[发明专利]一种纳米碳酸钙原位改性竹材的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种高强度阻燃竹材复合材料及制备方法。

背景技术

中国是一个木材资源短缺的国家，为了满足社会不断增长的木材需求，充分利用生长周期短的草本植物，如实行以竹代木，是解决目前森林资源严重匮乏的最佳途径。与树木相比，竹子生长周期短，产量高，自然再生能力强，一次种植可永续经营而不破坏生态环境，且生态功能更强，是一类可持续发展利用的资源。竹材直径较小，壁薄中空，其结构和化学组成与木材有较大差异。竹材强度和密度均高于一般木材，且竹材纹理通直，韧性大，劈裂性好，不但可用于建筑结构材，在家具、家居和室内装饰等领域都有广阔的应用前景。但竹材内富含淀粉、蛋白质等营养成分，导致竹材更易霉变，耐虫性能差，不经处理的竹材耐久性较差。同时竹材存在容易变色、开裂、磨损和容易燃烧等，这些缺点严重限制了其应用。所以，对竹材的改性处理以提高竹材防腐、防霉、阻燃等性能是竹材大规模应用的关键。

传统的木材多采用以氧化钛等无机纳米材料改性来提高木材的力学性能、防腐、防霉以及疏水性等。而目前竹材改性大多借鉴木材改性的工艺，但由于竹材具有独特的结构，其外表的竹青组织致密，竹节处维管束交错弯曲，导致其渗透性较差且均一性也较差，因此采用类似的工艺对竹材进行阻燃、防腐改性，其效果则不如木材。目前，改性工艺主要采用使用含纳米材料的改性剂通过浸渍或涂饰等表面处理法进行处理。竹材属于各向异性材料，气液固在竹材内部流通渗透必须通过纹孔通道，但竹材在砍伐和干燥之后，特别是当干燥的竹材含水率不同时，胞壁纹孔闭合程度不同则阻碍了其液体和纳米颗粒的渗透扩散，特别是固体颗粒，通过浸渍工艺处理一般只能沉积在竹材表层，很难进到竹材内部，且无机纳米材料很难与竹材之间形成化学键而牢固固定在竹材上，从而影响改性的效果和长效性。因此，探索合适的干燥工艺和在温和条件下无机纳米材料原位改性以提高竹材力学和阻燃性能，对于制备高品质的竹材、实现竹材产业的可持续发展具有重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种纳米碳酸钙原位改性竹材的制备方法，碳酸钙的所有前驱体均先溶于水中形成水溶液，在超声和真空处理条件下将前驱体随着水溶液的流动到达扩散边界层以及竹材纤维表面，再通过细胞腔、胞间隙、胞壁毛细管系统和纤维无定型区向竹材内部扩散，然后通过调整溶液的pH值使纳米碳酸钙原位在竹材的纤维表面、细胞壁、维管束、纤维帽、导管内生长，从而实现对竹材的原位改性，有效改善其力学性能和阻燃性能。该工艺简单易行、绿色环保、成本低廉，适用于大规模生产。

所述制备方法包括如下步骤：

1)将竹材微波干燥至含水率为5～35％；

2)将步骤1)干燥的竹材完全浸没在含有钙盐和碳酸二甲酯的饱和水溶液中，多次超声和真空处理条件下，浸渍24h使前驱体深度扩散到竹材孔结构中，然后取出沥干；

3)将钙盐:碳酸二甲酯＝1:1(摩尔比)溶于水中，搅拌溶解后，将步骤2)所得竹材完全浸没在混合溶液中，浸渍24h使竹材在混合溶液中浸渍充分且均匀，控制溶液温度至25～100℃，并加碱溶液调节溶液pH至9～10左右，并浸渍24h，在这过程中，在竹材内部，碳酸二甲酯缓慢水解和钙离子反应原位生成碳酸钙；

4)取出步骤3)中的竹材，用水清洗后，浸泡在60℃的浓度为1％～5％硬脂酸乙醇溶液中，30min～5h后取出，微波干燥至含水率5～25％，即得具有超疏水的碳酸钙改性的圆竹。

其中，步骤1)所述竹材原料可以为圆竹、竹片、竹单板、竹丝、竹纤维、竹碎料等；包含毛竹、紫竹、刚竹、桂竹或方竹等竹种，所说竹材原料的形状并无特别限制，可以为不规整形状，也可以为规整形状，优选地，例如可以为5～30cm的圆竹段。

步骤2)和3)中所述钙盐为氯化钙、硝酸钙、醋酸钙、磷酸二氢钙中的一种或者多种；

步骤3)中所述钙盐浓度为0.05～5mol/L，优选0.2～1mol/L；所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、尿素、乙醇胺一种或者多种。当使用氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、乙醇胺调节溶液pH值时，反应温度优选常温；当使用尿素调节溶液pH值时，反应温度优选60～120℃。

根据本发明的另一个方面，本发明的一个目的在于提供一种纳米碳酸钙原位改性的竹材，所述竹材由根据本发明的所述制备方法制备得到。

有益效果

本发明与现有技术相比具有如下优势：