一种导热系数可控的木基复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种导热系数可控的木基复合材料，其包括膨化木材基质和导热填充物，其中，以导热系数可控的木基复合材料的重量为计算基准，所述导热填充物的含量为45wt％‑67wt％。本发明还公开了所述导热系数可控的木基复合材料的制备方法，使用经过微波处理后的膨化木材为基质，以高导热材料为填充物，制得的导热系数可控的木基复合材料的导热性能不仅在平行于木材纤维方向大幅增加，而且在垂直于木材纤维方向也有明显增加，能够很好地解决现有地热木地板在垂直方向传热的不良性，更有利于木地板在地热采暖领域的应用。

说明书

技术领域

本发明属于木材功能改性技术领域，特别涉及一种导热系数可控的木基复合材料及其制备方法。

背景技术

地热采暖作为一种新的建筑节能技术，已经成为我国重点推广的应用，与其他采暖方式比较，地热采暖是与人体取暖生理需求最为吻合的供暖方式，它能够较好地解决“寒从脚下起”的难题，所以深受广大居民的喜爱。但是木材是热的不良导体，由于其导热系数较低(0.15W/m.K)，使木地板在地热采暖领域的使用受到了限制。国内外对提高木材导热性能的研究较少，仇洪波(导热木质复合材料制备工艺及性能研究，2015)制备了一种导热的木基复合材料，导热系数提高并不明显，最高为0.266W/m.K；CN200410067326.2公布了无机陶瓷分级结构/金属复合材料的制备方法，该方法使复合材料失去了木材原有的性质，而且制造成本高、工艺复杂、不利于工业化生产；CN201610769414.X公布了一种具有导电导热性能的速生材的加工方法，将速生材放入改性纳米溶液中浸渍，从而制得具有导电导热功能的改性木材，此方法所用纳米溶液中的纳米金属或纳米氧化物在溶液中较分散且溶质含量未能达到100％，导致进入木材中的纳米金属或氧化物含量偏低，进而导电、导热性能的提高不明显。CN201710091041.X公布了金属镶木工艺，将液态金属灌铸在畸形废料木材或已开裂木材的间隙中，此方法得到的金属镶木的金属含量较低，可以提高废木料的美观性，但是不利于提高导热性。

因此，目前存在的问题是急需开发一种导热系数可控的木基复合材料，其具有良好的导热性能，同时需要开发一种制造成本低、制备工艺简单、可用于工业化生产的导热系数可控的木基复合材料制备方法。

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，提供一种导热系数可控的木基复合材料及其制备方法。本发明使用经过微波处理后的膨化木材为基质，以高导热材料为填充物，制得的导热系数可控的木基复合材料的导热性能不仅在平行于木材纤维方向大幅增加，而且在垂直于木材纤维方向也有明显增加，能够很好地解决现有地热木地板在垂直方向传热的不良性，更有利于木地板在地热采暖领域的应用。

为此，本发明第一方面提供了一种导热系数可控的木基复合材料，其包括膨化木材基质和导热填充物，其中，以导热系数可控的木基复合材料的重量为计算基准，所述导热填充物的含量为45wt％-67wt％，优选50wt％-60wt％。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料，所述导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为7-30W/m·K，垂直于木材纤维方向的导热系数为2-5W/m·K。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料，所述膨化木材基质为经过微波处理后的木材，

根据本发明的一些优选的实施方式，所述木材为阔叶材或针叶材。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料，所述导热填充物包括碳纳米材料和/或合金。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料，所述碳纳米材料选自碳纳米管和/或石墨烯。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料，所述合金的组成为：锌不大于32wt％、镓不大于70wt％、锡15-60wt％、铋不大于56wt％；所述合金的熔点为93℃-140℃。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述导热填充物包括所述碳纳米材料和所述合金，所述碳纳米材料和所述合金的质量比为1:10-1:14。

本发明第二方面提供了一种根据本发明第一发明所述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1，对木材进行微波处理，制得膨化木材基质；

S2，用抽提工艺对膨化木材基质进行处理；

S3，将导热填充物填充在膨化木材基质中，制得导热系数可控的木基复合材料。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，在步骤S1中，所述微波的功率为60kW-140kW，所述处理的时间为60s-120s。

