一种对木材进行海藻酸钠改性提高木材弹性模量的加工工艺的制作方法

本发明属于木材加工技术领域，具体涉及一种对木材进行海藻酸钠改性提高木材弹性模量的加工工艺。

背景技术：

近年来，我国木材资源的有效供给与不断增长的社会需求之间的矛盾日趋突出。在我国天然林全面禁伐以及进口木材管制越来越严的形势下，高效利用我国丰富的人工林木材资源（如杨木、杉木、桉木、马尾松、泡桐等）是缓解木材供求矛盾的根本途径。但人工林木材普遍存在密度小、强度低、尺寸稳定性差、耐久性差等问题，致使其应用受到极大限制。对人工林木材进行改性处理，克服木材各种缺陷，改善木材物理力学性能，是提升人工林木材品质及其利用价值的重要手段。采用水溶性低分子量树脂溶液浸渍处理木材，可大幅提高其密度、尺寸稳定性、抗弯强度和弹性模量等物理力学性能，是一种有效的木材改性方法，而且这种树脂改性剂也存在稳定性差、难以长期储存、降低木材韧性、功能相对单一、成本较高等缺陷或问题，所以不利于推广。

目前，现有技术中，通过赋予木材疏水性能，能够隔离木材与水分接触，改善木材的部分缺陷，可以有效的增强木材的弹性模量，而且这类工艺方法简单，制备周期短，成本较低，清洁无污染。例如中国专利cn2018115535676公开了一种疏水木材及其制备方法，具体公开了通过将纳米二氧化硅与聚丙烯蜡联用，渗入到木材中，在木材细胞壁形成薄膜，堵塞液态水扩散浸入木材的微观通道，同时木材中的羟基能够与纳米二氧化硅发生反应，减少木材本身的亲水基团，从而增强木材的疏水性，使得木材的弹性模量得到增强；但是，通过对木材进行疏水改性，木材的力学性能提升幅度较小，并不能满足实际生产中的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种对木材进行海藻酸钠改性提高木材弹性模量的加工工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种对木材进行海藻酸钠改性提高木材弹性模量的加工工艺，具体工艺方法如下：

1）分别称取适量的硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮，溶解于乙二醇中，得到浓度为28-30mg/ml的硝酸银溶液和浓度为27.5-28.5mg/ml的聚乙烯吡咯烷酮溶液，按照体积比为1:80-85，将浓度为0.01-0.015mol/l的三氯化铁溶液与乙二醇混合后在150-155℃下预热10-15min，得到混合液，将等体积的硝酸银溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液分别以500-550μl/min的速率缓慢加入到混合液中，控制硝酸银溶液与混合液的体积比为2.0-2.3:1，以300-400r/min磁力搅拌1-2h，待形成的分散液冷却至室温，用丙酮和乙醇洗涤离心3-4次，每次离心洗涤的转速为5000-6000rpm，洗涤时间15-20min，烘干后得到银纳米线；

2）将质量浓度为1.5-3.0%的氯化钙和乙二胺四乙酸混合后用浓度为4-5mol/l的氢氧化钠溶液滴定至ph值至7，控制氯化钙与乙二胺四乙酸的摩尔比为1:1，将适量的银纳米线加入到上述溶液中，400-500r/min磁力搅拌10-15min，再经200-300w超声处理10-20min，得到银纳米线质量含量为4.5-7.5%的分散液，备用，将适量的葡糖酸内酯加入到浓度为0.1-0.2mol/l的海藻酸钠溶液中，200-300w超声处理30-40min，得到葡糖酸内酯质量含量为1.5-2.5%的浸渍液，备用；

