[发明专利]一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法。

背景技术

作为一种天然可再生的资源，木材质轻、容积重小、强度高、强重比大、声热传导性低、干材电绝缘性好、材色佳、纹理美，是理想的室内外建筑和装饰材料。但木材易燃且受环境影响极大，长期与氧、光、湿气接触，易变色、开裂、磨损和挫伤，还容易受到微生物和昆虫的侵害。所以，对木材的改性处理长期以来一直受到广泛关注。

传统对木材的改性方法主要有化学改性和热处理两种。化学改性如添加合适的防腐剂，使用木器漆/专用涂料等， 成本低、工艺简单，但其中所含的铜、铬、砷等重金属离子和氯、酚醛等化合物对环境和人畜都有潜在的危害。热处理的方式安全无毒，但会使木材的组分发生不同程度的降解和结构变化，降低木材的力学强度，同时加深木材的材色，影响木材的美观感。

为此近年来常采用无机材料对木材进行改性，从而达到在提高木材多方面的性能的同时保持木材的环境学特征。采用无机材料对木材进行改性，如中国专利ZL201110070132.8“用硅溶胶制备强化木材的方法”、中国专利ZL200710050082.0“二氧化硅/木材复合材料的制造方法”。以上方法虽然能够利用无机物木材，赋予其良好的热稳定性、耐候性、力学性能等，但是生产工艺耗时长、成本相对高、复合不够均匀等问题，在实际生产应用汇中受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法，利用超声波震荡实现溶胶-凝胶法过程中含硅前驱体溶液对木材的快速浸注，生产工艺简单迅速、大量节省时间、制造成本低廉、质量稳定，在短时间内就能使大部分纳米二氧化硅沉积在木材细胞壁、部分以凝胶的形式填充于细胞腔；最大限度地保持木材的环境学特征的同时使木材的热稳定性、吸湿性和防水性明显改善，力学性能和尺寸稳定性大为提高，使得材质松软的木材可以用于制备室内装饰和家具用材，具有广阔的发展前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种快速制备二氧化硅/木材复合材料的方法包括以下步骤：

（1）原木经去皮、切割后，加水蒸煮20~30 h，90 ~115℃下干燥8~24 h，控制木材的含水率为0~30%；

（2）以硅醇盐溶液为前驱体，无水乙醇为溶剂，酸为催化剂，磁力搅拌15~40 min，制得硅前驱体溶液；其中硅醇盐、去离子水和无水乙醇的摩尔比为1：0.5~8：0.5~4，边搅拌边滴加酸，调节溶液的pH=1~3；

（3）将步骤（1）的木材浸入步骤（2）的硅前驱体溶液中，17~30℃下超声处理0.1~16 h；

（4）取出浸注后的木材，轻轻擦拭去除木材表面微量的溶胶，17~30℃下陈化1~7d；

（5）陈化后的木材在90 ~115℃下干燥8 ~24 h，冷却至室温，制得二氧化硅/木材复合材料。

步骤（1）所述的原木包括杉木、松木、杨木、桦木和轻木。

步骤（2）所述的硅醇盐为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯中的一种。

步骤（2）所述的酸为盐酸、醋酸、磷酸、硫酸、甲酸、丙烯酸、柠檬酸、草酸中的一种。

超声处理使用的是型号为KQ–100TDE高频数控超声波清洗器。

本发明的显著优点在于：

本发明采用溶胶-凝胶工艺，利用超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注，使纳米二氧化硅渗透到木材内部，使大部分纳米二氧化硅颗粒与木材细胞壁的羟基以氢键相互联系形成稳定的化学键接，牢固地结合在木材内部的细胞壁上，部分纳米二氧化硅颗粒表面的不饱和残键等活性基团借助物理和化学作用力形成牢固的结合，以凝胶的形式填充于细胞腔。由于纳米二氧化硅键合到木材内部，不仅最大限度地保持木材的环境学特征，保持了本身所具有的天然纹理、色泽和花纹，还使木材的热稳定性、吸湿性和防水性明显改善，力学性能和尺寸稳定性大为提高。与常规的制造二氧化硅/木材复合材料或硅溶胶制备强化木材的相比，利用超声波震荡实现含硅前驱体溶液对木材的浸注，工艺更简单，极大地减少了生产工艺时间，节约了成本。

超声波震荡的溶胶-凝胶法是利用超声波在液体中传播时产生交替的压缩和稀薄周期，产生空化气泡，经过多次压缩循环，空化气泡剧烈地崩溃，产生瞬间的高达5000 ℃的高温和约为500个大气压的压力。该方法促进了各相之间的物质传递和碰撞，增加了纳米二氧化硅前驱体溶液和木材之间的化学反应程度，使得纳米二氧化硅溶胶与木材中的羟基基团形成稳定的化学键，同时提高了纳米二氧化硅向木材内部的渗透量。