根据本发明的一些优选的实施方式，采用不同的微波处理功率控制制得的木基复合材料的导热系数；使用功率为60kW-80kW的微波对木材处理60s-90s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为7W/m·K-10W/m·K；使用功率为80kW-100kW的微波对木材处理90s-120s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为10W/m·K-14W/m·K；使用功率为100kW-120kW的微波对木材处理80s-90s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为14W/m·K-20W/m·K；使用功率为120kW-140kW的微波对木材处理100s-120s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为20W/m·K-30W/m·K。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，所述抽提工艺为碱抽提或苯-醇抽提。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述碱抽提使用的试剂为浓度为1wt％的NaOH溶液；所述苯-醇抽提使用的试剂为苯-乙醇混合液，其中，苯和乙醇的体积比为2:1。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，所述碱抽提的温度为95℃-100℃，时间为1-3h；所述苯-醇抽提的温度为75℃-80℃，时间为6-10h。

根据本发明的一些优选的实施方式，在步骤S3中，将导热填充物以液态形式注入膨化木材基质中。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，在步骤S3中，采用真空加温加压浸渍的方式将导热填充物填充在膨化木材基质中。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述真空加温加压浸渍的真空度为-0.08MPa至-0.1MPa。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述真空加温加压浸渍的压力为0.5MPa-5MPa。

根据本发明的一些优选的实施方式，所述真空加温加压浸渍的温度为100℃-145℃。

根据本发明所述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，以膨化木材基质的重量为计算基准，所述导热系数可控的木基复合材料的增重率为90％-200％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

经过高强微波处理的膨化木材，其渗透性明显提高，以导热填充物增重率为指标，膨化木材的导热填充物增重率为未处理木材的1.5～5倍；经过1％NaOH或苯-乙醇混合溶液抽提处理的膨化木材，不仅渗透性得到明显改善，而且渗透的均匀性也大幅提高，有助于导热填充物液体的注入；碳纳米管和石墨烯具有导热率高的优点，低熔点合金具有熔点低、导热率高的特性，采用熔融浸渍工艺将液态导热填充物填充到膨化木材基质中，制得的导热系数可控的木基复合材料的导热性能不仅在平行于木材纤维方向大幅增加，而且在垂直于木材纤维方向也有明显增加，此制备工艺简单、成本低，更有利于木地板在地热采暖领域的应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但是不作为对本发明的限制。

图1为实施例2中导热系数可控的木基复合材料横切面的扫描电镜图；

图2为实施例2中导热系数可控的木基复合材料径切面的扫描电镜图；

图3为实施例2中导热系数可控的木基复合材料径切面上交叉场纹孔的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。

鉴于现有技术中制备的导热系数可控的木基复合材料的导热性能不理想，导热系数可控的木基复合材料的制备方法存在制造成本高、工艺复杂、不利于工业化生产等技术问题，本发明的发明人经过研究发现，使用经过微波处理后的膨化木材为基质，以高导热材料为填充物，制得的木基复合材料导热性能不仅在平行于木材纤维方向大幅增加，而且在垂直于木材纤维方向也有明显增加，能够很好地解决现有地热木地板在垂直方向传热的不良性，更有利于木地板在地热采暖领域的应用。本发明正是基于上述发现作出的。

因此，本发明第一方面涉及一种导热系数可控的木基复合材料，其包括膨化木材基质和导热填充物，其中，以导热系数可控的木基复合材料的重量为计算基准，所述导热填充物的含量为45wt％-67wt％，优选50wt％-60wt％。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料，所述导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为7-30W/m·K，垂直于木材纤维方向的导热系数为2-5W/m·K。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料，所述膨化木材基质为经过微波处理后的木材，

在本发明的一些优选的实施方式中，所述木材为阔叶材或针叶材。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料，所述导热填充物包括碳纳米材料和/或合金。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料，所述碳纳米材料选自碳纳米管和/或石墨烯。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料，所述合金的组成为：锌不大于32wt％、镓不大于70wt％、锡15-60wt％、铋不大于56wt％；所述合金的熔点为93℃-140℃。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述导热填充物包括所述碳纳米材料和所述合金，所述碳纳米材料和所述合金的质量比为1:10-1:14。

