阅读说明：本技术 一种络合木材的制备方法 (Preparation method of complex wood ) 是由 余养伦 于文吉 张耀明 闫昊鹏 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种络合木材的制备方法,属于木材加工技术领域。上述络合木材的制备方法包括：步骤1：准备适量木材；步骤2：把植物多酚导入木材,得到多酚木材；步骤3：在多酚木材中导入金属盐,得到多酚金属盐木材；步骤4：干燥多酚金属盐木材,得到络合木材。本发明通过在木材中引入“纤维素-植物多酚-金属盐”动态多重牺牲键网络结构,支撑起纤维素和/或半纤维素,使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩,同时在牺牲键不断地断裂和重构的动态作用下,耗散了木质材料体系内的大量能量,消除或削弱了内应力,保护了纤维素骨架共价键网络的完整,为解决木材的开裂问题提供了新方法。(The invention relates to a preparation method of complex wood, and belongs to the technical field of wood processing. The preparation method of the complex wood comprises the following steps: step 1: preparing a proper amount of wood; step 2: introducing plant polyphenol into wood to obtain polyphenol wood; and step 3: introducing metal salt into the polyphenol wood to obtain polyphenol metal salt wood; and 4, step 4: and drying the polyphenol metal salt wood to obtain the complex wood. The invention introduces a dynamic multi-sacrifice bond network structure of 'cellulose-plant polyphenol-metal salt' into wood to support cellulose and/or hemicellulose, so that the dynamic multi-sacrifice bond network structure reduces or even does not generate expansion or shrinkage when absorbing or desorbing moisture, simultaneously dissipates a large amount of energy in a wood material system under the dynamic action of continuous fracture and reconstruction of sacrifice bonds, eliminates or weakens internal stress, protects the integrity of a cellulose skeleton covalent bond network, and provides a new method for solving the cracking problem of wood.)

一种络合木材的制备方法

技术领域

本发明涉及木材加工技术领域，具体涉及一种络合木材的制备方法。

背景技术

随着科技进步和社会发展，人类对木材的需求越来越大，应用范围越来越广，要求的品质也越来越高。但是，我国森林资源匮乏，加之木材固有属性，使木质材料在产品和应用领域难以满足日益增长的市场需求。木质功能性改良技术以改善木质材料品质为目的，赋予其新的性能，拓展其使用范围，已成为我国社会经济可持续发展的重要组成部分。

木质材料及木材制品具有突出特性，如环境学属性—木材的视觉特性、触觉特性、听觉特性、嗅觉特性及调节特性，材料学特性—易加工性、强重比高、热绝缘和电绝缘性，生物学功能—可再生和可降解性，这些优良的品质已经受到人类的广泛认同，但是木质材料的湿胀干缩、开裂变形、腐朽霉变、变色等也限制了它的应用。

现有技术中，为了防止木材开裂，通常使用木材改性液，例如专利CN106182249A公开了一种杀菌防开裂高强度木材的制备方法，属于木材处理技术领域。该发明选取木材经过水煮后放入压力罐中进行***处理，处理后干燥控制含水率，将木材浸泡在木材改性液中，木材改性液是由百合叶和茶籽粕提取的浓缩和烯丙基缩水甘油醚、二甲基乙酰胺、二甘醇、氢氧化钠、磷酸氢二铵、环丙唑醇等物质制备而成，将浸泡后木材取出干燥，并在木材表面均匀喷涂十六烷基三甲氧基硅烷改性后的纳米二氧化硅溶胶，喷涂后干燥即可，取得了一定的效果。

针对木材在使用过程中的主要缺陷，人们采用物理和化学技术进行功能性改良，包括木材强化技术、木材尺寸稳定性增强技术、木材防腐防霉技术、木材变色防止与染色技术等。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种络合木材的制备方法；本发明制备的络合木材具有减少开裂甚至不开裂、尺寸稳定等优点。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种络合木材的制备方法，包括：

