其力学性能。采用接触角测量仪对樟木表面进行接触角测试，随机测量3个点，取平均值，结果为接触角增大为8～10%，接触角增大能够大幅度提高樟木表面的疏水性。采用D型邵氏硬度计对木材表面进行硬度测试，随机测量5个点，取平均值。结果为木材表面硬度提升9～10%。且用本发明浸渍的方式对木材表面进行处理后的效是优于涂刷效果。将樟木、杨木或杉木木块进行砂磨测试，通过体式显微镜及砂磨前后接触角变化评估封护液耐磨性能。结果为木材表面耐磨性提升9～10%。
具体实施方式
实施例1：一种用纳米纤维素对木材进行防腐和加固的方法是木材界面经过纳米纤维素的修饰，使用纳米级无机物对修饰后的木材进行防腐处理，再使用加压浸渍法将纳米二氧化硅、纳米碳酸钙具有增强作用的无机纳米粒子对木材细胞壁进行加固，得到防腐性能稳定且不易受力破坏的防腐加固木材，包括如下步骤：
(1)将木材浸泡在装有纳米纤维素水悬浮液的反应釜中，纳米纤维素水悬浮液浓度为0.1～0.45%。纳米纤维素的种类包括纤维素微纤丝、纳米纤维素晶体、细菌纳米纤维素及改性纳米纤维素，以及上述纤维素的任意混合物。在25～30℃室温下，抽真空浸泡30～60min，获得纳米纤维素修饰的木材。
（2）取硫酸铜、柠檬酸、去离子水倒入容器中，搅拌至完全溶解，获得Cu2+溶液。所述的硫酸铜、柠檬酸、去离子水是以1：2：100～300的质量比倒入容器，获得的Cu2+ 溶液浓度为0.02%～1%。所述的硫酸铜溶液是现配现用。
（3）将纳米纤维素修饰木材，浸泡在步骤（2）中的Cu2+溶液中，搅拌6～8min。再将容器放入预热的恒温槽中，所述的恒温槽温度为75～150摄氏度，加入过量的次磷酸钠，次磷酸钠的用量为3～5倍的硫酸铜质量；搅拌反应1～4小时，取出纳米纤维素修饰后的防腐处理木材。
（4）将纳米纤维素修饰后的防腐处理木材用去离子水清洗2～3次，并水浸8～15h，最后在室温下干燥，获得纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材。
（5）取1～4质量份纳米二氧化硅、300～400质量份去离子水，搅拌，再使用均质仪进行均质，经过4～7次均质，得到纳米二氧化硅胶体。将步骤（3）中获得的纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材浸泡在装有纳米二氧化硅胶体的浸渍处理罐中，室温下抽真空，罐内真空度为0.05MPa～0.09MPa，保真空时间为30～60min，最后在室温下干燥，获得具有防腐增强性能的木材。所述的均质仪使用的压力为20MPa。
所述的木材为木制品，包括但不限于木制家具、纸张、木建筑及木制工艺品。
实施例2：取 0.25%浓度纤维素纳米晶、0.2%浓度Cu2+溶液、纳米碳酸钙。将20mmX20mm见方的杨木12块浸泡在纤维素纳米晶水悬浮液中，浓度0.25%，室温下抽真空浸泡24h，获得纤维素纳米晶修饰木材。取0.0500gCuSO4、0.1000g柠檬酸，倒入150ml的容器中，加去离子水至25.00g，放入磁力搅拌子，搅拌至完全溶解，获得0.2%浓度Cu2+溶液。将纤维素纳米晶修饰木材，浸泡在获得的0.2%浓度Cu2+溶液中，搅拌5min。再将容器放入预热100摄氏度油浴锅中，加入0.1500g次磷酸钠，搅拌反应2小时。捞出木材，用去离子水清洗3次并水浸12h，期间要经常换水，使木材洗干净，再在室温下干燥至含水率在10%以下，获得纳米氧化铜纤维素纳米晶修饰后木材。
取25g纳米碳酸钙、250ml去离子水，搅拌，再使用均质仪进行均质，经过6次均质，得到纳米碳酸钙胶体。将获得的纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材浸泡在纳米碳酸钙硅胶体中，室温下抽真空浸泡12h，获得具有防腐增强性能的木材。
实施例3：0.25%浓度纳米纤维素、0.4%浓度Cu2+溶液、纳米二氧化硅。
步骤一：将20mmX20mm见方的杨木12块浸泡在纳米纤维素水悬浮液中，浓度0.25%，室温下抽真空浸泡24h，获得纳米纤维素修饰木材。