本发明第二方面涉及一种根据本发明第一发明所述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1，对木材进行微波处理，制得膨化木材基质；

S2，用抽提工艺对膨化木材基质进行处理；

S3，将导热填充物填充在膨化木材基质中，制得导热系数可控的木基复合材料。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，在步骤S1中，所述微波的功率为60kW-140kW，所述处理的时间为60s-120s。

在本发明的一些优选的实施方式中，采用不同的微波处理功率控制制得的木基复合材料的导热系数。

在上述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法中，使用功率为60kW-80kW的微波对木材处理60s-90s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为7W/m·K-10W/m·K；使用功率为80kW-100kW的微波对木材处理90s-120s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为10W/m·K-14W/m·K；使用功率为100kW-120kW的微波对木材处理80s-90s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为14W/m·K-20W/m·K；使用功率为120kW-140kW的微波对木材处理100s-120s，制得的导热系数可控的木基复合材料在平行于木材纤维方向的导热系数为20W/m·K-30W/m·K。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，所述抽提工艺为碱抽提或苯-醇抽提。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述碱抽提使用的试剂为浓度为1wt％的NaOH溶液；所述苯-醇抽提使用的试剂为苯-乙醇混合液，其中，苯和乙醇的体积比为2:1。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，所述碱抽提的温度为95℃-100℃，时间为1-3h；所述苯-醇抽提的温度为75℃-80℃，时间为6-10h。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，在步骤S3中，将导热填充物以液态形式注入膨化木材基质中。

在本发明的一些优选的实施方式中，在步骤S3中，将导热填充物配制成液体注入到膨化木材基质中。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，在步骤S3中，采用真空加温加压浸渍的方式将导热填充物填充在膨化木材基质中。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述真空加温加压浸渍的真空度为-0.08MPa至-0.1MPa。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述真空加温加压浸渍的压力为0.5MPa-5MPa。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述真空加温加压浸渍的温度为100℃-145℃。

根据上述的导热系数可控的木基复合材料的制备方法，以膨化木材基质的重量为计算基准，所述导热系数可控的木基复合材料的增重率为90％-200％。

本发明实施例中的有关数据按以下测试方法获得：

(1)导热系数：采用德国耐驰NETZSCH LFA467激光闪射导热系数测量仪；工作原理：利用一束短促的激光脉冲加热样品正面，通过红外检测器测量样品背面温度升高与时间的关系，计算样品的导热系数；

(2)扫描电镜图：采用日立(中国)有限公司的Hitachi S4800扫描电镜。

实施例

实施例1

(1)制备未加工的原木：将樟子松加工成断面尺寸为1000mm×160mm×20mm的四面刨光标准规格试件，测得其在纤维方向的导热系数为0.34W/m·K，在垂直于纤维方向的导热系数为0.15W/m·K。

(2)对上述试件进行微波处理：采用连续隧道式微波处理设备对试件进行微波处理，使用微波的功率为80kW，处理时间80s，制得膨化木材基质。

(3)将膨化木材基质置于索氏抽提器中，加入苯-乙醇混合溶液至超过其溢流水平，装上冷凝器，并将仪器放入水浴中加热到78℃，抽提每小时循环四次，抽提时间定为8h，抽提完成后将膨化木材基质冲洗干净、烘干；

(4)在膨化木材基质中填充合金：将膨化木材基质和熔点为130℃的合金(铋52wt％、锌32wt％、锡16wt％)熔融液放入直径500mm，长1500mm的不锈钢容器中，再将不锈钢容器放入真空加温加压浸渍灌中进行处理，处理工艺参数为：真空度-0.09MPa，压力为1MPa，温度为145℃，处理时间为2h。得到导热系数可控的木基复合材料A。

经检测，导热系数可控的木基复合材料A中合金的含量为48.5wt％，相对于膨化木材基质的增重率为94％，在平行于纤维方向的导热系数为8W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为2W/m·K。

实施例2

(1)制备未加工的原木：将桉木加工成断面尺寸为1300mm×180mm×20mm的四面刨光标准规格试件，测得其在纤维方向的导热系数为0.38W/m·K，在垂直于纤维方向的导热系数为0.17W/m·K。

