CN112178096B - 一种木材弹簧及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木材弹簧及制备方法。该弹簧由木材弯曲而成，木材是由木材细胞单元紧密排布形成的致密结构，木材细胞单元为由纳米纤维素纤维构成的实心结构。本发明的制备方法为：首先通过去除木质素的工艺，获得了部分去除木质素的木材，然后将木材在N,N二甲基乙酰胺/氯化锂溶液处理，并旋转扭曲定型，干燥，获得木材弹簧。本发明首次制备出了木材弹簧，其具有可调的弹性范围和优异的环境友好性，整个制备过程简单，能耗小，可适用木材种类较多等特点，制备的木材弹簧具有广阔的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种木材弹簧及其制备方法，属于人工微结构材料、生态材料及其制备技术。
背景技术
木材是应用最广泛的传统材料，尤其在家居、建筑、船舶、运输等方面。但木材是刚性材料，无塑性，不可弯折等特点，因此很难作为弹性构件应用。刚、合金、塑料等是目前制备弹性构件应用最多的材料，但金属材料制备弹簧工艺复杂，成本很高，而由塑料制备的弹簧制品其弹性范围有限，且不可降解性，因此一种环境友好，可制备成弹性构件的材料被迫切需要。天然木材是环境友好性材料，如果能将木材制备成弹簧材料，将大大扩展了木材的应用范围，但木材由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中纤维素是刚性的，也无热塑性，虽是绿色材料，但木材不可弯曲定型，很难制备成弹簧。
关于木材弹簧尤其是螺旋弹簧，至今没有被报道过。而软化木材，是制备具有一定曲率的木质品首选方法。常用的软化木材原理主要是通过一定手段达到木质素或者纤维素的玻璃化转变温度，使得弹性模量降低，主要有水煮、蒸汽喷蒸、高频介质加热、微波加热，或与其他化学试剂复合等方法。但此类方法虽然软化了木材，但是弯曲程度有限，容易反弹，且工艺复杂。还有将木材通过旋切机器旋切成薄片或者单板，通过多层板压弯定型来制备有一定曲率的木制品。这类产品需要添加胶，不环境友好，且弯曲曲率有限。
木材纤维细胞壁由多级微纳纤维构成，通过调控木材纤维间的相互作用，木材纤维之间可滑动，使得木材获得一定的塑性，能实现弯曲定型是制备木材弹簧的新思路。但由于调控纳米纤维间的相互作用难度很大，纤维之间作用力比较复杂，且木材本身弹性极限有限，因此制备木材弹簧仍然具有一定的难度。
发明内容
为了克服上述现有技术的困难，本发明的目的是提供一种木材弹簧及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种木材弹簧，该弹簧由木材弯曲而成，所述木材是由木材细胞单元紧密排布形成的致密结构，所述木材细胞单元为由纳米纤维素纤维构成的实心结构。
进一步地，所述木材的密度为1.2-1.6g/cm3。
进一步地，所述弹簧为螺旋弹簧、涡卷弹簧或者异形弹簧。
进一步地，所述木材的种类为针叶材或者阔叶材。
本发明一种木材弹簧的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将木材切割成可用于弯曲的尺寸；然后用A溶液去除木材中的部分木质素；所述A溶液为强碱溶液、亚硫酸钠溶液、双氧水溶液或高温水蒸煮液；木质素的去除含量为10％—60％；
(2)用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理上述去除部分木质素的木材，使木材中的纳米纤维进行溶胀和滑动；具体步骤为：先将木材在145～200℃的N,N二甲基乙酰胺溶液中活化30分钟～2小时；然后将溶液降温至95～120℃，加入氯化锂，反应时间为5分钟～2小时，再静置1～24小时；其中，氯化锂与N,N-二甲基乙酰胺的质量比为1:8～1:12；
(3)将经步骤(2)处理后的木材在水中清洗去除残留的化学溶液，然后将木材取出卷制，并固定形状直至干燥成木材弹簧。
本发明以天然木材为原料，通过调控木材中纤维的位置及纤维间的相互作用，让木材获得一定的塑性，并能弯曲定型成木材弹簧。本发明的优势在于：
(1)首次用木材制备出了具有弹性功能的木材弹簧，且弹簧弹性可调，弹性范围广。
(2)所得的木材弹簧成分与原木材相比并没有变化，仍由木质素、纤维素和半纤维素构成，不含有任何外来物质。
(3)制备获得的木材弹簧的强度有数倍的提高。相较传统方法中，为了获得塑性而在木材强度方面有一定损失的缺点，本发明木材在弹性极限、抗弯模量、疲劳极限和塑性等方法都有显著的提高。
(4)整个制备过程简单，尤其在卷制阶段，没有金属弹簧需要高耗能的加工条件，在常温、常压下便可制备，且不但保持木材超轻绿色的特点，还提高了木材的强度，突破了天然材料的结构和性能的限制。
(5)木材是一种绿色环保的天然材料，其原料的来源十分丰富，使得本发明的制备方法可操作性强，应用价值广，操作简单，可大规模生产。
(6)本发明制备的木材弹簧的尺度和弹力均可调，是一种具有优异力学性能的自然友好型材料，可作为精密、大型弹力构件应用，因此在家居生活，结构工程，船舶，机械零部件、军用品、电绝缘零件，受力零件等方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明木材弹簧的截面结构示意图，其中1-木材，2-木材细胞单元。
图2是本发明木材弹簧的压缩复位过程的照片，(a)初始状态，(b)压缩状态，(c)复位状态。
图3为木材处理前的微观结构扫描电子显微镜照片。
图4为木材处理后的微观结构扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
本发明制备木材弹簧的方法，包括以下步骤：
(1)将木材切割成可用于弯曲的尺寸；然后用A溶液去除木材中的部分木质素；
(2)用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理上述去除部分木质素的木材，使木材中的纳米纤维进行溶胀和滑动；溶液处理前的木材如图3所示，木材由纵向中空管状细胞单元排列而成。
(3)将经步骤(2)处理后的木材在水中清洗去除残留的化学溶液，然后将木材取出卷制，并固定形状直至干燥成木材弹簧。从图1和4可以看出，此时木材1中的木材细胞单元2已经从空心管状结构变成由纳米纤维素纤维构成的实心结构，整个木材弹簧由木材细胞单元2紧密排布形成了致密结构。