步骤1：准备适量木材；

步骤2：把植物多酚导入木材，得到多酚木材；

步骤3：在多酚木材中导入金属盐，得到多酚金属盐木材；

步骤4：干燥多酚金属盐木材，得到络合木材。

优选的，所述木材的绝对含水率为6％-300％。

进一步的，所述步骤2为：

21)将植物多酚溶解在水中，搅拌均匀后，形成植物多酚水溶液；

22)把上述木材浸渍于植物多酚水溶液中，将植物多酚导入到细胞腔、细胞壁或细胞间隙中；

23)干燥已浸渍植物多酚水溶液的木材，形成多酚木材。

进一步的，所述植物多酚水溶液的浓度为1g/L～250g/L，平均分子量为170～50000，为1～40聚合体；所述植物多酚与木材的比例：0％-15％；所述木材在植物多酚水溶液中的浸渍时间为10min-48h，浸渍温度为0-80℃，浸渍方法为常压、加压或抽真空后再加压。

优选的，所述植物多酚为栲胶、单宁、单宁酸、末食子酸、焦性末食子酸的一种或多种混合。

进一步的，所述步骤3为：

31)将金属盐溶解在水溶液中，搅拌均匀后，形成金属盐水溶液；

32)把上述多酚木材浸渍于金属盐水溶液中，将金属离子导入到细胞腔、细胞壁或细胞间隙中。

进一步的，所述金属盐水溶液的浓度为0.3g/L～300g/L；所述金属盐与木材的比例：0.1％-12％；所述木材在金属盐水溶液中的浸渍时间10min-180天，浸渍温度0-80℃，浸渍方法为常压、加压、或抽真空后再加压。

优选的，所述金属盐为铁盐、铜盐、铝盐、钛盐、钙盐、钼盐、钨盐、铬盐、镁盐、钾盐，及其复盐的一种或多种混合物，所述金属盐水溶液的pH值为3.5-4.5。

优选的，所述干燥多酚金属盐木材的绝对含水率为25-50％，然后调整空气中氧含量至22-50％，直至多酚金属盐木材的绝对含水率为6-12％。

现有研究认为，引起木材开裂的原因很多，其中最主要的因素是木材中的多糖(纤维素、半纤维素等物质)在吸湿和解吸过程吸收或释放水分而引起木材膨胀或收缩，从而导致的木材尺寸不稳定和开裂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中，在木材的细胞壁内引入植物多酚和金属盐，利用植物多酚的酚羟基与纤维素、半纤维素的羟基结合，同时，邻位酚羟基与金属离子络合，将相邻的纤维素/半纤维素的分子链交联成网状结构，犹如在纤维素/半纤维素分子链支上了若干支架支撑，使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩；在上述的基础上，在纤维素骨架内形成了大量的由氢键(植物多酚酚羟基和木材中的羟基结合形成了多点氢键)和配位键(植物多酚酚环上的邻位羟基与金属盐络合形成了配位键)组成的多重牺牲键网络。由于牺牲键键能小于共价键(纤维素、半纤维素、木质素以及酚醛树脂之间形成了共价键网络)，当木材受到内应力或外力作用时，牺牲键优先于共价键断裂。牺牲键不断地断裂和重构的动态作用，耗散了木材体系内的大量能量，消除或削弱了内应力，保护了纤维素骨架共价键网络的完整。这为解决木材的开裂问题提供了新方法。

本发明首先将把植物多酚导入木材，使木材发生了润胀；然后向其中导入金属盐，植物多酚与木材中的纤维素和半纤维素结合，形成多点氢键，同时，植物多酚与金属盐络合，将“纤维素-植物多酚-金属盐”结合成一体，犹如在纤维素骨架分子中形成了若干支架支撑；然后，伴随的水分的蒸发和氧化反应，“纤维素-植物多酚-金属盐”进一步交联和氧化，最终形成络合木材。本发明“纤维素-植物多酚-金属盐”动态多重牺牲键网络结构，支撑起纤维素和/或半纤维素，使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩，同时在牺牲键不断地断裂和重构的动态作用下，耗散了木质重组材料体系内的大量能量，消除或削弱了内应力，保护了纤维素骨架共价键网络的完整，从分子水平解决了木材易开裂问题。

