CN112157751A - 一种木材软化弯曲的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木材软化弯曲的制备方法,具体步骤为:(1)去除木材的部分木质素;(2)用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理,使木材中的微纳米纤维发生溶胀和滑动,并均匀填充在木材中空的细胞腔内;(3)用水清洗多余的化学溶液;(4)将清洗后的木材干燥至含水率30%‑100%,即可进行弯曲变形操作;(5)将弯曲变形后的木材进行干燥定型。本发明的方法将木材软化实施弯曲有非常显著的效果,处理过程不但没有破获木材的力学性能,反而有数倍的提高,且对木材材性影响较小,稳定性好,木材致密,不易起毛,具有很高的利用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种木材软化弯曲的制备方法,属于人工微结构材料、木材加工技术领域。
背景技术
木材来源于自然,是由纤维素纤维组成的应用最广泛的传统材料。但木材是刚性材料,塑性差,在常态下,木材不能直接进行弯曲加工定型。如果在正常受力范围内,木材弯曲变形,但应力消失则木材变形恢复,当超出弹性极限时,受力拉伸面纤维被拉断破坏,因此,木材很难作为曲线型构件使用。
由于木材是天然、环境友好的材料,如果能将木材制备成曲线型构件,将大大扩展了木材的应用范围。目前用来改善木材弯曲加工性能的方法主要是将木材软化。常用的木材软化方法包括水热处理、高频介质加热处理等物理方法,但此类方法会造成木材开裂,性能降低,且木材弯曲曲率有限。
木材中的细胞腔是中空管状结构,其细胞壁是由多级微纳纤维构成,当调控纳米纤维素纤维,使纤维素纤维均匀分布在中空细胞腔内时,暂时破坏了纤维素结晶区,使得纤维有滑动和自由移动的空间,宏观上使得木材获得一定的塑性,能实现弯曲定型。然而木材结构复杂,纤维调控难度比较大,研究仍面临很大的挑战。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种木材软化弯曲的制备方法。
本发明采用的技术方案如下:
一种木材软化弯曲的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,去除部分木质素:将木材置于A溶液中高温蒸煮,去除部分木质素,并用清水洗净木材备用;
步骤2,木材化学处理:将步骤1获得的木材用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理,使木材中的微纳纤维发生溶胀和滑动,并均匀填充在木材中空的细胞腔内;
步骤3,清洗处理:将步骤2所获木材静置0.5h-24h后,置于水中浸泡处理30min-24h,待木材固化后,用水清洗多余的化学溶液;
步骤4,弯曲变形:将清洗后的木材干燥至含水率30%-100%,即可进行弯曲变形操作;
步骤5,将弯曲变形后的木材进行干燥定型。
进一步地,在步骤1中,所述木材的种类包括针叶材和阔叶材。
进一步地,在步骤1中,所述A溶液为高温水蒸汽、氢氧化钠/亚硫酸钠混合溶液、双氧水溶液、次氯酸钠溶液或者上述溶液的安全组合。
进一步地,在步骤1中,木质素的去除含量为10%—99%。
进一步地,在步骤2中,先将木材在145~200℃下的N,N二甲基乙酰胺溶液中活化30分钟~2小时;然后将上述溶液降温至95~120℃,加入氯化锂,反应时间为5分钟~2小时;最后静置1~24小时。
进一步地,所述氯化锂与N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比为1:8~1:12。
本发明以天然木材为原料,通过调控木材中微纳纤维的位置及纤维间的相互作用,让微纳纤维可滑动从而使木材软化可弯曲,本发明的优势在于:
(1)增大了木材的塑性,使木材可弯曲。
(2)木材软化过程中,没有引入外来物质。软化后的木材成分与原始木材相比没有变化,仍由木质素、纤维素和半纤维素构成。
(3)木材本身的强度性能并没有被减弱,反而有数倍的提高。相较传统软化方法中,获得塑性的同时,在木材强度方面有一定损失的缺点,本发明制备的木材的弹性极限、抗弯模量、疲劳极限和塑性都有显著的提高。
(4)利用本发明软化方法制备的木材,弯曲程度范围广,甚至可以打结、锁扣,其曲率范围广、强度高的曲线型构件,极大地扩大了木材的应用范围。
附图说明
图1是原始木材未经软化直接弯曲断裂的扫描电子显微镜照片。
图2是木材软化后的截面扫描电子显微镜照片。
图3是实施例1中木材软化后打结的(a)示意图,(b)实物照片。
图4是实施例2中制备的木材软化卷曲的照片。
图5是实施例3中制备的木材软化折叠的(a)照片,(b)扫描电子显微镜照片。
图6是实施例4中制备的木材软化弯曲的扫描电子显微镜照片。
图7是实施例1中木材的顺纹抗拉强度应力应变曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种木材软化弯曲的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将木材用A处理溶液处理20分钟到72小时去除部分木质素,木质素去除的含量为10%—99%。木质素主要存在于纤维之间,具有使细胞、纤维相连,对木材提供刚性支持的作用。去除部分木质素后,不但可以破坏木质素与纤维素之间的化学键,也为后续纤维素纤维的溶胀迁移提供了空间。
(2)将步骤(1)获得的木材用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理,使木材中的纳米纤维发生溶胀和滑动,并均匀填充在木材中空的细胞腔内。
溶液处理前的原始木材结构如图1所示,原始木材弯曲时展示出刚性特点,不具有塑性和弹性,木材断裂被破坏,不能制备成弯曲构件。经溶液处理纤维溶胀和滑动之后,此时木材中的细胞单元已经从空心管状结构变成实心结构,整个木材由木材细胞单元紧密排布形成了致密结构,木材细胞单元为由纳米纤维素纤维构成的实心结构。
(3)然后将木材静置0.5h-24h,再置于水中浸泡处理30min-24h,待木材固化后,用水清洗多余的化学溶液。
(4)将清洗后的木材干燥至含水率30%-100%,即可进行弯曲变形操作。
