一种耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备方法

摘要

一种耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备方法，它涉及一种透明木材的制备方法。本发明要解决现有脱木素透明木材延展性不好的问题，且现有技术未探究透明木材在恶劣环境中的尺寸稳定性能。制备方法：一、脱色处理；二、脱水处理；三、树脂浸渍。本发明用于耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明木材的制备方法。

背景技术

随着全球经济的发展，人们生活水平逐渐提高，同时也面临着能源消耗和环境保护的一系列问题，如建筑材料的能耗过大，气候变化以及不可降解的固体建筑废物。因此，增长的能源需求和环境安全需求也引起了广泛的重视。

在这种情况下，太阳能具有吸引力，因为它是免费的，取之不尽、用之不竭的。木材是一种用途广泛的天然材料，来自可再生资源(树木)，因此具有吸引力，主要用于生物建筑、造纸等行业。木材含量丰富，具有高模量、低密度及易降解等特点。此外，树木不仅能防止水土流失，还吸收大气中二氧化碳产生氧气，有效减少温室效应，是人类社会赖以生存的主要资源。将太阳能和木材结合起来可以有效解决能源消耗和环境污染的问题，因此木质复合材料引起了广泛的关注。

作为一种新型木质复合材料，透明木材被广泛用于多种领域，如：建筑材料、光电子材料以及家具材料等。透明木材是通过对木材进行脱色处理后再浸渍折射率匹配的透明物质而制成的。由于透明木材去除了木材中的发色基团，浸渍折射率匹配的聚合物改变了光线在木材中的传播路径，因此可以使木材具有高透光率，从而形成了透明木材。与传统的以木材和玻璃为基础的建筑、光电子器件和家具材料相比，以透明木材为主要合成成分的建筑、光电子器件和家具材料具有原料可再生、产品可自然降解及透明度高等优点。但是由于木材本身的缺陷加上部分方法涉及到了木质素脱除，使得脱木素透明木材的机械强度下降且延展性不好，除此之外，现有技术还未探究透明木材在恶劣环境下的变化，使得寿命和适用范围受到严重的制约，不具备适应特殊需求而变换的功能，这些缺陷无疑限制了透明木材在诸多领域的应用。

发明内容

本发明要解决现有脱木素透明木材延展性不好的问题，且现有技术未探究透明木材在恶劣环境中的尺寸稳定性能，而提供一种耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备方法。

一种耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备方法，它是按以下步骤进行的：

一、脱色处理：

①、依次将去离子水、硅酸钠、氢氧化钠、硫酸镁、二乙基三胺五乙酸及双氧水混合，得到木素改性溶液；

所述的木素改性溶液中硅酸钠的质量百分数为3.0％～6.0％；所述的木素改性溶液中氢氧化钠的质量百分数为3.0％～6.0％；所述的木素改性溶液中硫酸镁的质量百分数为0.1％～1.0％；所述的木素改性溶液中二乙基三胺五乙酸的质量百分数为0.1％～1.0％；所述的木素改性溶液中过氧化氢的质量百分数为4.0％～7.0％；

②、将木片浸渍于木素改性溶液中，然后在温度为70℃～80℃的条件下，蒸煮2h～8h，直到木材变白，然后用去离子水清洗并保存在水中，得到脱色后的木片；

二、脱水处理：

①、将脱色后的木片从水中取出；

②、依次浸渍于无水乙醇溶液中脱水3h～5h、乙醇和丙酮的混合溶液中脱水3h～5h、丙酮溶液中脱水3h～5h；

所述的乙醇和丙酮的混合溶液是将无水乙醇溶液和丙酮溶液按照体积比为1:(0.1～10)混合而成；

③、重复步骤二②三次～五次，得到脱水后的木片；

三、树脂浸渍：

①、将环氧树脂、丙酮、固化剂及聚乙二醇400混合，得到混合物；

所述的环氧树脂与丙酮的质量比为5:(1～5)；所述的环氧树脂与固化剂的质量比为5:(1～5)；所述的环氧树脂与聚乙二醇400的质量比为5:(1～4)；

②、将脱水后的木片浸渍于混合物中，浸泡15min～30min，得到浸渍有木片的混合物，将浸渍有木片的混合物置于真空环境中，渗透0.5h～5h，得到浸渍后的木片；

③、浸渍后的木片固化，得到耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材。

本发明的有益效果是：

一、本发明制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材工艺简单且环保，制备出来的透明木材具有比普通木材高的透明度。