附图说明

图1为现有技术中细胞壁纤维素骨架干缩湿胀分子链结构图；

图2为本发明络合木材纤维素骨架干、湿状态分子链结构图；

图3为本发明实施例1中处理前、后樟子松木材情况；

图4为本发明实施例2中麻栎木处理过程中对比图；

图5为本发明实施例3中络合处理前、后楸木图；

图6为本发明实施例5中络合前、后麻栎木单板图；

图7为本发明实施例5中络合前、后麻栎木单板接触角对比图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

本发明中，所使用的材料及试剂未有特殊说明的，均可从商业途径得到。

实施例1

一种络合木材的制备方法，包括：

步骤1：准备适量木材

将樟子松木材截成长为200cm的木段，经过锯切后加工成一定规格的锯材，经干燥后，绝对含水率控制在6％；

步骤2：把黑荆树皮单宁导入木材

将黑荆树皮单宁溶解在水中，搅拌均匀后，形成一种分子分散态和分子聚集态并存的半胶体水溶液，浓度为20g/L；

然后将步骤1制备的木材，浸泡在上述黑荆树皮单宁溶液中；采用液压加压浸渍，浸渍时间为12h，浸渍温度为25℃，压力为1.2MPa，将植物多酚导入到细胞腔、细胞壁或细胞间隙中，通过液压流量控制，使单宁的浸渍量木材质量的3％，将所述木材取出，放置在干燥窑中进行干燥，使木材中水分逐渐蒸发，控制木材含水率，当绝对含水率为80％，取出，形成多酚木材；

步骤3：在多酚木材中导入金属盐

将硫酸铝溶解在水溶液中，搅拌均匀后，形成硫酸铝水溶液，浓度为0.3g/L；

将步骤2制备的多酚木材，浸泡在步骤3的硫酸铝水溶液中，浸渍时间12h，温度25℃，采用液压加压浸渍，压力为1.2MPa，将硫酸铝水溶液导入到细胞腔、细胞壁或细胞间隙中，通过液压流量控制，使硫酸铝的浸渍量木材质量的1.5％，取出木材，形成多酚铝盐木材；

步骤4：干燥多酚铝盐木材

放置在干燥窑中采用常规干燥方法，使木材中水分逐渐蒸发，当绝对含水率为12％时，取出，得到络合木材。

现有研究认为，引起木材开裂的原因很多，其中最主要的因素是木材中的多糖(纤维素、半纤维素等物质)在吸湿和解吸过程吸收或释放水分而引起木材膨胀或收缩，如图1，从而导致的木材尺寸不稳定和开裂。

本发明中，在木质重组材料的细胞壁内引入植物多酚和金属盐，利用植物多酚的酚羟基与纤维素、半纤维素的羟基结合，同时，邻位酚羟基与金属离子络合，将相邻的纤维素/半纤维素的分子链交联成网状结构，犹如在纤维素/半纤维素分子链支上了若干支架支撑，使其在吸湿或解吸时减小甚至不产生膨胀或收缩，如图2所示。

对采用本实施例方法得到的络合木材处理前后进行比较，由图3可知，未处理木材有较多裂痕，处理后得到的络合木材表面无裂痕，具有较高的稳定性。

同时测量了处理前后木材物理力学性能，如表1所示，由表1可知，经过络合处理后，材料的气干密度、强度和弹性模量增加；尺寸稳定性大幅度改善；松脂油被固定在了木材内，不再向材料表面飘移，如图3所示。

表1络合处理前、后章子松木材性能的比较

性能指标	未络合处理	络合处理
			气干密度(g/cm<sup>3</sup>)	0.43	0.48
弯曲强度(MPa)	59.2	68.2
			弹性模量(GPa)	9.2	9.7
径向干缩系数(％)	0.15	0.04
			弦向干缩系数(％)	0.33	0.08

实施例2

一种络合木材的制备方法，包括：

步骤1：准备适量原木

将新鲜麻栎木截成长为300cm的木段，去除树皮后，得到麻栎木原木；

步骤2：把多酚导入麻栎木中

将橡椀栲胶溶解在水溶液中，搅拌均匀后，形成一种分子分散态和分子聚集态并存的半胶体水溶液，浓度为2.0g/L；

然后将步骤1制备的麻栎木原木，浸泡在上述橡椀栲胶溶液中；采用加压浸渍，浸渍时间为24h，温度为25℃，压力为1.8MPa，将橡椀栲胶水溶液导入到细胞腔、细胞壁或细胞间隙中，将所述麻栎木取出，放置在干燥窑或空气中，使麻栎木中水分逐渐蒸发，当麻栎木的绝对含水率为12％，取出，形成多酚麻栎木；

