[发明专利]改性纤维素纳米晶体、高强水凝胶材料、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种改性纤维素纳米晶体、高强水凝胶材料、制备方法及应用，改性纤维素纳米晶体包括纤维素纳米晶体本体和通过羟醛缩合反应与其结合的甲基纤维素，在所述羟醛缩合反应中，所述甲基纤维素的取代度为：所述纤维素纳米晶体内每个葡萄糖单元中0.002‑0.1个羟基被取代。高强水凝胶材料，在100份水中加入0.2‑20份甲基纤维素和0.1‑10份改性纤维素纳米晶体得到混合液并于室温下搅匀制得。应用：将高强水凝胶材料以注射方式沿含水木质文物纵向方向注入；在40‑70℃环境温度下静置0.5‑10小时，实现高强水凝胶材料的溶液‑凝胶相转变，完成高强水凝胶材料的渗透加固，最后脱水处理，完成加固脱水保护处理。

技术领域

本发明涉及含水木质文物保护用加固剂的制备技术领域，具体涉及一种改性纤维素纳米晶体、高强水凝胶材料、制备方法及应用。

背景技术

木质文物承载着特定时期的政治、经济、文化等信息，它的保护与保存对人类历史文化传承具有重要的意义。然而，木质文物经过地下长期埋藏或河流、湖泊、海洋等水环境长期浸泡后，其木材细胞壁缓慢降解，形成了内部含水的多孔细胞壁残余结构，如不及时脱除这些水分，水中含有的细菌、酸和盐等物质将加剧含水木质文物的降解。

然而，含水木质文物力学性能大幅降低导致其极易因脱水处理发生开裂、翘曲、坍塌等严重损坏，造成不可挽回的损失。因此，含水木质文物脱水处理前，将加固剂经过渗透作用以物理吸附或化学结合进入木材细胞壁内部或间隙，以显著提高含水木质文物的力学强度，是含水木质文物保护与保存的核心及前提。

研究表明，含水木质文物的加固脱水处理工艺，主要包含加固处理环节和脱水处理环节，其中，加固处理是将加固剂进入木材细胞壁内部或间隙以增强含水木质文物力学性能，脱水处理包括自然干燥、阴干、冷冻干燥和超临界干燥等。

现阶段使用较广泛的加固剂，如明矾、聚乙二醇、丙烯酸酯等单体及糖类等，普遍存在处理周期长、无法可逆去除和安全性有待提高等不足，大大制约了含水木质文物的有效保护。研究发现，明矾自身可降解木材；聚乙二醇的溶解性、扩散性和吸湿性与分子量成反比，但加固能力却与分子量成正比，较难在保证含水木质文物力学强度增强的前提下缩短处理耗时，此外聚乙二醇断裂产物会降解木材；丙烯酸酯、酚醛或硅烷等单体渗透结合热/光等聚合交联则无法可逆去除，且存在聚合条件不易掌握，易发生爆聚、聚合不均匀和转化率低等不良后果；蔗糖、甘露醇、海藻糖和三氯蔗糖等还原性糖和非还原性糖的使用则面临：前者易水解，水解产物降解木材；后者价格昂贵难以推广等问题。然而，目前国内外尚未见到能够完全满足可逆去除、安全和有效三原则的含水木质文物保护用加固剂。因此，仍有必要研究遵循上述三原则的用于含水木质文物保护的新型可注射高强水凝胶材料。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种改性纤维素纳米晶体及其制备方法，具有力学增强特性，且与甲基纤维素间相容性良好。

本发明的第二个目的是提供利用所述改性纤维素纳米晶体制备的高强水凝胶材料及其制备方法。

本发明的第三个目的是提供所述高强水凝胶材料在含水木质文物保护中的应用。

本发明提供的高强水凝胶材料处理周期短、安全可再生同时可逆去除的含水木质文物保护用高强水凝胶材料，该高强水凝胶材料能够有效解决目前本领域在含水木质文物保护和保存方面所面临的难题。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种改性纤维素纳米晶体，包括纤维素纳米晶体本体和通过羟醛缩合反应与其结合的甲基纤维素，在所述羟醛缩合反应中，所述甲基纤维素的取代度为：所述纤维素纳米晶体主体内的每个葡萄糖单元中0.002-0.1个羟基被取代；所述改性纤维素纳米晶体的长度为50～1000nm、宽度为3～60nm、高度为3～20nm，结晶度为80～99％。

制备所述改性纤维素纳米晶体的方法，包括以下步骤：