CN117086967A - 一种增强增韧可塑性木材的制造方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强增韧可塑性木材的制造方法，该制造方法包括以下步骤：将树脂组分A溶液采用浸渍方式浸渍到木材内部，使树脂组分A在木材细胞腔和/或导管内自聚合或交联，或使树脂组分A与木材内部的表面活性基团共聚合或交联，所述树脂组分A溶液的溶质为热塑性聚合物单体和/或预聚体。本发明制备的增强增韧可塑性木材及其制品可实现焊接、异形加工、可回收及循环加工等，由该方法制造得到的改性木材较素材不仅强度、刚度和韧性都有了提升，改性木材还具备可塑性，可以多次热塑加工和反复回收利用。
Description
技术领域
本发明属于木材强化功能性改良和高值化利用技术领域，特别涉及一种增强增韧可塑性木材的制造方法及其应用。
背景技术
木材作为具有固碳作用、轻质高强的可再生材料，是一种重要的天然资源，不但广泛应用于日常生活的各个领域，还用于各类工业生产，如交通道路、建筑家居等。但我国木材资源尤其是优质硬阔叶树材等实木资源严重依赖进口，加之国内天然林禁伐和国外木材出口限制，速生材将成为木材的主要供给来源。人工速生林具有生长周期短、易种植和产量高等优点，同时伴随着材质差、力学强度低、尺寸稳定性差等缺陷，进而限制了速生林木材的使用范围，使得人工速生林木材多用于造浆造纸等轻工行业，或者家具领域，但在高附加值的行业里应用较少，比如房屋建设、汽车、能源和航空航天行业的工程部件等。
为了提高木质材料的性能以扩展其应用，木材改性已成为生产高性能木质产品的重要工业实践，通过物理、化学或者两者相结合的方法对木材进行处理，改善木材的材质和性能，或赋予其新的功能。木材的力学性能是其使用过程的一个重要指标。但是，无论物理改性或是化学改性，几乎无法同时实现木材的增强增韧。
目前，现有的改性手段有乙酰化改性、糠醇改性、热固性树脂浸渍改性和高聚物单体浸渍改性。赋予人工速生林木材的高附加值，往往会牺牲其力学性能为代价。例如乙酰化改性可以提高木材的尺寸稳定性，但在力学性能上并无明显的贡献，而热处理、糠醇处理、DMDHEU树脂浸渍更是会导致木材变脆，韧性下降。此外，几乎所有的改性均未涉及到材料的后续利用或回收。尤其是，一些热固性树脂的使用，包括醛类树脂（酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂）、环氧树脂、聚丁二烯树脂，改性后的木材力学性能提升明显，但由于其刚性的三维网络结构带来的不熔不溶特性，改性材及其制品废弃后通常只能以焚烧或填埋的方式处理，无法回收处理。
因此，木材改性除了实现增强增韧效果，更应赋予其报废后的回收利用、循环加工等特性，充分发挥其固碳的作用。通过赋予木材可塑性是一种全新的思路，不仅可以实现木材及其制品的异形加工、破损废弃后的多次回收及循环加工，同时也可以实现木材的重组及焊接。现有木材改性技术中，无法满足力学强度和韧性增强的同时赋予改性木材塑性加工特性的技术方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的至少一个不足，提供一种增强增韧可塑性木材的制造方法及其应用。
本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种增强增韧可塑性木材的制造方法，包括以下步骤：将树脂组分A溶液采用浸渍方式浸渍到木材内部，使树脂组分A在木材细胞腔和/或导管内自聚合或交联，或使树脂组分A与木材内部的表面活性基团共聚合或交联，所述树脂组分A溶液的溶质为热塑性聚合物单体和/或预聚体。
在一些实例中，所述热塑性聚合物单体或预聚体选自乙烯、丙烯、氯乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-醋酸乙烯酯中的至少一种包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯的至少一种。
在一些实例中，所述树脂组分A溶液的粘度为10～300mPa·s。
在一些实例中，所述浸渍方式选自常压浸渍、真空浸渍、加压浸渍中的任意一种。
在一些实例中，所述常压浸渍的时间为10～60min；
所述真空浸渍的压力为-0.05MPa～-0.1MPa，真空浸渍时间为1～60min；
所述加压浸渍的压力为0.1～0.8MPa，加压浸渍的时间为5～200min。
在一些实例中，所述树脂组分A溶液还包括引发剂、助剂。
在一些实例中，所述木材选自针叶材、阔叶材、竹材中的任意一种，木材厚度为0.1～100mm。