实施例1：
将高30cm，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，165℃，保持40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40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，然后卷制，定型干燥成木材螺旋弹簧,顺纹抗拉强度422MPa。本实施例制备的木材弹簧如图2所示，可以看出其具有良好的弹性功能，可替代金属弹簧的工业应用。
实施例2：
将高30cm，长2mm，厚1mm椴木，置于30％双氧水中蒸煮2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30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＝1:9，反应60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，然后卷制，定型干燥成木材螺旋压缩弹簧，其顺纹抗拉强度约375MPa。
实施例3：
将高30cm，直径1mm的樟子松，在水中高温高压蒸煮10小时，并用水清洗后再干燥，将样品置于氯化锂/DMAc＝8g：100ml溶液混合，在温度165℃反应60min后，将所得混合体系静置10小时，之后用去离子水多次清洗，然后卷制，定型干燥成木材螺旋拉伸弹簧，其顺纹抗拉强度约401MPa。
实施例4：
将高25cm，直径1mm的轻木，在2mol/L氢氧化钠蒸煮10小时，并用水清洗后再干燥，将样品置于氯化锂/DMAc＝9g：100ml溶液混合，在温度165℃反应60min后，将所得混合体系静置20小时，之后用去离子水多次清洗，然后卷制，定型干燥成木材板弹簧，其顺纹抗拉强度369.5MPa。
实施例5：
将高25cm，直径2mm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，180℃，保持30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＝1:9，反应60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，然后卷制，定型干燥成木材螺旋拉伸弹簧，其顺纹抗拉强度411.3MPa。
实施例6：
将高15cm，直径0.5mm的杨木，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，然后置于N,N-二甲基乙酰胺溶液，180℃，保持30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＝1:9，反应60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，然后卷制，定型干燥成木材鼓形弹簧，其顺纹抗拉强度381.1MPa。
实施例7：
将高35cm，直径5mm的椴木，置于30％双氧水中蒸煮5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30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＝1:9，反应60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，然后卷制，定型干燥成木材圆柱弹簧，其顺纹抗拉强度约336.4MPa。
实施例8：
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，175℃，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＝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，然后卷制，定型干燥成木材螺旋弹簧，其顺纹抗拉强度约349.4MPa。
Claims (9)
1.一种木材弹簧，其特征在于，该弹簧由木材弯曲而成，所述木材是去除部分木质素之后，使木材中的纳米纤维素纤维发生溶胀和滑动，最终由木材细胞单元紧密排布形成的致密结构，所述木材细胞单元为由纳米纤维素纤维构成的实心结构。
2.根据权利要求1所述的一种木材弹簧，其特征在于，所述木材的密度为1.2-1.6g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种木材弹簧，其特征在于，所述弹簧为螺旋弹簧、涡卷弹簧或者异形弹簧。
4.根据权利要求1所述的一种木材弹簧，其特征在于，所述木材的种类为针叶材或者阔叶材。
5.如权利要求1所述一种木材弹簧的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将木材切割成可用于弯曲的尺寸；然后用A溶液去除木材中的部分木质素；
(2)用N,N二甲基乙酰胺和氯化锂溶液处理上述去除部分木质素的木材，使木材中的纳米纤维进行溶胀和滑动；
(3)将经步骤(2)处理后的木材在水中清洗去除残留的化学溶液，然后将木材取出卷制，并固定形状直至干燥成木材弹簧。
6.根据权利要求5所述的一种木材弹簧的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述A溶液为强碱溶液、亚硫酸钠溶液、双氧水溶液或高温水蒸煮液。
7.根据权利要求5所述的一种木材弹簧的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，木质素的去除含量为10％—60％。
8.根据权利要求5所述的一种木材弹簧的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，先将木材在145～200℃的N,N二甲基乙酰胺溶液中活化30分钟～2小时；然后将溶液降温至95～120℃，加入氯化锂，反应时间为5分钟～2小时，再静置一段时间；其中，氯化锂与N,N-二甲基乙酰胺的质量比为1:8～1:12。
9.根据权利要求8所述的一种木材弹簧的制备方法，其特征在于，所述静置的时间为1～24小时。
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