3）将木材在微波频率为2450mhz，常压，温度为70-80℃条件下，微波加热处理5-10min，然后置于压力浸渍罐中，加入分散液，在1.0-1.3mpa下浸渍处理30-40min，将木材取出后置于浸渍罐中，加入浸渍液，在500-600w超声波作用下浸渍10-15min，将木材取出后在室温下静置24-30h，将木材表面多余的凝胶除去，得到预处理木材；本发明中，通过对木材进行微波处理，改善木材本身的渗透性，为后续分散液以及浸渍液进入木材内部疏通通道；本发明中，首先通过加压浸渍处理，将含有银纳米线以及氯化钙的分散液渗入到木材的空隙中，再通过超声加压浸渍，利用超声波“空化”效应产生的激波压力，将浸渍液渗入到木材的空隙中，渗入到木材空隙中的海藻酸钠可以与二价金属阳离子钙离子作用形成凝胶，其分子中gg嵌段上的多个o原子可与ca² 螯合，由此增强海藻酸分子链间的结合及协同作用，分子链与链之间相互作用的增强将导致空间三维网络结构的形成，同时，添加的银纳米线可以通过物理作用附着在凝胶的空间三维网络结构中，使得凝胶内部的三维网络结构更加完善，从而在木材的空隙中填充形成高交联度的复合凝胶，随着木材中高交联度复合凝胶的形成，在木材内部形成完整的网络结构，此时的木材内部空隙中填充的复合凝胶宏观上呈现有一定机械强度的凝胶状，并且随着凝胶网络结构的不断完善，复合凝胶的储能模量与损耗模量的差值越来越大，从而使得木材的弹性模量得到显著提升；本发明中，由于超声波加压浸渍相比较压力浸渍，具有更深的浸渍深度，可以使更多的溶液渗入到木材中，因此针对分散液以及浸渍液，分别采用压力浸渍和超声波加压浸渍的方式，首先采用压力浸渍，将分散液渗入到木材中，由于压力浸渍的浸渍深度较浅，因此在木材中还留有部分空隙未被分散液占据，从而为后续浸渍液的渗入留有空隙，后续采用超声波加压浸渍的方式，不仅可以将浸渍液渗入到木材中，同时还可以使木材中的分散液往木材深处渗入，从而使得木材中形成的复合凝胶含量增加；

4）量取适量的二甲苯溶液，在避光条件下加入一定量的十八烷基三氯硅烷，混匀后形成体积分数为3-4%的十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，将改性木材置于浸渍罐中，注入十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，在700-800w超声波作用下浸渍20-25min，取出后在室温下静置2-3h，然后在通风处放置10-15h，再经50-60℃鼓风机干燥10-13h，即可得到所需的高弹性模量木材；本发明中，由于在木材空隙中填充的复合凝胶具有一定的吸水溶胀能力，为了防止复合凝胶吸水溶胀，在木材内部产生膨胀应力作用，对木材的结构造成影响，因此通过超声波加压浸渍的方法，将十八烷基三氯硅烷渗入到木材中，对木材内部的复合凝胶进行疏水改性，阻止水分进入复合凝胶中，从而起到防止复合凝胶吸水发生溶胀的作用。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明中，通过将银纳米线和海藻酸钠浸入到木材中，从而在木材的空隙中形成复合凝胶，形成复合凝胶具有完整的网络结构，此时的木材内部空隙中填充的复合凝胶宏观上呈现有一定机械强度的凝胶状，并且随着银纳米线的加入，使得复合凝胶网络结构得到不断完善，复合凝胶的储能模量与损耗模量的差值越来越大，从而使得木材的弹性模量得到显著提升。

具体实施方式

下面结合具体加工方法对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种对木材进行海藻酸钠改性提高木材弹性模量的加工工艺，具体工艺方法如下：

1）分别称取适量的硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮，溶解于乙二醇中，得到浓度为28mg/ml的硝酸银溶液和浓度为27.5mg/ml的聚乙烯吡咯烷酮溶液，按照体积比为1:80，将浓度为0.01mol/l的三氯化铁溶液与乙二醇混合后在150℃下预热10min，得到混合液，将等体积的硝酸银溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液分别以500μl/min的速率缓慢加入到混合液中，控制硝酸银溶液与混合液的体积比为2.0:1，以300r/min磁力搅拌1h，待形成的分散液冷却至室温，用丙酮和乙醇洗涤离心3次，每次离心洗涤的转速为5000rpm，洗涤时间15min，烘干后得到银纳米线；

2）将质量浓度为1.5%的氯化钙和乙二胺四乙酸混合后用浓度为4mol/l的氢氧化钠溶液滴定至ph值至7，控制氯化钙与乙二胺四乙酸的摩尔比为1:1，将适量的银纳米线加入到上述溶液中，400r/min磁力搅拌10min，再经200w超声处理10min，得到银纳米线质量含量为4.5%的分散液，备用，将适量的葡糖酸内酯加入到浓度为0.1mol/l的海藻酸钠溶液中，200w超声处理30min，得到葡糖酸内酯质量含量为1.5%的浸渍液，备用；

