CN113459230B - 基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法及透明木材 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了本发明中对木材进行常规干燥处理，将干燥后的木材浸泡在纯水、次氯酸钠和冰醋酸的混合液中，并经过脱水等后续步骤制得脱木素薄木。使用溶剂热法将木质素与不同含氮化合物脱水碳化反应制得具有不同荧光性能的碳量子点溶液，然后将脱木素薄木真空浸渍在碳量子点溶液中，使碳量子点均匀分布在木材细胞腔内表面，再将脱木质素薄木浸渍在光固化树脂中已填充其细胞腔，经紫外固化后制得基于碳量子的多色荧光透明木材。本发明以碱木质素为碳源，制备出绿色与橙红色发光的碳量子点，并将它们按照不同比例混合以拓展出多色碳量子点浸渍液。

Description

基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法及透明木材
技术领域
本发明属于新型木材技术开发及改性领域，特别是涉及基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法及透明木材。
背景技术
森林资源是可再生能源，木材作为一种广泛存在的天然材料，被大量应用于各领域。木材内部纤维素框架的分层多孔结构和化学功能赋予其更广泛的可修饰性。借助这种特殊结构研究人员期望通过对木材进行改性处理来拓宽其功能和应用领域。
透明木材是一种给基于木材改性而来的新型材料，能基本保留木材的力学性能，并具有较高的透光率。透明木材是通过将折射率与样品细胞壁成分相匹配的透明聚合物注入到脱木素木材中填充其细胞腔及导管等制备而成。
量子点作为一种新型发光材料，因为其独特的生物相容（无毒）性和光学性能（发射可调和光稳定性）而备受关注。目前的研究表明，碳量子点已经被用于各领域包括生物成像，生物传感器，金属离子检测，光电子学等。木质素是自然界最丰富的芳香生物基大分子，是制备碳量子点的理想材料之一。但目前基于碳量子所做出的荧光透明木材荧光单一，不能变色，并不能应用在所有行业中，限制了其用途。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法及透明木材，该方法使用碱木质素为碳源，制备出绿色与橙红色发光的碳量子点溶液，并将它们按照不同比例混合以拓展出多种荧光发射，实现多种荧光木材的开发，在光转换器与智能橱窗等方面应用前景广阔。
本发明提供基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）：选取薄木样品，在80-90℃条件下干燥12h至绝干状态，备用；
（2）：将次氯酸钠与蒸馏水混合并搅拌均匀，使用冰醋酸将混合溶液的pH调节为4.6，制得脱木素水溶液，将步骤（1）干燥后的薄木样品浸泡在脱木素水溶液中，在85℃水浴加热4-8h进行脱木素处理，至薄木样品呈白色状态；
（3）：将步骤（2）中经过脱木素处理的薄木样品取出，用去离子水冲洗并保存在无水乙醇中进行脱水处理，制得脱木素薄木模板；
（4）：称取碱木质素和对苯二胺加入硫酸溶液中混合均匀，置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中，并在烘箱中180℃加热8h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，将离心所得的上清液透析处理，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，并重新溶解于无水乙醇中，制得具有绿色荧光的碳量子点浸渍液A；
称取碱木质素、对苯二胺和对苯二甲酸加入无水乙醇中混合均匀，置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中，并在烘箱中200℃加热10h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，将离心所得的上清液透析处理，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，并重新溶解于无水乙醇中，制得具有橙红色荧光的碳量子点浸渍液B；
将碳量子点浸渍液A和碳量子点浸渍液B按设定比例混合，制备多色碳量子点浸渍液C，
（5）：将步骤（3）制得的脱木素薄木浸渍于制备的步骤（4）中制备的碳量子点浸渍液A、碳量子点浸渍液B和碳量子点浸渍液C中，并置于真空干燥釜中浸渍40 min；