二、本发明制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在使用强碱刺激的环境下放置10天，在垂直木材生长方向的膨胀率为6.29％，在顺着木材生长方向的膨胀率为11.60％。没有发生翘曲膨胀等形变等，具有较高的尺寸稳定性。

三、本发明制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在温度为20℃及湿度为65％RH的恒温恒湿箱中放置10天，在垂直木材生长方向的膨胀率为0.048％，在顺着木材生长方向的膨胀率为7.26％。没有发生翘曲膨胀等形变等，具有较高的尺寸稳定性。

四、本发明制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材由于填充了聚合物，并且聚合物与细胞壁之间结合的较为紧密以及使用的是木素改性法保留了大量的木质素，所以机械性能和延展性好，断裂伸长率35.03％，拉伸强度为5.18MPa，弹性模量为28.15MPa。

本发明用于一种耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备方法。

附图说明

图1为实施例一步骤一②制备的脱色后的木片SEM图；

图2为实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的SEM图；

图3为实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的透光测试实物图；

图4为在强碱环境下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在垂直木材生长方向的膨胀率变化图；

图5为在强碱环境下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在顺着木材生长方向的膨胀率变化图；

图6为在恒温恒湿箱下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在垂直木材生长方向的膨胀率变化图；

图7为在恒温恒湿箱下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在顺着木材生长方向的膨胀率变化图；

图8为应力-应变曲线图，1为实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材，2为未处理的原木片，3为实施例一步骤一②制备的脱色后的木片；

图9为对比实验一制备的试样实物图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备方法，它是按以下步骤进行的：

一、脱色处理：

①、依次将去离子水、硅酸钠、氢氧化钠、硫酸镁、二乙基三胺五乙酸及双氧水混合，得到木素改性溶液；

所述的木素改性溶液中硅酸钠的质量百分数为3.0％～6.0％；所述的木素改性溶液中氢氧化钠的质量百分数为3.0％～6.0％；所述的木素改性溶液中硫酸镁的质量百分数为0.1％～1.0％；所述的木素改性溶液中二乙基三胺五乙酸的质量百分数为0.1％～1.0％；所述的木素改性溶液中过氧化氢的质量百分数为4.0％～7.0％；

②、将木片浸渍于木素改性溶液中，然后在温度为70℃～80℃的条件下，蒸煮2h～8h，直到木材变白，然后用去离子水清洗并保存在水中，得到脱色后的木片；

二、脱水处理：

①、将脱色后的木片从水中取出；

②、依次浸渍于无水乙醇溶液中脱水3h～5h、乙醇和丙酮的混合溶液中脱水3h～5h、丙酮溶液中脱水3h～5h；

所述的乙醇和丙酮的混合溶液是将无水乙醇溶液和丙酮溶液按照体积比为1:(0.1～10)混合而成；

③、重复步骤二②三次～五次，得到脱水后的木片；

三、树脂浸渍：

①、将环氧树脂、丙酮、固化剂及聚乙二醇400混合，得到混合物；

所述的环氧树脂与丙酮的质量比为5:(1～5)；所述的环氧树脂与固化剂的质量比为5:(1～5)；所述的环氧树脂与聚乙二醇400的质量比为5:(1～4)；

②、将脱水后的木片浸渍于混合物中，浸泡15min～30min，得到浸渍有木片的混合物，将浸渍有木片的混合物置于真空环境中，渗透0.5h～5h，得到浸渍后的木片；

③、浸渍后的木片固化，得到耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材。

本实施方式的有益效果是：

一、本实施方式制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材工艺简单且环保，制备出来的透明木材具有比普通木材高的透明度。