在一些实例中，所述可塑性木材按本发明所述的方法制备得到，包括如下步骤：将可塑性木材破碎，干燥后热压重塑、成型。
在一些实例中，所述成型方法包括热压和/或焊接。
本发明所述的制造方法制备的增强增韧可塑性木材在房屋建设、汽车、能源或航空航天行业中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明通过将树脂组分A通过浸渍的方式填充于木材内部；组分A通过物理/化学方式在木材内部转化为常温下为固体、高温下具备热塑性加工性的物质，得到增强增韧可塑性木材及其制品。
本发明制备的增强增韧可塑性木材及其制品可实现焊接、异形加工、可回收及循环加工等，由该方法制造得到的改性木材较素材不仅强度、刚度和韧性都有了提升，改性木材还具备可塑性，可以多次热塑加工和反复回收利用。
附图说明
图1为本发明实施例9～11的回收样品及热压板材的实物图片。
图2为本发明将实施例1平板异形加工后的制品实物图片。
图3为本发明将实施例1热塑加工方法——焊接的实物图片。
具体实施方式
本发明所采取的技术方案如下：
本发明的第一个方面，提供一种增强增韧可塑性木材的制造方法，包括以下步骤：将树脂组分A采用浸渍方式浸渍到木材内部，其中，所述树脂组分A包括乙烯、丙烯、氯乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-醋酸乙烯酯中的至少一种。
树脂组分A通过浸渍的方式填充于木材细胞腔或导管内，在木材细胞腔或导管内，组分A通过物理/化学方式转化为常温下为固体高温下具备热塑性加工性的组分B，组分B在低温下交联成固体，在高温下可逆结构解交联；可逆网络结构为D-A键、酯键、亚胺键、二硫键、硼酯键、硅醚键、受阻脲键其中一种或多种组合形式。组分B可以对木材起到增强增韧的作用，同时，在高温下（要求低于木材降解温度），组分B可以软化或者解交联（热塑性树脂在高温下软化，具有可逆结构的组分B在高温下解交联），使改性材具备热塑加工性能，可在额外的压力下二次成型，冷却后可定型。
组分A还包括提供可逆结构的助剂、引发剂等，助剂之间或助剂与高聚物的不饱和小分子形成上述动态热可逆网络结构。
所述引发剂选自偶氮类引发剂、有机过氧类引发剂、无机过氧类引发剂、氧化还原引发体系中的一种或几种。
所述偶氮类引发剂选自偶氮二异丁氰、偶氮二异庚氰和/或其混合物；所述有机过氧类引发剂选自过氧化苯甲酰、过氧化二碳酸二乙基己酯和/或其混合物；所述无机过氧类引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠中的一种或几种；所述氧化还原引发体系选自过氧化氢、亚硫酸钠和/或其混合物。
所述助剂为润湿剂、分散剂、消泡剂、增稠剂、pH调节剂、流平剂、抗流挂剂中的至少一种。
在本发明的实施方式中，树脂组分A的粘度为10～300mPa·s，该粘度下树脂组分A容易进入木材内部。
在本发明的实施方式中，树脂组分A通过浸渍方式渗透木材内部，浸渍的方式包括常压浸渍、真空浸渍、加压浸渍中的一种或多种。
优选地，常压浸渍的时间为10～60min；和/或
真空浸渍条件包括：压力为-0.05MPa～-0.1MPa，浸渍时间为1～60min；和/或
加压浸渍条件包括：压力为0.1～0.8MPa，浸渍时间为5～200min。
本发明中的组分A应用于木材中，其种类没有特殊要求，包括针叶材、阔叶材、竹材中的任意一种；形态上包括薄木、单板、木方其中一种或多种形式，厚度为0.1～100mm。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同方案。
实施例1
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用常压浸渍30分钟的方式浸渍到木材内部，得到增重率为14.73%的改性木材。
实施例2
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用真空浸渍10分钟的方式浸渍到木材内部，得到增重率46.27%为的改性木材。
实施例3
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用真空-常压浸渍方式（真空10min常压浸渍10min）浸渍到木材内部，得到增重率66.44%为的改性木材。
实施例4
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用真空-常压浸渍方式（真空10min常压浸渍30min）浸渍到木材内部，得到增重率74.66%为的改性木材。
实施例5
