CN115229918A - 一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，包括：将木材干燥12h至绝干后，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得木模板；将木模板用去离子水清洗2‑3遍后放入有机溶液中保存；用酸性溶液调节环氧树脂的pH值，将抗菌粉末添加入环氧树脂中，在室温下采用磁力搅拌；将搅拌后得到的树脂在真空环境中浸渍于木模板中，待浸渍充分，密封干燥，得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材。本发明所获得的木材既具有较高的透光率，同时还具有实木色彩和抗菌性。这类抗菌透明木材力学性能优异，可作为优良的家居结构与装饰材料。
Description
技术领域
本发明涉及新型木材技术开发及改性领域，特别是涉及一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法。
背景技术
透明木材是一种节能环保的木质基复合材料，具有透光率高、密度小、导热系数低、成本低、抗拉伸等优异性能，在透光建筑、智能窗口、太阳能电池和家居设计等方面有着广阔的应用前景。
在将透明木材作为日常家居或公共场所材料进行使用时，需要有效防止或降低细菌等微生物在其表面的繁殖，故而对透明木材进行抗菌功能化赋予的需求应运而生。目前，围绕功能性透明木材的研究已经较为成熟，例如，专利授权公布号为CN112847709B的发明专利授权了一种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；专利申请号为CN201910032345.8的发明专利公布了一种温敏性透明木材的制备方法，所制得的透明木材不仅感温可逆，且透光率高达80%以上。然而，当前工艺对抗菌透明木材这一新概念缺乏定性定量的系统性研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，本具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法先采用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材部分木质素以获得木模板，后对与木模板折射率相匹配的环氧树脂进行改性；接着，将改性树脂浸渍填充入上述木模板中。所获得的木材既具有较高的透光率，同时还具有实木色彩和抗菌性。这类抗菌透明木材力学性能优异，可作为优良的家居结构与装饰材料。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，包括如下步骤：
（1）将木材干燥12h至绝干后，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得具有纳米级孔隙的木模板；
（2）将木模板用去离子水清洗2-3遍后，放入有机溶液中保存；
（3）用酸性溶液调节环氧树脂的pH值，接着将抗菌粉末添加入环氧树脂中，在室温下采用磁力搅拌使其分散均匀；
（4）将步骤（3）磁力搅拌后得到的溶液在真空环境中浸渍于木模板中，待浸渍充分，在室温下密封干燥，即得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤（1）中的木材为针叶材或阔叶材。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤（1）中的木材干燥温度为90-120℃。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤（1）中的次氯酸钠溶液浓度为1-3%，并用98%的醋酸溶液调节次氯酸钠溶液pH值至4.6-4.8，得到次氯酸钠和醋酸的混合溶液，次氯酸钠和醋酸的混合溶液与木材的反应温度为70-90℃，反应时间为90-180min。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤（2）中的有机溶液为无水乙醇。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤（3）中的酸性溶液为98%的醋酸溶液，调节环氧树脂pH值至4.6-4.8。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤（3）中的抗菌粉末为壳聚糖固体粉末，添加量为0.5%-4%，壳聚糖分子量为30000、100000或200000。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤（4）中的在真空环境中浸渍时间为30-50 min。
本发明的有益效果为：
本发明制备过程较为便捷，不消耗大量化学试剂与时间，有利于大规模制造；
本发明仅脱除木材部分木质素，使得透明木材具有实木色彩与触感，具有实木颜色与纹理，增强了材料的美学特性；此外，抗菌透明木材在日常使用时能够降低使用者和细菌接触的风险，呵护人们的健康。
此类样品属于木质基材料，且透光率高、质地轻、强度大。这一环保材料在家具设计、室内装饰和建筑领域有着广阔的应用前景，对推动碳中和与实现绿色可持续发展有着重要意义。
本发明基于赋予透明木材抗菌性这一创新点，通过探索制备工艺，研发具备抗菌特性的绿色材料，使其能够在部分领域替代玻璃与塑料等传统材料，更好地应用于人们日常生活。此外，本发明研发的抗菌透明木材，不同于传统无色无纹理的透明木材，而是具有实木颜色与纹理，这一工艺增加了此类抗菌材料的美学特性，使得透明木材在实用的基础上兼具装饰性。此发明专利旨在研究生物基新材料，以此提升产品性能并且降低使用者和细菌接触的风险，对推动碳中和与实现绿色可持续发展有着重要意义。
附图说明
图1为实施例1中香杉原样透明度示意图。
图2为采用实施例1的方法改性后得到的透明香杉的透明度示意图。