3）将木材在微波频率为2450mhz，常压，温度为70℃条件下，微波加热处理5min，然后置于压力浸渍罐中，加入分散液，在1.0mpa下浸渍处理30min，将木材取出后置于浸渍罐中，加入浸渍液，在500w超声波作用下浸渍10min，将木材取出后在室温下静置24h，将木材表面多余的凝胶除去，得到预处理木材；

4）量取适量的二甲苯溶液，在避光条件下加入一定量的十八烷基三氯硅烷，混匀后形成体积分数为3%的十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，将改性木材置于浸渍罐中，注入十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，在700w超声波作用下浸渍20min，取出后在室温下静置2h，然后在通风处放置10h，再经50℃鼓风机干燥10h，即可得到所需的高弹性模量木材。

对比例1：去除工艺步骤1），其余与实施例1相同。

对比例2：量取适量的二甲苯溶液，在避光条件下加入一定量的十八烷基三氯硅烷，混匀后形成体积分数为3%的十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，将木材在微波频率为2450mhz，常压，温度为70℃条件下，微波加热处理5min，然后置于浸渍罐中，注入十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，在700w超声波作用下浸渍20min，取出后在室温下静置2h，然后在通风处放置10h，再经50℃鼓风机干燥10h，即可得到所需的木材。

对照组：木材不进行加工处理。

测试实验

选用速生杨木作为木材试样，尺寸为70mmx50mmx22mm（径x弦x纵），采用实施例1、对比例1以及对比例2提供的工艺方法对木材试样进行加工处理，采用gb/t1927~1943-2009《木材物理力学性质试验方法》，对实施例1、对比例1、对比例2以及对照组的木材试样的弹性模量性能指标进行检测，结果如下：相对比对照组的木材试样，实施例1木材试样的弹性模量增大了46.3%，对比例1木材试样的弹性模量增大了28.9%，对比例2木材试样的弹性模量增大了21.3%。

实施例2

一种对木材进行海藻酸钠改性提高木材弹性模量的加工工艺，具体工艺方法如下：

1）分别称取适量的硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮，溶解于乙二醇中，得到浓度为29mg/ml的硝酸银溶液和浓度为28mg/ml的聚乙烯吡咯烷酮溶液，按照体积比为1:82，将浓度为0.012mol/l的三氯化铁溶液与乙二醇混合后在152℃下预热12min，得到混合液，将等体积的硝酸银溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液分别以520μl/min的速率缓慢加入到混合液中，控制硝酸银溶液与混合液的体积比为2.1:1，以350r/min磁力搅拌1.5h，待形成的分散液冷却至室温，用丙酮和乙醇洗涤离心3次，每次离心洗涤的转速为5500rpm，洗涤时间18min，烘干后得到银纳米线；

2）将质量浓度为2.5%的氯化钙和乙二胺四乙酸混合后用浓度为4.5mol/l的氢氧化钠溶液滴定至ph值至7，控制氯化钙与乙二胺四乙酸的摩尔比为1:1，将适量的银纳米线加入到上述溶液中，450r/min磁力搅拌12min，再经250w超声处理15min，得到银纳米线质量含量为6.5%的分散液，备用，将适量的葡糖酸内酯加入到浓度为0.15mol/l的海藻酸钠溶液中，250w超声处理35min，得到葡糖酸内酯质量含量为2.0%的浸渍液，备用；

3）将木材在微波频率为2450mhz，常压，温度为75℃条件下，微波加热处理8min，然后置于压力浸渍罐中，加入分散液，在1.2mpa下浸渍处理35min，将木材取出后置于浸渍罐中，加入浸渍液，在600w超声波作用下浸渍12min，将木材取出后在室温下静置28h，将木材表面多余的凝胶除去，得到预处理木材；

4）量取适量的二甲苯溶液，在避光条件下加入一定量的十八烷基三氯硅烷，混匀后形成体积分数为3.5%的十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，将改性木材置于浸渍罐中，注入十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，在800w超声波作用下浸渍23min，取出后在室温下静置2.5h，然后在通风处放置12h，再经55℃鼓风机干燥12h，即可得到所需的高弹性模量木材。

对比例1：去除工艺步骤1），其余与实施例2相同。

对比例2：量取适量的二甲苯溶液，在避光条件下加入一定量的十八烷基三氯硅烷，混匀后形成体积分数为3.5%的十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，将木材在微波频率为2450mhz，常压，温度为75℃条件下，微波加热处理8min，然后置于浸渍罐中，注入十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，在800w超声波作用下浸渍23min，取出后在室温下静置2.5h，然后在通风处放置12h，再经55℃鼓风机干燥12h，即可得到所需的木材。