二、本实施方式制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在使用强碱刺激的环境下放置10天，在垂直木材生长方向的膨胀率为6.29％，在顺着木材生长方向的膨胀率为11.60％。没有发生翘曲膨胀等形变等，具有较高的尺寸稳定性。

三、本实施方式制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在温度为20℃及湿度为65％RH的恒温恒湿箱中放置10天，在垂直木材生长方向的膨胀率为0.048％，在顺着木材生长方向的膨胀率为7.26％。没有发生翘曲膨胀等形变等，具有较高的尺寸稳定性。

四、本实施方式制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材由于填充了聚合物，并且聚合物与细胞壁之间结合的较为紧密以及使用的是木素改性法保留了大量的木质素，所以机械性能和延展性好，断裂伸长率35.03％，拉伸强度为5.18MPa，弹性模量为28.15MPa。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一②中所述的木片为椴木。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一②中所述的木片在垂直木材生长方向的边长为30mm～35mm，在顺着木材生长方向的厚度为2.5mm～3mm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一①中所述的木素改性溶液中硅酸钠的质量百分数为3.0％～4.0％；步骤一①中所述的木素改性溶液中氢氧化钠的质量百分数为3.0％～4.0％；步骤一①中所述的木素改性溶液中硫酸镁的质量百分数为0.1％～0.5％；步骤一①中所述的木素改性溶液中二乙基三胺五乙酸的质量百分数为0.1％～0.5％；步骤一①中所述的木素改性溶液中过氧化氢的质量百分数为4.0％～6.0％。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一②中将木片浸渍于木素改性溶液中，然后在温度为70℃～75℃的条件下，蒸煮2h～6h，直到木材变白，然后用去离子水清洗并保存在水中，得到脱色后的木片。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二②中依次浸渍于无水乙醇溶液中脱水4h～5h、乙醇和丙酮的混合溶液中脱水4h～5h、丙酮溶液中脱水4h～5h。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二②中所述的乙醇和丙酮的混合溶液是将无水乙醇溶液和丙酮溶液按照体积比为1:(0.1～1)混合而成。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三①中所述的环氧树脂与丙酮的质量比为5:(2～5)。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三①中所述的环氧树脂与固化剂的质量比为5:(1～3)。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三①中所述的环氧树脂与聚乙二醇400的质量比为5:(1～2)。其它与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一种耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的制备方法，它是按以下步骤进行的：

一、脱色处理：

①、依次将去离子水、硅酸钠、氢氧化钠、硫酸镁、二乙基三胺五乙酸及双氧水混合，得到木素改性溶液；

所述的木素改性溶液中硅酸钠的质量百分数为3.0％；所述的木素改性溶液中氢氧化钠的质量百分数为3.0％；所述的木素改性溶液中硫酸镁的质量百分数为0.1％；所述的木素改性溶液中二乙基三胺五乙酸的质量百分数为0.1％；所述的木素改性溶液中过氧化氢的质量百分数为4.0％；

②、将木片浸渍于木素改性溶液中，然后在温度为70℃的条件下，蒸煮6h，直到木材变白，然后用去离子水清洗并保存在水中，得到脱色后的木片；

二、脱水处理：

①、将脱色后的木片从水中取出；

②、依次浸渍于无水乙醇溶液中脱水4h、乙醇和丙酮的混合溶液中脱水4h、丙酮溶液中脱水4h；

所述的乙醇和丙酮的混合溶液是将无水乙醇溶液和丙酮溶液按照体积比为1:1混合而成；

③、重复步骤二②三次，得到脱水后的木片；

三、树脂浸渍：

①、将环氧树脂、丙酮、固化剂及聚乙二醇400混合，得到混合物；

所述的环氧树脂与丙酮的质量比为5:2；所述的环氧树脂与固化剂的质量比为5:1；所述的环氧树脂与聚乙二醇400的质量比为5:1；

②、将脱水后的木片浸渍于混合物中，浸泡15min，得到浸渍有木片的混合物，将浸渍有木片的混合物置于真空环境中，在真空表显示为-0.1MPa下，渗透2h，得到浸渍后的木片；