(5)最后将弯曲变形后的木材进行干燥定型。
实施例1:
将高70cm,直径1mm的椴木,置于2.0mol/L氢氧化钠,0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮10小时,并用水清洗多余的化学药品,再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液,160℃,保持60分钟,然后冷却至110℃,加入一定量氯化锂,氯化锂:N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比=1:8,反应60分钟,取出之后,静置24小时,浸入水10小时,之后用去离子水多次清洗,此时木材可以弯曲,甚至可打结,干燥可定型。其木材打结的示意图见图1,且由图6可以看出,其顺纹抗拉强度430MPa,是原始木材强度的近7倍。
实施例2:
将樟子松横切为厚度3mm、直径10cm,置于2.0mol/L氢氧化钠,0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮10小时,并用水清洗多余的化学药品,再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液,165℃,保持30分钟,然后冷却至120℃,加入一定量氯化锂,氯化锂:N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比=1:9,反应40分钟,取出之后,静置10小时,取出之后浸入水5小时,之后用去离子水多次清洗,此时木材可以弯曲,干燥可定型成图4所示,且顺纹抗拉强度423MPa。
实施例3:
将高15cm、直径1.5mm的椴木,置于2.5mol/L氢氧化钠,0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮20小时,并用水清洗多余的化学药品,再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液,185℃,保持60分钟,然后冷却至110℃,加入一定量氯化锂,氯化锂:N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比=1:8,反应60分钟,取出之后,静置10小时,取出之后浸入水10小时,之后用去离子水多次清洗,此时木材可以弯曲,干燥可定型成图5所示,木材甚至可以像纸一样对折,且顺纹抗拉强度433MPa。
实施例4:
将高20cm、直径1.5mm的椴木,置于2.5mol/L氢氧化钠,0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮10小时,并用水清洗多余的化学药品,再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液,175℃,保持60分钟,然后冷却至110℃,加入一定量氯化锂,氯化锂:N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比=1:8,反应60分钟,取出之后,静置20小时,取出之后浸入水20小时,之后用去离子水多次清洗,此时木材可以弯曲呈螺旋弹簧状(参见图6的局部图),干燥可定型,且顺纹抗拉强度417.5MPa。
实施例5:
将高2cm、宽和长分别为7cm的椴木,置于2.5mol/L氢氧化钠,0.03mol/L亚硫酸钠水溶液中蒸煮6小时,并用水清洗多余的化学药品,再干燥。然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液,165℃,保持30分钟,然后冷却至120℃,加入一定量氯化锂,氯化锂:N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比=1:8,反应30分钟,取出之后,静置10小时,取出之后浸入水10小时,之后用去离子水多次清洗,此时横切木材同样可以对折,干燥可定型,且顺纹抗拉强度446.3MPa。
Claims (7)
1.一种木材软化弯曲的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1,去除部分木质素:
将木材置于A溶液中高温蒸煮,去除部分木质素,并用清水洗净木材备用;
步骤2,木材化学处理:
将步骤1获得的木材用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理,使木材中的微纳纤维发生溶胀和滑动,并均匀填充在木材中空的细胞腔内;
步骤3,清洗处理:
将步骤2所获木材静置0.5h-24h后,置于水中浸泡处理30min-24h,待木材固化后,用水清洗多余的化学溶液;
步骤4,弯曲变形:
将清洗后的木材干燥至含水率30%-100%,即可进行弯曲变形操作;
步骤5,将弯曲变形后的木材进行干燥定型。
2.根据权利要求1所述的一种木材软化弯曲的制备方法,其特征在于,在步骤1中,所述木材的种类包括针叶材和阔叶材。
3.根据权利要求1所述的一种木材软化弯曲的制备方法,其特征在于,在步骤1中,所述A溶液为高温水蒸汽、氢氧化钠/亚硫酸钠混合溶液、双氧水溶液、次氯酸钠溶液或者上述溶液的安全组合。
4.根据权利要求1所述的一种木材软化弯曲的制备方法,其特征在于,在步骤1中,木质素的去除含量为10%—99%。
5.根据权利要求1所述的一种木材软化弯曲的制备方法,其特征在于,在步骤2中,先将木材在145~200℃下的N,N二甲基乙酰胺溶液中活化30分钟~2小时;然后将上述溶液降温至95~120℃,加入氯化锂,反应时间为5分钟~2小时;最后静置一段时间。
6.根据权利要求5所述的一种木材软化弯曲的制备方法,其特征在于,所述氯化锂与N,N-二甲基乙酰胺溶液的质量比为1:8~1:12。
7.根据权利要求5所述的一种木材软化弯曲的制备方法,其特征在于,所述静置的时间为1~24小时。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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