图3为采用实施例1的方法改性后得到的透明香杉和香杉原样的光学性能对比图。
图4为采用实施例1的方法改性后得到的透明香杉和香杉原样的力学性能对比图。
图5为实施例2中西南桦木原样透明度示意图。
图6为采用实施例2的方法改性后得到的透明西南桦木的透明度示意图。
图7为采用实施例2的方法改性后得到的透明西南桦木和西南桦木原样的光学性能对比图。
图8为采用实施例2的方法改性后得到的透明西南桦木和西南桦木原样的力学性能对比图。
图9为实施例3中椴木原样透明度示意图。
图10为采用实施例3的方法改性后得到的透明椴木的透明度示意图。
图11为采用实施例3的方法改性后得到的透明椴木和椴木原样的光学性能对比图。
图12为采用实施例3的方法改性后得到的透明椴木和椴木原样的力学性能对比图。
图13为实施例4中新西兰松原样透明度示意图。
图14为采用实施例4的方法改性后得到的透明新西兰松的透明度示意图。
图15为采用实施例4的方法改性后得到的透明新西兰松和新西兰松原样的光学性能对比图。
图16为采用实施例4的方法改性后得到的透明新西兰松和新西兰松原样的力学性能对比图。
图17为实施例5中杉木原样透明度示意图。
图18为采用实施例5的方法改性后得到的透明杉木的透明度示意图。
图19为采用实施例5的方法改性后得到的透明杉木和杉木原样的光学性能对比图。
图20为采用实施例5的方法改性后得到的透明杉木和杉木原样的力学性能对比图。
图21中（a）为空白对照样的抗菌活性实物照片示意图。
图21中（b）为透明香杉的抗菌活性实物照片示意图。
图21中（c）为透明西南桦木的抗菌活性实物照片示意图。
图21中（d）为透明椴木的抗菌活性实物照片示意图。
图21中（e）为透明新西兰松的抗菌活性实物照片示意图。
图21中（f）为透明杉木的抗菌活性实物照片示意图。
图22为本发明流程图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
实施例1：本实施例提供一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，如图22所示，按以下步骤进行：
（1）、将香杉在103℃烘箱中干燥12h至绝干。制备1%的次氯酸钠溶液，并使用98%的醋酸溶液调节次氯酸钠溶液的pH值至4.6。接着，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得具有纳米级孔隙的木模板，处理温度为80℃，处理时间为120min；
（2）、将木模板用去离子水清洗2-3遍后放入无水乙醇中保存；
（3）、用98%的醋酸溶液调节环氧树脂的pH值至4.6，接着将分子量为200000的壳聚糖粉末添加入环氧树脂中，添加量为0.5%，在室温下采用磁力搅拌使其分散均匀；
（4）、将处理过的树脂在真空环境中浸渍于上述木模板中30min，待浸渍充分，在室温下密封干燥即可，即得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明香杉。
图1和图2分别为香杉原样和改性后的透明香杉的透明度示意图。可以看出，香杉采用实施例1的方法后获得的透明香杉与香杉原样相比，透明度明显增加。从图3和图4可知，透明香杉的光学性能远优于香杉原样，透明香杉的力学性能远优于香杉原样。
实施例2：本实施例提供一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，如图22所示，按以下步骤进行：
（1）、将桦木在90℃烘箱中干燥12h至绝干。制备1%的次氯酸钠溶液，并使用98%的醋酸溶液调节次氯酸钠溶液的pH值至4.6。接着，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得具有纳米级孔隙的木模板，处理温度为70℃，处理时间为180min；
（2）、将木模板用去离子水清洗2-3遍后放入无水乙醇中保存；
（3）、用98%的醋酸溶液调节环氧树脂的pH值至4.6，接着将分子量为30000的壳聚糖粉末添加入环氧树脂中，添加量为1%，在室温下采用磁力搅拌使其分散均匀；
（4）、将处理过的树脂在真空环境中浸渍于上述木模板中35min，待浸渍充分，在室温下密封干燥即可，即得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明桦木。本实施例的桦木为西南桦。
图5和图6分别为西南桦原样和改性后的透明西南桦的透明度示意图。可以看出，西南桦采用实施例2的方法后获得的透明西南桦与西南桦原样相比，透明度明显增加。从图7和图8可知，透明西南桦的光学性能远优于西南桦原样，透明西南桦的力学性能远优于为西南桦原样。
实施例3：本实施例提供一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，如图22所示，按以下步骤进行：
（1）、将椴木在95℃烘箱中干燥12h至绝干。制备3%的次氯酸钠溶液，并使用98%的醋酸溶液调节次氯酸钠溶液的pH值至4.6。接着，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得具有纳米级孔隙的木模板，处理温度为90℃，处理时间为90min；
（2）、将木模板用去离子水清洗2-3遍后放入无水乙醇中保存；
（3）、用98%的醋酸溶液调节环氧树脂的pH值至4.7，接着将分子量为30000的壳聚糖粉末添加入树脂中，添加量为1%，在室温下采用磁力搅拌使其分散均匀；
（4）、将处理过的树脂在真空环境中浸渍于上述木模板中50min，待浸渍充分，在室温下密封干燥即可，即得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明椴木。
图9和图10分别为椴木原样和改性后的透明椴木的透明度示意图。可以看出，椴木采用实施例3的方法后获得的透明椴木与椴木原样相比，透明度明显增加。从图11和图12可知，透明椴木的光学性能远优于椴木原样，透明椴木的力学性能远优于为椴木原样。