步骤二：取0.1000gCuSO4、0.2000g柠檬酸，倒入150ml的容器中，加去离子水至25.00g，放入磁力搅拌子，搅拌至完全溶解，获得0.4%浓度Cu2+溶液。
步骤三：将步骤一中纳米纤维素修饰木材，浸泡在步骤二中的Cu2+溶液中，搅拌5min。再将容器放入预热100摄氏度油浴锅中，加入0.3000g次磷酸钠，搅拌反应2小时。捞出木材，用去离子水清洗3次并水浸12h，期间要经常换水，使木材洗干净，再在室温下干燥获得纳米氧化铜纳米纤维素修饰后木材，
取24g纳米二氧化硅、250ml去离子水，搅拌，再使用均质仪进行均质，经过6次均质，得到纳米二氧化硅胶体。将获得的纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材浸泡在纳米二氧化硅硅胶体中，室温下抽真空浸泡12h，获得具有防腐增强性能的木材。
总之，本发明能用较为简单的工艺得到防腐性能稳定、抗流失性强且持久、耐磨性好、不易受力破坏的防腐加固木材。

Claims (9)

1.一种用纳米纤维素对木材进行防腐和加固的方法，其特征在于：木材界面经过纳米纤维素的修饰，使用纳米级无机物对修饰后的木材进行防腐处理，再使用加压浸渍法将纳米二氧化硅、纳米碳酸钙具有增强作用的无机纳米粒子对木材细胞壁进行加固，得到防腐性能稳定且不易受力破坏的防腐加固木材，包括如下步骤：
(1)将木材浸泡在装有纳米纤维素水悬浮液的反应釜中，25～30℃室温下，抽真空浸泡30～60min，获得纳米纤维素修饰的木材；
（2）取硫酸铜、柠檬酸、去离子水倒入容器中，搅拌至完全溶解，获得Cu2+溶液；
（3）将纳米纤维素修饰木材，浸泡在步骤（2）中的Cu2+溶液中，搅拌6～8min；
再将容器放入预热的恒温槽中，加入过量的次磷酸钠，搅拌反应1～4小时，取出纳米纤维素修饰后的防腐处理木材；
（4）将纳米纤维素修饰后的防腐处理木材用去离子水清洗2～3次，并水浸8～15h，最后在室温下干燥，获得纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材；
（5）取1～4质量份纳米二氧化硅或纳米碳酸钙、300～400质量份去离子水，搅拌，再使用均质仪进行均质，经过4～7次均质，得到纳米二氧化硅胶体，或纳米碳酸钙胶体，将步骤（3）中获得的纳米氧化铜纳米纤维素修饰木材浸泡在装有纳米二氧化硅胶体，或纳米碳酸钙胶体的浸渍处理罐中，室温下抽真空，罐内真空度为0.05MPa～0.09MPa，保真空时间为30～60min，最后在室温下干燥，获得具有防腐增强性能的木材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的纳米纤维素的种类包括纤维素微纤丝、纳米纤维素晶体、细菌纳米纤维素及改性纳米纤维素，以及上述纤维素的任意混合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的纳米纤维素水悬浮液浓度为0.1～0.45%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的硫酸铜、柠檬酸、去离子水是以1：2：100～300的质量比倒入容器，获得的Cu2+溶液浓度为0.02%～1%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的硫酸铜溶液是现配现用。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的恒温槽温度为75～150℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的次磷酸钠的用量为3～5倍的硫酸铜质量。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的均质仪使用的压力为20MPa。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的木材为木制品，包括但不限于木制家具、纸张、木建筑及木制工艺品。
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