CN115028796A - 一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及木质复合材料领域，具体涉及一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料。透明木质复合材料的原料包括：木材、类玻璃体聚合物前驱体混合物和催化剂；所述类玻璃体聚合物前驱体混合物包括：含有巯基基团的化合物、含有异氰酸酯基团的化合物和热致变色微胶囊；其中，巯基基团与异氰酸酯基团的摩尔比为2:1～3；所述热致变色微胶囊与所述类玻璃体聚合物前驱体混合物的重量比为0.5～1.5：100。本发明所制备的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料具有光学透明性、导光各向异性、低导热性、紫外线吸收性、形状可恢复性和形状可编辑性，在智能家居装饰与建材领域具有巨大的应用潜力。

Description

一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料
技术领域
本发明涉及木质复合材料领域，具体涉及一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料。
背景技术
基于当前化石资源日益匮乏和生态环境亟需改善等现状，为了优化能源结构分配、提高人居环境质量，促进全球可持续发展，可持续、高性能的新型建筑材料的开发成为了材料领域的重要课题。木材作为一种天然亲和的生态环境材料，具有强重比高、电热绝缘、易于加工等优点，自古以来被广泛应用于建筑、家具、室内装饰等家居环境中。近年来，透明木材由于其独特的层级结构、低密度、高光学透光率和优异机械性能而被广泛关注。而透明木材的制备主要包括两部分：脱除木材内部木质素中的发色团，向木材内部浸渍折射率与纤维素相匹配的聚合物。目前常用于透明木材制备的聚合物主要包括：聚甲基丙烯酸甲酯、环氧聚合物、N-丁基甲基丙烯酸酯与聚乙烯吡咯烷酮等。
随着科技进步与人民生活水平提高，透明木材的制备不再局限于单纯的视觉透明，更多着眼于新功能的开发，如光致变色、热致变色、温度调节等，可为人类活动提供更多便捷与趣味。类玻璃体聚合物具有可交换的动态共价键，可在催化作用下通过交换反应调节拓扑结构，因此将其引入木材框架可赋予木质复合材料性能与形状的可编辑性，而形状可编辑的透明木质复合材料能够根据使用者需求，在特定的外部刺激作用下变换成不同形状，以更充分地服务于人居环境。目前被引入木材内部的类玻璃体聚合物主要为环氧基类玻璃体聚合物，其在使用过程中常因氧化、光降解等作用而泛黄，视觉效果欠佳。此外，木材细胞壁与类玻璃体之间的弱界面相互作用常导致机械强度较低。上述不利因素限制了类玻璃体聚合物浸渍木质复合材料在新型建材领域的应用。同时，向复合材料中引入热致变色功能有望实现材料温度的可视化监测，赋予其智能性与趣味性，但目前兼具形状可编辑性与热致变色功能的木质复合材料鲜有研究，且热致变色微胶囊的均匀分散具有挑战性。而疏水性木质复合材料的开发则有利于保障智能家居装饰与建材实际应用过程中的防污、自清洁等性能。
因此，目前亟需开发一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，使其兼具理想的视觉效果、机械性能、形状可编辑性、热致变色功能与疏水性，同时其制备方法具备工艺简单、条件温和、功能性强等优点。
发明内容
鉴于此，本发明首先提供了一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，其原料包括：木材、类玻璃体聚合物前驱体混合物和催化剂；
所述类玻璃体聚合物前驱体混合物包括：含有巯基基团的化合物、含有异氰酸酯基团的化合物和热致变色微胶囊；
其中，巯基基团与异氰酸酯基团的摩尔比为2:1～3；
所述热致变色微胶囊与所述类玻璃体聚合物前驱体混合物的重量比为0.5～1.5：100。
本发明发现，采用上述类玻璃体聚合物前驱体混合物，同时控制巯基基团、异氰酸酯基团与热致变色微胶囊的用量在上述范围时，可制备出兼具理想的视觉效果、机械性能、形状可编辑性、热致变色功能与疏水性的透明木质复合材料。其中，上述配比的巯基基团与异氰酸酯基团点击反应产生的动态硫代氨基甲酸酯键，可赋予透明木质复合材料性能与形状的可编辑性，其形状可在外部热刺激下通过一定催化作用进行编辑，而且硫代氨基甲酸酯体系作为催化作用下可交换的动态共价网络，无需溶剂，能够有效克服现有环氧基类玻璃体聚合物所具有的氧化泛黄、视觉效果欠佳的缺陷，同时具备较强的机械性能。此外，在上述用量关系下，能够使得热致变色微胶囊在复合材料体系中均匀分散，从而实现理想的热致变色效果，且整体材料呈疏水性。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述含有巯基基团的化合物为三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸)酯；