步骤3：在上述的多酚麻栎木中导入金属盐

将氯化亚铁溶解在水溶液中，搅拌均匀后，得到氯化亚铁盐溶液，浓度为30g/L；

将步骤2制备的多酚木材，采用常压浸渍，浸泡在步骤3的氯化亚铁盐溶液中，浸渍时间60天，温度为室温，得到多酚氯化亚铁麻栎木；

步骤4：干燥多酚氯化亚铁麻栎木

放置在干燥窑中，使多酚氯化亚铁麻栎木中水分逐渐蒸发，当多酚氯化亚铁麻栎木的绝对含水率为50％时，通入氧气，使干燥窑内的介质氧含量达到30％，当多酚氯化亚铁麻栎木的绝对含水率为30％时，使干燥窑内的介质氧含量恢复正常水平，直至绝对含水率为6-12％，得到络合木材。

本实施例木材处理前后，如图4，本发明方法得到的络合木材表面无裂痕，木材稳定性较好。

同时测量了处理前后木材物理力学性能，如表2所示。由表2可知，经过络合处理后，材料的密度、强度和弹性模量均有一定程度的增加，径向干缩系数和弦向干缩系数大大降低，即尺寸稳定性大幅度增加。

表2络合处理前、后麻栎木性能的比较

性能指标	未处理	络合处理
			气干密度(g/cm<sup>3</sup>)	0.65	0.69
弯曲强度(MPa)	128.9	137.8
			弹性模量(GPa)	16.8	17.2
径向干缩系数(％)	0.21	0.04
			弦向干缩系数(％)	0.40	0.07

实施例3

一种络合木材的制备方法，包括：

步骤1：准备适量楸木

将楸木截成长为200cm的木段，经过锯切后加工成一定规格的锯材，经干燥后，绝对含水率控制在6％；

步骤2：把多酚导入楸木

将马占思栲胶溶解在水溶液中，搅拌均匀后，形成一种分子分散态和分子聚集态并存的半胶体水溶液，浓度为0.3g/L；

然后将步骤1制备的楸木锯材，浸泡在上述马占思栲胶溶液中；浸渍时间为4h，温度为25℃，采用加压浸泡，压力为12MPa，使马占思栲胶溶液的浸渍量木材质量的0.3％，将所述楸木锯材取出，放置在干燥窑或空气中，使楸木中水分逐渐蒸发，当楸木的绝对含水率为48％，取出，形成多酚楸木锯材；

步骤3：在多酚楸木锯材中导入氯化铁

将氯化铁在水溶液中，搅拌均匀后，形成氯化铁水溶液，浓度为0.3g/L；

将步骤2制备的多酚楸木，浸泡在步骤3的氯化铁溶液中，浸渍时间12h，温度40℃，采用液压浸泡，压力为1.6MPa，使氯化铁的浸渍量木材质量的3％，将楸木木材取出，获得多酚氯化铁楸木；

步骤4：干燥多酚氯化铁楸木

放置在干燥窑，干燥温度为60℃，使多酚氯化铁楸木中水分逐渐蒸发，绝对含水率为10-12％，得到楸木络合木材，如图5所示。

表3络合处理前、后楸木性能的比较

性能指标	未络合处理	络合处理
			气干密度(g/cm<sup>3</sup>)	0.52	0.55
弯曲强度(MPa)	98.8	104.8
			弹性模量(GPa)	10.3	10.5
径向干缩系数(％)	0.10	0.03
			弦向干缩系数(％)	0.23	0.06

同时测量了处理前后木材物理力学性能，如表3所示。由表3可知，经过络合处理后，材料的密度、弯曲强度和模量均得到一定程度改善，径向干缩系数和弦向干缩系数大大降低，即尺寸稳定性大幅度增加。

