[发明专利]一种微波水热合成氧化锌纳米结构改性木材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料改性木材的方法。

背景技术

将纳米技术引入木材功能性改良研究领域是近几年来研究的热点，利用纳米材料颗粒的体积效应、表面效应等性质，将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性等与木材的韧性、加工性、介电性以及独特的环境学特性等糅合在一起，可赋予木材新的功能。纳米氧化锌具有较宽的能隙带（3.37eV）以及较高的激子束缚能（60meV），这决定了其具有高吸收紫外光的能力，另一方面吸收紫外光能量后会产生电子空穴对，同时具有氧化还原性能，所以纳米氧化锌可以做光催化降解、抗菌类的应用。

常见的纳米粒子与木材的复合方法包括溶胶-凝胶法、原位插层合成法、注入填充法、水热合成法、气相化学沉积法、真空离子溅射镀膜等。其中，水热合成法被认为是环境污染少、成本较低、易于商业化的一种具有较强竞争力的方法。2009年刘一星、孙庆丰利用低温水热法在木材表面原位生长纳米二氧化钛保护层，得到的木材在保持原有天然纹理的同时，具有良好的疏水性。2010年余雁课题组利用低温水热法在实木表面合成了氧化锌纳米薄膜，大大地提高了木材抵抗紫外线辐射降解的能力。

传统水热合成法制备纳米粒子所需的反应时间较长，最短水热反应2小时，最长高达几天，水热反应温度也较高，最低可达90℃，最高可达几百摄氏度甚至上千摄氏度，这势必会造成木材的一定组分的降解。基于制备纳米粒子所需的反应时间过长，水热反应温度过高的原因，应探寻在木材表面制备纳米粒子保护层的更优化条件。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的水热合成法制备木材表面纳米粒子保护层的过程中水热温度过高，水热时间过长的技术问题，而提供一种微波水热合成氧化锌纳米结构改性木材的方法。

本发明一种微波水热合成氧化锌纳米结构改性木材的方法，按照以下步骤实现：

一、将乙酸锌-醇溶液和氢氧化钠-醇溶液搅拌均匀，制得ZnO晶种胶体溶液；其中乙酸锌和氢氧化钠的摩尔比为1:1～5；

二、将木材浸于步骤一制备的ZnO晶种胶体溶液中保持6～48小时，然后将木材烘干处理，重复浸泡-烘干1～5次，得到表面生长有ZnO晶种的木材；

三、将锌盐水溶液和氨源水溶液，按锌盐与氨源摩尔比为1:1～5的比例混合，得共混液，其中锌盐的摩尔浓度为0.005～0.1mol/L；然后将共混液超声分散5～30min，再将共混液移入微波消解罐中，并将步骤二中得到表面生长有ZnO晶种的木材浸入到共混液中，然后在1000～1500W的微波辐射、水热温度为40～120℃的条件下进行微波水热反应10～90min，冷却至室温，取出木材，将木材在60～100℃、8～24小时的条件下进行真空干燥，得到在木材表面原位生长氧化锌纳米结构的木材，即完成微波水热合成氧化锌纳米结构改性木材的制备。

本发明中氧化锌纳米结构能否合成的关键在于ZnO晶种胶体溶液的配制，由乙酸锌提供的Zn²⁺离子与NaOH提供的过量的OH^-离子在乙醇溶液中形成Zn(OH)₄^2-，在不断搅拌的条件下，Zn(OH)₄^2-分解为大小均匀的ZnO晶核，而通过调节氢氧化钠-醇溶液的浓度可以控制该胶体溶液中晶种的粒径分布及大小。ZnO胶体粒子浸入木材的孔隙结构当中并且与木材表面的羟基以氢键的形式相结合，经过几次浸入-干燥处理后，木材表面布满了ZnO晶种层，其反应过程如下：

Zn²⁺+4OH^-→[Zn(OH)₄]^2-

[Zn(OH)₄]^2-→ZnO+H₂O+2OH^-

木材的主要成分是由纤维素、半纤维素和木质素组成，这三种组分都含有大量的羟基，所以木材表面富含大量的羟基，利于晶种的结合。当木材浸入到富含晶种的胶体溶液中，由于胶体粒子的尺寸效应、表面效应等，ZnO胶体粒子很快便浸入木材的孔隙结构当中并且与木材表面的羟基以氢键的形式相结合，经过几次浸泡-干燥处理后，木材表面布满ZnO晶种层。