和/或，所述含有异氰酸酯基团的化合物为六亚甲基二异氰酸酯。
本发明发现，使用含有上述化合物的类玻璃体聚合物前驱体混合物，能够进一步提升透明木质复合材料的视觉效果、机械性能和形状可编辑性。其中，异氰酸酯基团与木材中的羟基具有高反应活性，可显著增强浸渍聚合物与木材之间的界面结合。而且，上述类玻璃体聚合物前驱体混合物流动性强，易于渗透木材，固化条件温和。此外，热致变色微胶囊与上述前驱体混合物亲和性良好，在一定配比关系下可均匀分散进而实现理想的热致变色效果，且使得透明木质复合材料整体呈疏水性。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述热致变色微胶囊为热致消色微胶囊或热致显色微胶囊中的至少一种。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二丁基氧化锡中的至少一种。
在上述催化剂的催化作用下，能够进一步提升透明木质复合材料的视觉效果、机械性能和形状可编辑性。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述催化剂与所述类玻璃体聚合物前驱体混合物的重量比为0.5-1.5：100。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述木材为轻木、杨木或杉木中的至少一种。
本发明所制备的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料具有光学透明性、导光各向异性、低导热性、紫外线吸收性、形状可恢复性和形状可编辑性。
而且，本发明所制备的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料形状恢复快速高效、形状编辑简便，且能高效实现热致变色，整体呈疏水性，在智能家居装饰与建材领域具有巨大的应用潜力。
进一步，本发明还提供了上述任一方案中疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料的制备方法，包括：对木材进行脱木素处理；而后将脱木素木材与类玻璃体聚合物前驱体混合物以及催化剂混合，经固化后制得疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料；
其中，脱木素处理包括：将木材与第一溶液反应；所述第一溶液为亚氯酸钠、次氯酸钠、氢氧化钠或亚硫酸钠溶液中的至少一种。
在具体实施过程中，可将木材浸没于第一溶液中，在70℃～90℃下反应24～60h，期间每隔4～8h更换处理溶液。
优选地，在70℃～90℃下反应34～38h。在此条件下，木材形态不破碎，而且木质素脱除较充分，整体颜色呈白色半透明。
作为本发明的一种优选的实施方案，将脱木素木材与类玻璃体聚合物前驱体混合物以及催化剂混合后，先在100Pa-300Pa的真空条件下浸渍处理，而后在常压下浸渍，然后进行固化。
作为本发明的一种优选的实施方案，先在100Pa-300Pa的真空条件下浸渍处理20-60min，而后在常压下浸渍60-120min，然后进行固化。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述固化为：采用聚四氟乙烯薄膜包覆浸渍后的木材，而后在30-60℃下，将聚四氟乙烯薄膜包覆的木材夹持于玻璃片中。
作为本发明的一种优选的实施方案，将浸渍后的木材上下两面用聚四氟乙烯薄膜包覆，再于两玻璃片夹持之下在30-60℃固化12-24h。
作为本发明的一种优选的实施方案，所述脱木素处理还包括：将木材与第一溶液反应后，水洗木材至少一次，而后冷冻干燥制得脱木素木材。
在具体实施过程中，将木材与第一溶液反应后，经过冷却，再用水洗木材至少一次，而后冷冻干燥制得脱木素木材。
本发明的制备工艺简单、条件温和、无需溶剂、而且易于实施。
本领域技术人员可以进一步通过对上述优选方案进行组合，以得到本发明中疏水、热致变色和形状可编辑性的透明木质复合材料的制备方法的其它较优实施方案。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种兼具光学透明性、导光各向异性、低导热性、紫外线吸收性、形状可恢复性、形状可编辑性的疏水、热致变色的透明木质复合材料。本发明的透明木质复合材料兼具理想的视觉效果、机械性能、形状可编辑性、热致变色功能与疏水性，同时本发明的制备方法具有工艺简单、条件温和、功能性强等优点。
附图说明
图1为实施例1中透明木质复合材料的微观形貌图与实物图。
图2为商用玻璃与实施例1中透明木质复合材料的接触角对比图。
图3为实施例1和2中不同热致变色微胶囊添加量的透明木质复合材料的颜色对比图。