③、浸渍后的木片室温固化，得到耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材。

步骤一②中所述的木片为椴木。

步骤三①中所述的固化剂为二亚乙基三胺。

步骤一②中所述的木片在垂直木材生长方向的边长为30mm，在顺着木材生长方向的厚度为2.5mm。

图1为实施例一步骤一②制备的脱色后的木片SEM图；由图可知，由于保留了大量木质素，所以木质结构得到了很好的保存。

图2为实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的SEM图；由图可知，由于填充了聚合物，并且聚合物和细胞壁之间结合的较为紧密。

将实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材放到带有“Wood”字样的背景板上进行透光测试。

图3为实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材的透光测试实物图；由图可见，透明度很高，可以清晰看见“Wood”字样。

对未处理的原木片及实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材进行尺寸稳定性测试，将未处理的原木片及耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在强碱环境(pH＝13的NaOH溶液)中放置10天，或在温度为20℃及湿度为65％RH的恒温恒湿箱中放置10天，测量在垂直木材生长方向的和顺着木材生长方向的尺寸变化。

图4为在强碱环境下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在垂直木材生长方向的膨胀率变化图；由图可知，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在垂直木材生长方向的膨胀率为6.29％，没有发生翘曲，说明尺寸稳定性好。

图5为在强碱环境下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在顺着木材生长方向的膨胀率变化图；由图可知，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在顺着木材生长方向的膨胀率为11.60％没有发生翘曲，说明尺寸稳定性好。

图6为在恒温恒湿箱下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在垂直木材生长方向的膨胀率变化图；由图可知，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在垂直木材生长方向的膨胀率为0.048％，没有发生翘曲，说明尺寸稳定性好。

图7为在恒温恒湿箱下放置10天，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在顺着木材生长方向的膨胀率变化图；由图可知，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材在顺着木材生长方向的膨胀率为7.26％，说明尺寸稳定性好。

对实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材进行应力-应变测试，实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材：断裂伸长率35.03％，拉伸强度为5.18MPa，弹性模量为28.15MPa。

图8为应力-应变曲线图，1为实施例一制备的耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材，2为未处理的原木片，3为实施例一步骤一②制备的脱色后的木片；由图可知，透明木材的延展性比未处理的原木片和脱色后的木片好，其力学强度比脱色后的木片好，且和未处理的原木片差不多，是由于聚合物的加入以及大量木质素的保留都能使耐强碱的高尺寸稳定性的透明木材产生优异的机械性能，而聚乙二醇400的加入使该材料具有较好的延展性。

对比实验一：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一②中所述的木片为巴尔沙木；步骤一②中所述的木片在垂直木材生长方向的边长为20mm，在顺着木材生长方向的厚度为6.5mm。其它与实施例一相同。

图9为对比实验一制备的试样实物图；由图可知，对比实验一制备的试样不透明，且在树脂浸渍过程中木材发生了变形。

对比实验二：本对比实验与实施例一不同的是：步骤三①中将环氧树脂、丙酮、固化剂及聚乙二醇4000混合，得到混合物。其它与实施例一相同。

聚乙二醇4000是固体，不能完全溶解于混合物中，因此无法确定其含量。

对比实验三：本对比实验与实施例一不同的是：步骤三①中将环氧树脂、丙酮、固化剂及甘油混合，得到混合物。其它与实施例一相同。

对比实验三步骤三③中浸渍后的木片无法固化。

对比实验四：本对比实验与实施例一不同的是：步骤三①中所述的环氧树脂与聚乙二醇400的质量比为5:5。其它与实施例一相同。

对比实验四制备的试样不透明。