[发明专利]一种全表面超疏水抗冻高强木材及其制造方法

说明书

本发明涉及一种全表面超疏水抗冻木材及其制造方法，通过部分去除木质素和半纤维素形成海绵化木材，之后通过吸收‑挤压工艺将疏水纳米粒子和全氟硅烷注入海绵化木材外表面和内部孔道中，最后进行热压致密化处理获得超疏水抗冻高强木材。本发明的超疏水抗冻高强木材为致密化全表面疏水木材；所述致密化是指木质管道以及多孔木质细胞壁部分坍塌，使木材厚度降低到初始厚度的30～40％，密度增加2.5～3倍；所述全表面疏水是指木材外表面以及木材孔道内表面的协同疏水性。本发明的抗冻高强木材，抗弯强度较同材质原木提高2～4倍；在分别经历10次和50次冻融循环后其抗弯强度分别保持80％以上和50％以上；即使经历50次冻融循环后依然保持尺寸稳定性。

技术领域

本发明属木材制造技术领域，涉及一种全表面超疏水抗冻高强木材及其制造方法。

背景技术

几个世纪以来，木材以其丰富的自然资源、可再生性、易加工性和良好的保温隔热性能被广泛应用于建筑、装饰等日常生活中。木材是一种主要由纤维素、半纤维素和木质素构成的复合材料，具有丰富的多孔结构，沿生长方向有管状通道。木材的多孔特性决定其结构强度低，一般拉伸强度在100MPa以下；木材组成决定其具有吸湿性强的特点，同时也是制约其应用的两个关键问题。此外，由于大量亲水基团的存在，会导致许多有害影响，包括霉变、尺寸不稳定、开裂、生物降解等，这些影响严重缩短了木材的使用寿命。因此，提高木材的强度，实现其全表面疏水性是拓展应用领域、延长使用寿命的重要手段。

为了提高机械性能，采用蒸汽、热、氨或冷轧进行预处理，再进行致密化处理。然而，这些方法会导致致密化不完全，相邻纳米纤维之间无法形成强的相互作用，通过这些方法处理木材可能造成木材体积膨胀，力学性能降低。美国马里兰大学的胡良斌等人报道了一种通过去除木质素/半纤维素后热压的方法得到完全致密化的高性能木材，研究发现，相邻的纤维素纳米纤维之间形成的丰富氢键对增强纤维的强度和韧性起着关键作用。然而，即使致密化的木材，由于木材中的孔隙结构为水分在木材内部的流通提供了结构基础使木材本身固有亲水性，在吸水后会容易发生霉变和体积膨胀，在寒冷和潮湿地区甚至会经历周期性的霜冻或冻融循环，随着冰晶生长，木材发生膨胀，导致木材力学性能严重降低，抗弯强度下降到初始强度的33％左右，同时木材表面会发生结冰现象，这严重制约了木材的应用和保存。

近年来，许多研究人员致力于在木材表面处理疏水性或超疏水性涂层。开发了溶胶-凝胶、浸涂、喷涂、热液、软光刻、大气压介质阻挡放电等多种工艺。他们通过在木材表面涂覆含氟聚合物、氟硅烷、有机硅烷等低表面能的表面改性剂，使木材表面与水的接触角可以达到120°-160°，呈现出优良的疏水性或超疏水性能。然而，这些方法均是在木材表面进行疏水或超疏水处理，一旦木材表面出现裂缝或其他损伤，内部亲水的纤维和孔道结构会暴露在外界环境中，水分子极易渗透到木材的内部中。因此如何构建一个全表面疏水木材是非常具有挑战性的，其关键是实现木材内部的疏水现有技术有两大类，第一类是利用疏水处理剂的渗透注入，但是当木材发生断裂破或其他损伤，内部疏水层也同时被破坏，新的亲水表面便暴露在外，木材不再具有疏水性；第二类是利用疏水纳米粒子的渗透吸收，疏水纳米粒子在木材孔道内可以形成保护空气层，阻止水分子的进入。然而由于天然木材孔道结构不连通的限制，常规渗透方法的渗透深度不够，渗透量较少，木材内表面的疏水效果并不理想。因此，作为结构材料的全表面疏水性木材还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全表面超疏水抗冻高强木材及其制造方法，具体是一种具有全表面疏水性(即木材外表面以及木材孔道内表面同时具有疏水性)的高效抗冻木材及其制造方法。

本发明的目的之一是提供一种全表面超疏水抗冻高强木材，所述全表面超疏水抗冻高强木材为去除部分木质素和半纤维素的致密化全表面疏水木材；

所述致密化是指木质管道以及多空木质细胞壁部分坍塌，使木材厚度降低到初始厚度的30～40％，密度增加2.5～3倍；