（6）：取出步骤（5）中制得的浸渍有多色碳量子点浸渍液的脱木素薄木，重新浸渍于光固化树脂中，并进行真空负压处理，将浸渍后的脱木素薄木取出置于365 nm紫外灯下固化5 min得到多色荧光透明木材。
作为优选，步骤（1）中所述薄木样品为白杨木，尺寸为20mm*20mm*1.5mm，其气干密度为0.113g/cm3，绝干密度为0.087g/cm3。
作为优选，步骤（2）中所述木材薄片与脱木素水溶液的质量体积比为2.8:1，单位为mg/ml，所述脱木素水溶液中次氯酸钠水溶液的浓度为4wt%。
作为优选，步骤（4）中所述的碱木质素与对苯二胺的质量比为1:3，所述硫酸溶液的浓度为40 wt%。
作为优选，步骤（4）中所述碱木质素、邻苯二胺和对苯二甲酸的质量比为1:3:3。
作为优选，步骤（4）中所述固液分离处理条件为离心转速10000转/分钟，离心时间为15分钟，所述透析处理使用的是分子截留量为1000Da的透析袋，透析时间为48h，所述粉末与无水乙醇的质量体积比为10:1，单位为mg/ml。
作为优选，步骤（4）中所述设定比例为0.8:1。
作为优选，步骤（6）中所述光固化树脂为聚氨酯丙烯酸酯与环氧丙烯酸酯的二元混合树脂，所述聚氨酯丙烯酸酯与环氧丙烯酸酯的质量比为1:1。
作为优选，步骤（6）中所述真空负压处理的条件为-1kg/cm2。
本发明还提供一种如前述所述的基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法所制备的多色荧光透明木材。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明以碱木质素为碳源，制备出绿色与橙红色发光的碳量子点，并将它们按照不同比例混合以拓展出多色碳量子点浸渍液；
2、本发明以脱木素杨木为分散载体，将碳量子点分散在其多孔结构中，以解决碳量子固态荧光淬灭问题，实现其固态发光。
3、本发明使用光固化树脂代替传统的环氧树脂来制备透明木材，解决了透明木材暴露在空气中易氧化黄变的问题，同时简化了透明木材的固化工艺，极大地缩短了透明木的固化时长。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
为了理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明。其中，光固化剂。
实施例1
基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法，包括以下步骤：
（1）：选取尺寸为20mm*20mm*1.5mm的白杨木薄木样品，在80℃条件下干燥12h至绝干状态，烘干后薄木样品密度为0.087g/cm3备用；
（2）：将20g次氯酸钠与500ml蒸馏水混合并搅拌均匀，使用冰醋酸将混合溶液的pH调节为4.6，制得脱木素水溶液，将步骤（1）干燥后的1.044g薄木样品浸泡在脱木素水溶液中，在85℃水浴加热8h进行脱木素处理，至薄木样品呈白色状态；
（3）：将步骤（2）中经过脱木素处理的薄木样品取出，用去离子水冲洗并保存在无水乙醇中进行脱水处理，制得脱木素薄木模板；
（4）：称取0.1g碱木质素和0.3g对苯二胺加入10ml浓度为40wt%的硫酸溶液中混合均匀，置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中，并在烘箱中180℃加热8h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，离心转速10000转/分钟，离心时间为15分钟，将离心所得的上清液使用分子截留量为1000Da的透析袋，透析时间48h，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，取0.01g冻干后的粉末重新溶解于10ml无水乙醇中，制得具有绿色荧光的碳量子点浸渍液A；
（5）：将步骤（3）制得的脱木素薄木浸渍于步骤（4）制备的10ml碳量子点浸渍液A中，并置于真空干燥釜中浸渍40 min；
（6）：取出步骤（5）中制得的浸渍有碳量子点浸渍液A的脱木素薄木，重新浸渍于20g聚氨酯丙烯酸酯与20g环氧丙烯酸酯混合的光固化树脂中，并进行真空负压处理，将浸渍后的脱木素薄木取出置于365nm紫外灯下固化5 min得到基于碳量子的荧光透明木材。
经测试，本实施例制得的透明木材的透光率为83%，雾度为71%，在365nm紫外灯激发下为绿色荧光。
实施例2
（1）：选取尺寸为20mm*20mm*1.5mm的白杨木薄木样品，在85℃条件下干燥12h至绝干状态，烘干后薄木样品密度为0.087g/cm3备用；