实施例4：本实施例提供一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，如图22所示，按以下步骤进行：
（1）、将新西兰松在90℃烘箱中干燥12h至绝干。制备2%的次氯酸钠溶液，并使用98%的醋酸溶液调节次氯酸钠溶液的pH值至4.8。接着，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得具有纳米级孔隙的木模板，处理温度为70℃，处理时间为150min；
（2）、将木模板用去离子水清洗2-3遍后放入无水乙醇中保存；
（3）、用98%的醋酸溶液调节环氧树脂的pH值至4.8，接着将分子量为100000的壳聚糖粉末添加入树脂中，添加量为2%，在室温下采用磁力搅拌使其分散均匀；
（4）、将处理过的树脂在真空环境中浸渍于上述木模板中45min，待浸渍充分，在室温下密封干燥即可，即得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明新西兰松。
图13和图14分别为新西兰松原样和改性后的透明新西兰松的透明度示意图。可以看出，新西兰松采用实施例4的方法后获得的透明新西兰松与新西兰松原样相比，透明度明显增加。从图15和图16可知，透明新西兰松的光学性能远优于新西兰松原样，透明新西兰松的力学性能远优于为新西兰松原样。
实施例5：本实施例提供一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，如图22所示，按以下步骤进行：
（1）、将杉木在120℃烘箱中干燥12h至绝干。制备1%的次氯酸钠溶液，并使用98%的醋酸溶液调节次氯酸钠溶液的pH值至4.7。接着，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得具有纳米级孔隙的木模板，处理温度为90℃，处理时间为100min；
（2）、将木模板用去离子水清洗2-3遍后放入无水乙醇中保存；
（3）、用98%的醋酸溶液调节环氧树脂的pH值至4.7，接着将分子量为200000的壳聚糖粉末添加入树脂中，添加量为4%，在室温下采用磁力搅拌使其分散均匀；
（4）、将处理过的树脂在真空环境中浸渍于上述木模板中35min，待浸渍充分，在室温下密封干燥即可，即得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明杉木。
图17和图18分别为杉木原样和改性后的透明杉木的透明度示意图。可以看出杉木采用实施例5的方法后获得的透明杉木与杉木原样相比，透明度明显增加。从图19和图20可知，透明杉木的光学性能远优于杉木原样，透明杉木的力学性能远优于为杉木原样。
上述木材不限于实施例1-5中的香杉、桦木、椴木、新西兰松、杉木，木材可为常见的针叶材或阔叶材，如杉木、新西兰松、椴木、桦木等。
以大肠杆菌为例，图21为空白对照样和透明木材的抗菌活性实物照片。图21中，（a）为空白对照样；（b）为透明香杉的抗菌活性实物照片；（c）为透明西南桦木的抗菌活性实物照片；（d）为透明椴木的抗菌活性实物照片；（e）为透明新西兰松的抗菌活性实物照片；（f）为透明杉木的抗菌活性实物照片。菌落计数法显示，本发明制备出的透明木材的抗菌率均高达90%以上。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将木材干燥12h至绝干后，使用次氯酸钠和醋酸的混合溶液脱除木材中的部分木质素以获得具有纳米级孔隙的木模板；
（2）将木模板用去离子水清洗2-3遍后，放入有机溶液中保存；
（3）用酸性溶液调节环氧树脂的pH值，接着将抗菌粉末添加入环氧树脂中，在室温下采用磁力搅拌使其分散均匀；
（4）将步骤（3）磁力搅拌后得到的溶液在真空环境中浸渍于木模板中，待浸渍充分，在室温下密封干燥，即得到具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材。
2.根据权利要求1所述的具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的木材为针叶材或阔叶材。
3.根据权利要求2所述的具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的木材干燥温度为90-120℃。
4.根据权利要求3所述的具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中的次氯酸钠溶液浓度为1-3%，并用98%的醋酸溶液调节次氯酸钠溶液pH值至4.6-4.8，得到次氯酸钠和醋酸的混合溶液，次氯酸钠和醋酸的混合溶液与木材的反应温度为70-90℃，反应时间为90-180min。
5.根据权利要求1所述的具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中的有机溶液为无水乙醇。
6.根据权利要求1所述的具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中的酸性溶液为98%的醋酸溶液，调节环氧树脂pH值至4.6-4.8。
7.根据权利要求6所述的具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中的抗菌粉末为壳聚糖固体粉末，添加量为0.5%-4%，壳聚糖分子量为30000、100000或200000。
8.根据权利要求1所述的具有实木颜色与纹理的抗菌透明木材的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中的在真空环境中浸渍时间为30-50 min。
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