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用真空-加压浸渍方式（真空10min0.1MPa加压浸渍30min）浸渍到木材内部，得到增重率为88.12%的改性木材。
实施例6
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用真空-加压浸渍方式（真空10min0.1MPa加压浸渍60min）浸渍到木材内部，得到增重率98.2%为的改性木材。
实施例7
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用真空-加压浸渍方式（真空10min0.6MPa加压浸渍30min）浸渍到木材内部，得到增重率为113.18%的改性木材。
实施例8
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为100mPa·s）采用真空-加压浸渍方式（真空10min0.6MPa加压浸渍60min）浸渍到木材内部，得到增重率为123.14%的改性木材。
对比例1
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的素材椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干，不改性，作为对比例1。
素材的弯曲性能、硬度、抗压强度（顺纹/横纹）、冲击性能、等性能测试结果如表2所示，测试前所有试件均在（20±2）℃、（65±3）RH%环境下平衡至重量不再变化。
对比例2
一种增强增韧可塑性木材及其制品的制造方法，包括以下步骤：
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的椴木加工成200mm（顺纹）×100mm×10mm烘干备用，将树脂组分A（组分A包括：1.5wt%引发剂：过氧化苯甲酰、68.6～88.2wt%的甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的共聚物，以及柠檬醛等助剂，室温下粘度为400mPa·s）采用真空-加压浸渍方式（真空10min，0.6MPa加压浸渍60min）浸渍到木材内部，得到增重率为13.14%的改性木材。
制造得到的增强增韧可塑性木材的弯曲性能、硬度、抗压强度（顺纹/横纹）、冲击韧性等性能测试结果如表1所示，测试前所有试件均在（20±2）℃、（65±5）RH%环境下平衡至重量不再变化。
性能测试
为更好的说明本发明，下面对实施例1～8得到的增强增韧可塑性木材以及对比例进行性能测试，采用行业内的标准测试方法对产品进行弯曲性能、拉伸性能、抗压性能、硬度进行测试，性能测试结果如表1所示。
表1
从表1的实验数据可以看出，本发明实施例1～8制备的改性木的强度和韧性均比素材高，弯曲强度最高可增强113.61%，弯曲模量最高可增强40.41%，顺纹抗压强度最高可增强73.81%，横纹抗压强度最高可增强179.44%，硬度最高可增强406.06%，冲击韧性最高可增强113.11%。表明本发明所用方法对同时提高木材的强度和韧性是有效的。
本发明实施例1～8制备的改性木力学结果的差异，主要原因是增重率的不同，而增重率的差异主要是由于工艺条件的不同导致的，从而导致聚合物在木材的内部位置（导管或细胞腔）直接影响其增强效果。
本发明实施例1与实施例2中，热塑性树脂单体进入木材导管，实施例3～8中，热塑性树脂单体进入木材细胞腔内。与进入导管（实施例2）相比，进入细胞腔后的弯曲强度最高可提高54.92%，冲击韧性最高可提高52.35%。对于生成热塑性树脂的组分A，优选使其进入细胞腔的位置，可以进一步提高增强效果。
通过对比实施例8和对比例2可知，使用不同粘度的组分A在相同的工艺条件，所制得的增强增韧可塑性木材力学性能差异明显，对比例2由于组分A粘度较大（400mPa·s），未能进入木材细胞腔，只能少部分进入木材导管，其增重率和力学结果与实施例1类似，说明本发明所制备的增强增韧可塑性木材优选组分A的粘度为50～300mPa·s。
本发明对实施例1～9的改性材进行粉碎再热压重塑作为实施例10～12证明其可塑性和循环加工利用特性，此仅仅为本发明所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。
实施例10
将实施例1的增强增韧木材粉碎成60目以上的颗粒状，烘至绝干后在200℃下热压重塑为密度1.10～1.11g/cm3的板材，得到第一次重塑的样品。
实施例11