图4为实施例3中不同纹理方向的透明木质复合材料的接触角测试结果图。
图5为商用玻璃与实施例1和3中的透明木质复合材料的接触角变化对比图；其中，实施例1制备的是横向木质复合材料；实施例3制备的是纵向木质复合材料。
图6为实施例3中透明木质复合材料与天然木材、脱木素木材的拉伸性能对比图。
图7为实施例4中的透明木质复合材料的形状回复与编辑过程。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明涉及到的原料均可市购获得，涉及的操作如无特殊说明均为本领域常规操作，使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明所涉及的专业术语只为描述具体实施例，并非旨在限制本发明的保护范围。
下述实施例中配置类玻璃体聚合物前驱体混合物采用六亚甲基二异氰酸酯和三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸)酯分别提供异氰酸酯基团与巯基基团，热致变色微胶囊采用电子转移型可逆热致消色微胶囊。
实施例1
本实施例提供了一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，具体制备方法包括如下步骤：
(1)将锯切好的轻木木片(规格R×T×L：20mm×20mm×2mm)浸没于1％亚氯酸钠溶液中，利用冰醋酸调节pH值至4.6，于80℃下反应36h。期间间隔6h更换一次处理溶液，使用去离子水冲洗去除残留物后冷冻干燥得到脱木素轻木木材。
(2)配置类玻璃体聚合物前驱体混合物，其中巯基基团与异氰酸酯基团摩尔比为1:1，热致变色微胶囊的加入量为0.5％，催化剂二月桂酸二丁基锡的加入量为0.5％(百分比为加入物质的重量占类玻璃体聚合物前驱体混合物的重量百分比)。
(3)脱木素轻木木材浸没于搅拌均匀的前驱体混合物与变色微胶囊的体系中，300Pa真空条件下浸渍30min后，常压浸渍60min。
(4)脱木素轻木木材充分浸渍后，上下两面用聚四氟乙烯薄膜包覆，再于两玻璃片夹持之下在30℃、40℃、60℃条件下逐步固化6h、4h和2h，固化后得到疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料。
本实施例所制备的疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料的微观形貌与实物图如图1所示，由图1可见，脱木质素和浸渍处理后木材框架中的孔隙被完全填充，且界面结合紧密，木质复合材料在30℃条件下宏观呈蓝色透明，36℃条件下接近无色透明，色彩分布均匀，光学透过率高。本实施例所制备的疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料的接触角如图2所示。亲水性的商用玻璃的接触角为79.1°，而本实施例中木质复合材料的接触角为104.5°，整体呈疏水性。
实施例2
本实施例提供了一种疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料，具体制备方法仅与实施例1不同的是：热致变色微胶囊的加入量为1％。
本实施例所制备的疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料的实物图如图3所示。结果表明，微胶囊添加量的增大会使复合材料在低温条件下的颜色加深，透明度降低。
实施例3
本实施例提供了一种疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料，具体制备方法仅与实施例1不同的是：使用的轻木规格为R×T×L：2mm×20mm×20mm。
本实施例所制备的疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料的接触角如图4所示。图5为商用玻璃与实施例1以及本实施例所制备的透明木质复合材料在1min内接触角随时间的变化曲线，证明本发明所制备的不同纹理方向的疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料疏水性明显且较为稳定。
此外，对本实施例制备的透明木质复合材料的拉伸强度进行测试。拉伸方向上材料长度为80mm，宽度为10mm，厚度为2mm。采用万能力学试验机，借助上下两个夹具夹持复合材料上下两端，拉伸速率为5mm/min。透明木质复合材料的纹理方向与拉伸方向平行，拉伸强度为42MPa。天然轻木、脱木素轻木和本实施例的透明木质复合材料的拉伸强度对比如图6所示，结果表明，由于类玻璃体聚合物的引入与结合，透明木质复合材料的机械性能具有突出优势。利用本发明的脱木素处理和聚合物浸渍处理所制得的疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料除具备良好的视觉效果、疏水性、热致变色性、形状可编辑性外，还具有理想的拉伸强度。