对照组：木材不进行加工处理。

测试实验

选用速生杨木作为木材试样，尺寸为70mmx50mmx22mm（径x弦x纵），采用实施例2、对比例1以及对比例2提供的工艺方法对木材试样进行加工处理，采用gb/t1927~1943-2009《木材物理力学性质试验方法》，对实施例2、对比例1、对比例2以及对照组的木材试样的弹性模量性能指标进行检测，结果如下：相对比对照组的木材试样，实施例2木材试样的弹性模量增大了47.6%，对比例1木材试样的弹性模量增大了29.4%，对比例2木材试样的弹性模量增大了21.8%。

实施例3

一种对木材进行海藻酸钠改性提高木材弹性模量的加工工艺，具体工艺方法如下：

1）分别称取适量的硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮，溶解于乙二醇中，得到浓度为30mg/ml的硝酸银溶液和浓度为28.5mg/ml的聚乙烯吡咯烷酮溶液，按照体积比为1:85，将浓度为0.015mol/l的三氯化铁溶液与乙二醇混合后在155℃下预热15min，得到混合液，将等体积的硝酸银溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液分别以550μl/min的速率缓慢加入到混合液中，控制硝酸银溶液与混合液的体积比为2.3:1，以400r/min磁力搅拌2h，待形成的分散液冷却至室温，用丙酮和乙醇洗涤离心4次，每次离心洗涤的转速为6000rpm，洗涤时间20min，烘干后得到银纳米线；

2）将质量浓度为3.0%的氯化钙和乙二胺四乙酸混合后用浓度为5mol/l的氢氧化钠溶液滴定至ph值至7，控制氯化钙与乙二胺四乙酸的摩尔比为1:1，将适量的银纳米线加入到上述溶液中，500r/min磁力搅拌15min，再经300w超声处理20min，得到银纳米线质量含量为7.5%的分散液，备用，将适量的葡糖酸内酯加入到浓度为0.2mol/l的海藻酸钠溶液中，300w超声处理40min，得到葡糖酸内酯质量含量为2.5%的浸渍液，备用；

3）将木材在微波频率为2450mhz，常压，温度为80℃条件下，微波加热处理10min，然后置于压力浸渍罐中，加入分散液，在1.3mpa下浸渍处理40min，将木材取出后置于浸渍罐中，加入浸渍液，在600w超声波作用下浸渍15min，将木材取出后在室温下静置-30h，将木材表面多余的凝胶除去，得到预处理木材；

4）量取适量的二甲苯溶液，在避光条件下加入一定量的十八烷基三氯硅烷，混匀后形成体积分数为4%的十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，将改性木材置于浸渍罐中，注入十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，在800w超声波作用下浸渍25min，取出后在室温下静置3h，然后在通风处放置15h，再经60℃鼓风机干燥13h，即可得到所需的高弹性模量木材。

对比例1：去除工艺步骤1），其余与实施例3相同。

对比例2：量取适量的二甲苯溶液，在避光条件下加入一定量的十八烷基三氯硅烷，混匀后形成体积分数为-4%的十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，将木材在微波频率为2450mhz，常压，温度为80℃条件下，微波加热处理10min，然后置于浸渍罐中，注入十八烷基三氯硅烷/二甲苯溶液，在800w超声波作用下浸渍25min，取出后在室温下静置3h，然后在通风处放置15h，再经60℃鼓风机干燥13h，即可得到所需的木材。

对照组：木材不进行加工处理。

测试实验

选用速生杨木作为木材试样，尺寸为70mmx50mmx22mm（径x弦x纵），采用实施例3、对比例1以及对比例2提供的工艺方法对木材试样进行加工处理，采用gb/t1927~1943-2009《木材物理力学性质试验方法》，对实施例3、对比例1、对比例2以及对照组的木材试样的弹性模量性能指标进行检测，结果如下：相对比对照组的木材试样，实施例3木材试样的弹性模量增大了47.1%，对比例1木材试样的弹性模量增大了29.2%，对比例2木材试样的弹性模量增大了21.5%。

通过上述试验结果可知，本发明提供的加工工艺，可以使木材的弹性模量得到显著提升，从而使得木材可以更好的满足生产需求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。