将实施例1的增强增韧木材粉碎成60目以上的颗粒状，烘至绝干后在200℃下热压重塑为密度1.10～1.11g/cm3的板材，再次粉碎成60目以上的颗粒状，再烘至绝干后在200℃下热压重塑为密度1.10～1.11g/cm3的板材，得到第二次重塑的样品。
实施例12
将实施例1的增强增韧木材粉碎成60目以上的颗粒状，烘至绝干后在200℃下热压重塑为密度1.10～1.11g/cm3的板材，再次粉碎成60目以上的颗粒状，再烘至绝干后在200℃下热压重塑为密度1.10～1.11g/cm3的板材，再次粉碎成60目以上的颗粒状，再烘至绝干后在200℃下热压重塑为密度1.10～1.11g/cm3的板材，得到第三次重塑的样品。
对比例3
选用绝干密度为0.48～0.52g/cm3的素材椴木粉碎成60目以上的颗粒状，烘至绝干后，与热塑性聚乙烯树脂按照8：2比例，在200℃下热压成型为密度1.10～1.11g/cm3的生物质复合板材，作为对比例2。
制造得到的重塑样品如图1所示，其弯曲性能、拉伸性能测试结果如表3所示，测试前所有试件均在（20±2）℃、（65±3）RH%环境下平衡至重量不再变化。
性能测试
为更好的说明本发明，下面对实施例9～11和对比例3得到的重塑样品进行性能测试，采用行业内的标准测试方法对产品进行弯曲性能、拉伸性能进行测试，性能测试结果如表2所示。
表2
从表2的实验数据可以看出，与对比例3传统热压成型制备的生物质复合材料相比，本发明实施例9～11得到的增强增韧可塑性木材在破损废弃后经过三次回收及循环加工后的重塑样品依旧表现出较高的弯曲性能和拉伸性能，进一步验证本发明所制备的增强增韧可塑性木材塑性加工及循环回收利用特性。
如图2和3所示，通过对制备的增强增韧可塑性木材进行异性加工和焊接，本发明得到的增强增韧可塑性木材可以进一步进行曲面等异型加工，并且在一定条件下实现快速焊接，实现破损后修复的特性，进一步说明采用本发明方法制备的增强增韧可塑性木材，表现出较好塑性加工特性。
以上是对本发明所作的进一步详细说明，不可视为对本发明的具体实施的局限。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的简单推演或替换，都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强增韧可塑性木材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：将树脂组分A溶液采用浸渍方式浸渍到木材内部，使树脂组分A在木材细胞腔和/或导管内自聚合或交联，或使树脂组分A与木材内部的表面活性基团共聚合或交联，所述树脂组分A溶液的溶质为热塑性聚合物单体和/或预聚体。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述热塑性聚合物单体或预聚体选自乙烯、丙烯、氯乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-醋酸乙烯酯中的至少一种包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述树脂组分A溶液的粘度为10～300mPa·s。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述浸渍方式选自常压浸渍、真空浸渍、加压浸渍中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述常压浸渍的时间为10～60min；
所述真空浸渍的压力为-0.05MPa～-0.1MPa，真空浸渍时间为1～60min；
所述加压浸渍的压力为0.1～0.8MPa，加压浸渍的时间为5～200min。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述树脂组分A溶液还包括引发剂、助剂。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述木材选自针叶材、阔叶材、竹材中的任意一种，木材厚度为0.1～100mm。
8.一种回收利用可塑性木材的方法，所述可塑性木材按权利要求1～7任一项所述的方法制备得到，包括如下步骤：将可塑性木材破碎，干燥后热压重塑、成型。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述成型方法包括热压和/或焊接。
10.权利要求1～7任一项所述的制造方法制备的增强增韧可塑性木材在房屋建设、汽车、能源或航空航天行业中的应用。
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