(2)对上述试件进行微波处理：采用连续隧道式微波处理设备对试件进行微波处理，使用微波的功率为140kW，处理时间110s，制得膨化木材基质。

(3)将膨化木材基质置于索氏抽提器中，加入浓度为1wt％的NaOH溶液到超过其溢流水平，装上冷凝器，并将仪器放入水浴中加热到100℃，抽提每小时循环四次，抽提时间定为2h，抽提完成后将膨化木材基质冲洗干净、烘干；

(4)在膨化木材基质中填充合金：将膨化木材基质和熔点为93℃的合金(锡48wt％、铋52wt％)熔融液放入直径500mm，长1500mm的不锈钢容器中，再将不锈钢容器放入真空加温加压浸渍灌中进行处理，处理工艺参数为：真空度-0.08MPa，压力为1.5MPa，温度为100℃，处理时间为2h。得到导热系数可控的木基复合材料B。

经检测，导热系数可控的木基复合材料B中合金的含量为58.3wt％，相对于膨化木材基质的增重率为140％，在平行于纤维方向的导热系数为25W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为4W/m·K。

导热系数可控的木基复合材料B的横切面的扫描电镜图见附图1，径切面的扫描电镜图见附图2，径切面上交叉场纹孔的扫描电镜图见附图3，可见，本发明方法制备的导热系数可控的木基复合材料中，导热材料的填充率较高，填充效果较好。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，使用微波的功率为100kW，处理时间85s，制备得到导热系数可控的木基复合材料C。

经检测，导热系数可控的木基复合材料C中合金的含量为53.5wt％，相对于膨化木材基质的增重率为115％，在平行于纤维方向的导热系数为15W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为3W/m·K。

实施例4

与实施例1的不同之处在于，真空加温加压浸渍处理的工艺参数为：真空度-0.08MPa，压力为3MPa，温度为135℃，处理时间为2h。得到导热系数可控的木基复合材料D。

经检测，导热系数可控的木基复合材料D中合金的含量为51.9wt％，相对于膨化木材基质的增重率为108％，在平行于纤维方向的导热系数为10W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为2.5W/m·K。

实施例5

与实施例1的不同之处在于，导热填充物为碳纳米管和熔点为93℃的合金(锡48wt％、铋52wt％)共混配制成液体，其中碳纳米管与合金的质量比为1:10。真空加温加压浸渍处理的工艺参数为：真空度-0.09MPa，压力为1MPa，温度为120℃，处理时间为2h。得到导热系数可控的木基复合材料E。

经检测，导热系数可控的木基复合材料E中导热填充物的含量为50wt％，相对于膨化木材基质的增重率为100％，在平行于纤维方向的导热系数为9.5W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为2.15W/m·K。

实施例6

与实施例2的不同之处在于，导热填充物为石墨烯和熔点为105℃的合金(镓70wt％、锡30wt％)共混配制成液体，其中石墨烯与合金的质量比为1:14。真空加温加压浸渍处理的工艺参数为：真空度-0.08MPa，压力为0.5MPa，温度为130℃，处理时间为3h。得到导热系数可控的木基复合材料F。

经检测，导热系数可控的木基复合材料F中导热填充物的含量为60wt％，相对于膨化木材基质的增重率为150％，在平行于纤维方向的导热系数为27W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为5W/m·K。

对比例1

(1)制备未加工的原木：同实施例1。

(2)在上述试件中填充合金：将试件和熔点为93℃的合金(锡48份、铋52份)放入直径500mm，长1500mm的不锈钢容器中，再将不锈钢容器放入真空加温加压浸渍灌中进行处理，处理工艺参数为：真空度-0.08MPa，压力为1.5MPa，温度为100℃，处理时间为2h。得到参考木材H。

经检测，参考木材H中合金的含量为37.5wt％，相对于未加工的原木的增重率为60％，在平行于纤维方向的导热系数为4.2W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为0.3W/m·K。

对比例2

与对比例1的不同之处在于，在步骤(1)之后将未加工原木经实施例1中步骤(3)所述的抽提工艺处理，然后采用对比例1的方法填充合金。得到参考木材I。

经检测，参考木材I中合金的含量为42.8wt％，相对于未加工的原木的增重率为75％，在平行于纤维方向的导热系数为5.3W/m·K，垂直于纤维方向的导热系数为0.5W/m.K。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。