实施例4
本实施例提供了一种疏水、热致变色、形状可编辑的透明木质复合材料，具体制备方法仅与实施例1不同的是：使用的轻木规格为R×T×L：80mm×10mm×2mm。
本实施例所制备的透明木质复合材料的形状操纵过程如图7所示，具体操纵过程如下：通过平面压制将其制备成原始“一”型，升温至60℃后可变换为S型，冷却后该临时形状可固定，再次将其加热至60℃后，形状可恢复为“一”型。而通过在180℃条件下定型10min后冷却即可对该材料形状进行操纵，使其永久形状转变为U型，升温处理同样可使其变换成不同形状，再次升温亦可使其恢复为U型，且该材料的原始形状可重复编辑操纵。
对比例1
本对比例提供了一种透明木质复合材料，具体制备方法仅与实施例1不同的是：巯基基团与异氰酸酯基团摩尔比为1：2。经测试，复合材料浸渍后无法在24小时内固化完成，且复合材料内部存在许多微小气泡，无法达到透明效果。
此外，对本对比例制备的透明木质复合材料的拉伸强度进行测试。拉伸方向上材料长度为80mm，宽度为10mm，厚度为2mm。采用万能力学试验机，借助上下两个夹具夹持复合材料上下两端，拉伸速率为5mm/min。透明木质复合材料的纹理方向与拉伸方向平行，拉伸强度为28.69MPa。
对比例2
本对比例提供了一种透明木质复合材料，具体制备方法仅与实施例1不同的是：热致变色微胶囊的添加量为2％。
经测试，热致变色微胶囊在复合材料体系内无法均匀分散，出现聚集沉积的情况，影响整体的视觉效果。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，其特征在于，其原料包括：木材、类玻璃体聚合物前驱体混合物和催化剂；
所述类玻璃体聚合物前驱体混合物包括：含有巯基基团的化合物、含有异氰酸酯基团的化合物和热致变色微胶囊；
其中，巯基基团与异氰酸酯基团的摩尔比为2:1～3；
所述热致变色微胶囊与所述类玻璃体聚合物前驱体混合物的重量比为0.5～1.5：100。
2.根据权利要求1所述的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，其特征在于，所述含有巯基基团的化合物为三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸)酯；
和/或，所述含有异氰酸酯基团的化合物为六亚甲基二异氰酸酯。
3.根据权利要求1或2所述的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，其特征在于，所述热致变色微胶囊为热致消色微胶囊或热致显色微胶囊中的至少一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，其特征在于，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二丁基氧化锡中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，其特征在于，所述催化剂与所述类玻璃体聚合物前驱体混合物的重量比为0.5-1.5：100。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料，其特征在于，所述木材为轻木、杨木或杉木中的至少一种。
7.权利要求1～6中任一项所述的疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料的制备方法，其特征在于，包括：对木材进行脱木素处理；而后将脱木素木材与类玻璃体聚合物前驱体混合物以及催化剂混合，经固化后制得疏水、热致变色和形状可编辑的透明木质复合材料；
其中，脱木素处理包括：将木材与第一溶液反应；所述第一溶液为亚氯酸钠、次氯酸钠、氢氧化钠或亚硫酸钠溶液中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将脱木素木材与类玻璃体聚合物前驱体混合物以及催化剂混合后，先在100Pa-300Pa的真空条件下浸渍处理，而后在常压下浸渍，然后进行固化。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述固化为：采用聚四氟乙烯薄膜包覆浸渍后的木材，而后在30-60℃下，将聚四氟乙烯薄膜包覆的木材夹持于玻璃片中。
10.根据权利要求7～9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述脱木素处理还包括：将木材与第一溶液反应后，水洗木材至少一次，而后冷冻干燥制得脱木素木材。
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