（2）：将20g次氯酸钠与500ml蒸馏水混合并搅拌均匀，使用冰醋酸将混合溶液的pH调节为4.6，制得脱木素水溶液，将步骤（1）干燥后的1.044g薄木样品浸泡在脱木素水溶液中，在85℃水浴加热8h进行脱木素处理，至薄木样品呈白色状态；
（3）：将步骤（2）中经过脱木素处理的薄木样品取出，用去离子水冲洗并保存在无水乙醇中进行脱水处理，制得脱木素薄木模板；
（4）：称取0.1g碱木质素、0.3g邻苯二胺和0.3g对苯二甲酸加入10ml无水乙醇中混合均匀，并置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中，并在烘箱中200℃加热10h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，离心转速10000转/分钟，离心时间为15分钟，将离心所得的上清液使用分子截留量为1000Da的透析袋，透析时间48h，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，取0.01g 冻干后的粉末重新溶解于10ml无水乙醇中，制得具有橙红色荧光的碳量子点浸渍液B；
（5）：将步骤（3）制得的脱木素薄木浸渍于步骤（4）制备的碳量子点浸渍液B中，并置于真空干燥釜中浸渍40 min；
（6）：取出步骤（6）中制得的浸渍有碳量子点浸渍液B的脱木素薄木，重新浸渍于20g聚氨酯丙烯酸酯与20g环氧丙烯酸酯混合的光固化树脂中，并进行真空负压处理，将浸渍后的脱木素薄木取出置于365nm紫外灯下固化5 min得到基于碳量子的荧光透明木材。
经测试，本实施例制得的透明木材的透光率为85%，雾度为73%，在365nm紫外灯激发下为橙色荧光。
实施例3
（1）：选取尺寸为20mm*20mm*1.5mm的白杨木薄木样品，在90℃条件下干燥12h至绝干状态，烘干后薄木样品密度为0.087g/cm3备用；
（2）：将20g次氯酸钠与500ml蒸馏水混合并搅拌均匀，使用冰醋酸将混合溶液的pH调节为4.6，制得脱木素水溶液，将步骤（1）干燥后的1.044g薄木样品浸泡在脱木素水溶液中，在85℃水浴加热8h进行脱木素处理，至薄木样品呈白色状态；
（3）：将步骤（2）中经过脱木素处理的薄木样品取出，用去离子水冲洗并保存在无水乙醇中进行脱水处理，制得脱木素薄木模板；
（4）：称取0.1g碱木质素和0.3g对苯二胺加入10ml浓度为40wt%的硫酸溶液中混合均匀，并置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中180℃加热8h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，离心转速10000转/分钟，离心时间为15分钟，将离心所得的上清液使用分子截留量为1000Da的透析袋，透析时间48h，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，并重新溶解于10ml无水乙醇中，制得具有绿色荧光的碳量子点浸渍液A；
称取0.1g碱木质素、0.3g邻苯二胺和0.3g对苯二甲酸加入10ml无水乙醇中混合均匀，并置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中，并在烘箱中200℃加热10h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，离心转速10000转/分钟，离心时间为15分钟，将离心所得的上清液使用分子截留量为1000Da的透析袋，透析时间48h，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，取0.01g冻干后的粉末重新溶解于10ml无水乙醇中，制得具有橙红荧光的碳量子点浸渍液B；
将4 ml碳量子点浸渍液A和5 ml碳量子点浸渍液B混合，制备碳量子点浸渍液C；
（5）：将步骤（3）制得的脱木素薄木浸渍于制备的碳量子点浸渍液C中，并置于真空干燥釜中浸渍40 min；
（6）：取出步骤（5）中制得的浸渍有多色碳量子点浸渍液的脱木素薄木，重新浸渍于20g聚氨酯丙烯酸酯与20g环氧丙烯酸酯混合的光固化树脂中，并进行真空负压处理，将浸渍后的脱木素薄木取出置于365nm紫外灯下固化5 min得到基于碳量子的荧光透明木材。
本实施例得到的透明木材的透光率为86%，雾度为75%，在365nm紫外灯激发下为黄色荧光。