实施例4

一种络合木材的制备方法，包括：

步骤1：准备适量杨木锯材

将杨木截成长为200cm的木段，经过锯切后加工成一定规格的锯材，经干燥后，经干燥后将含水率控制在15％；

步骤2：把多酚导入杨木

将单宁酸溶解在水中，搅拌均匀后，形成单宁酸水溶液，浓度为3g/L；

然后将步骤1制备的杨木锯材，浸泡在上述单宁酸溶液中；浸渍时间为2h，温度为25℃，采用液压浸泡，压力为0.3MPa，使单宁的浸渍量杨木锯材质量的2.5％，将所述杨木锯材取出，放置在空气中，使杨木锯材中水分逐渐蒸发，当绝对含水率为50％时，取出，形成杨木多酚锯材；

步骤3：在杨木多酚锯材导入硼酸锌和氨溶烷基胺铜

将硼酸锌和氨溶烷基胺铜(ACQ)按1：1比例在水溶液中，搅拌均匀后，形成铜锌混合金属盐水溶液，浓度为1.5g/L；

将步骤2制备的多酚杨木，浸泡在步骤3的铜锌混合金属盐溶液中，浸渍时间2h，温度25℃，采用液压浸泡，压力为0.4MPa，使铜锌混合金属盐的浸渍量木材质量的3.2％，将多酚杨木取出，获得多酚铜锌混合金属盐杨木；

步骤4：干燥多酚铜锌混合金属盐杨木

将多酚铜锌混合金属盐杨木放置在干燥窑中，使材料中水分逐渐蒸发，绝对含水率为12％，得到杨木络合木材，如表4所示。

从表4的物理力学性能可以看出，经过络合处理后，材料的密度、强度、弹性模量增加；尺寸稳定性大幅度增加；材料的防腐、防霉和阻燃性能得到了大幅度的提高，导入的金属离子(锌离子、铜离子)的流失量大幅度降低。

表4络合处理前、后杨木性能的比较

性能指标	未处理	络合处理
			密度(g/cm<sup>3</sup>)	0.47	0.53
顺纹弯曲强度(MPa)	89.2	96.5
			顺纹弹性模量(GPa)	7.7	8.6
径向干缩系数(％)	0.18	0.04
			弦向干缩系数(％)	0.27	0.08
阻燃性能	B2	B1
			防霉性能	4级	1级
防腐性能	Ⅳ级(不腐朽)	Ⅰ级(强耐腐)
			铜离子流失	---	12％
锌离子流失	---	11％

实施例5

一种络合单板的制备方法，包括：

步骤1：准备适量单板

将麻栎木(Albiziafalcataria)木材截成长为2560cm的木段，刨切成0.3mm厚的单板，经干燥后将含水率控制在30％；

步骤2：把橡椀栲胶导入单板

将橡椀栲胶溶解在水中，搅拌均匀后，形成橡椀栲胶水溶液，浓度为1.5g/L；

然后将步骤1制备的刨切单板，浸泡在上述橡椀栲胶溶液中；浸渍时间为120min，温度为室温，采用加压浸渍，压力为1.2MPa，使橡椀栲胶的浸渍量木材质量的2.0％，将所述单板取出，放置在干燥窑中，使单板中水分逐渐蒸发，当单板的绝对含水率为30％，取出，形成多酚单板；

步骤3：在多酚单板中导入金属盐

将硫酸铁溶解在水中，搅拌均匀后，形成硫酸铁水溶液，浓度为3.0g/L；

将步骤2制备的多酚单板，浸泡在步骤3的硫酸铁溶液中，浸渍时间90min，温度为室温，采用加压浸渍，压力为1.2MPa，使硫酸铁的浸渍量单板质量的1.2％，将单板取出，获得多酚硫酸铁盐单板；

步骤4：干燥多酚硫酸铁盐单板

将多酚硫酸铁盐单板放置在空气中，使单板中水分逐渐蒸发，绝对含水率为12％，得到络合单板，如图6所示，其接触角如图7所示。

从图6可以看出，经过络合处理，麻栎木单板颜色变成深灰色，纹理更有层次感；从图7可以看出，与未处理麻栎木单板相比，处理后麻栎木单板表面接触角增大，说明络合处理，增加了麻栎木单板的疏水性能，且处理后麻栎木表面无裂痕，稳定性好。

综上可知，本发明引入植物多酚，并将其固定在木材中，支撑起纤维素和/或半纤维素，使其在吸湿和解吸过程中不引起膨胀和干缩，使得木材具有较好的稳定性，同时，还具有提高材料的防霉、防腐等功能。

以上所述是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。