本发明中对木材进行常规干燥处理，将干燥后的木材浸泡在纯水、次氯酸钠和冰醋酸的混合液中，脱出木质素并经过脱水等步骤制得脱木素薄木。使用溶剂热法将碱木质素与不同含氮化合物脱水碳化反应制得具有不同荧光性能的碳量子点溶液，然后将脱木素薄木真空浸渍在碳量子点溶液中，使碳量子点均匀分布在木材细胞腔内表面，再将脱木质素薄木浸渍在光固化树脂中已填充其细胞腔，经紫外固化后制得基于碳量子的多色荧光透明木材。
利用本方法所制得的本发明所制得的荧光透明木材具有80%以上的光学透过率与70%以上的光学雾度，经紫外灯激发后，可发出不同颜色的荧光。其中所制备的碳量子点量子产率较高，荧光性能稳定。木材组织的分层结构保存完好，工艺简单环保，所制得的材料质量轻，机械性能较原始木材有所提升。荧光透明木材可应用在变色橱窗、荧光转化，均匀照明等领域。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）：选取薄木样品，在80-90℃条件下干燥12h至绝干状态，备用；
（2）：将次氯酸钠与蒸馏水混合并搅拌均匀，使用冰醋酸将混合溶液的pH调节为4.6，制得脱木素水溶液，将步骤（1）干燥后的薄木样品浸泡在脱木素水溶液中，在85℃水浴加热4-8h进行脱木素处理，至薄木样品呈白色状态；
（3）：将步骤（2）中经过脱木素处理的薄木样品取出，用去离子水冲洗并保存在无水乙醇中进行脱水处理，制得脱木素薄木模板；
（4）：称取碱木质素和对苯二胺加入硫酸溶液中混合均匀，置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中，并在烘箱中180℃加热8h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，将离心所得的上清液透析处理，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，并重新溶解于无水乙醇中，制得具有绿色荧光的碳量子点浸渍液A；
称取碱木质素、邻苯二胺和对苯二甲酸加入无水乙醇中混合均匀，置于衬有聚四氟乙烯的反应釜中，并在烘箱中200℃加热10h，将反应釜中的混合溶液取出置于离心机中进行固液分离处理，将离心所得的上清液透析处理，得到的透析液冷冻干燥处理得到粉末，并重新溶解于无水乙醇中，制得具有橙红色荧光的碳量子点浸渍液B；
将碳量子点浸渍液A和碳量子点浸渍液B按设定比例混合，制备碳量子点浸渍液C；
（5）将步骤（3）制得的脱木素薄木分别浸渍于步骤（4）中制备的碳量子点浸渍液A、碳量子点浸渍液B和碳量子点浸渍液C中，并置于真空干燥釜中浸渍40 min；
（6）：取出步骤（5）中制得的浸渍有碳量子点浸渍液A、碳量子点浸渍液B和碳量子点浸渍液C的脱木素薄木，重新浸渍于光固化树脂中，并进行真空负压处理，将浸渍后的脱木素薄木取出置于365 nm紫外灯下固化5 min得到多色荧光透明木材；
步骤（4）中所述碱木质素、邻苯二胺和对苯二甲酸的质量比为1:3:3；
步骤（4）中所述设定比例为0.8:1；
步骤（4）中所述的碱木质素与对苯二胺的质量比为1:3，所述硫酸溶液的浓度为40wt%；
步骤（6）中所述光固化树脂为聚氨酯丙烯酸酯与环氧丙烯酸酯的二元混合树脂，所述聚氨酯丙烯酸酯与环氧丙烯酸酯的质量比为1:1。
2.根据权利要求1所述的基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述薄木样品为白杨木，尺寸为20mm*20mm*1.5mm，其气干密度为0.113g/cm3，绝干密度为0.087g/cm3。
3.根据权利要求1所述的基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述木材薄木与脱木素水溶液的浴比为质量体积比为2.8:1，所述脱木素水溶液中次氯酸钠水溶液的浓度为4wt%。
4.根据权利要求1所述的基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述固液分离处理条件为离心转速10000转/分钟，离心时间为15分钟，所述透析处理使用的是分子截留量为1000Da的透析袋，透析时间为48h，所述粉末与无水乙醇的质量体积比为10:1。
5.根据权利要求1所述的基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法，其特征在于：步骤（6）中所述真空负压处理的条件为-1kg/cm2。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的基于碳量子点的多色荧光透明木材的制备方法所制备的多色荧光透明木材。
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