基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及到一种基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，属于复合材料和人造板领域。将木材单板、木材板材或者竹材片材，采用化学试剂部分脱除木质素和半纤维素，用水清除化学试剂，再用乙醇或者丙酮将水分置换出来；放入树脂体系或树脂溶液与阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂助剂的混合溶液中，或者依次放入树脂体系或树脂溶液、及助剂混合溶液中，使树脂和助剂渗透入木材或竹材的细胞以及细胞孔隙中；将半成品组坯，进行高压密实和高温固化制备得到高强度复合材料。本发明专利技术克服了现有人造板中因孔隙等造成的应力集中问题，制备得到的新型结构复合材料具有良好的力学性能、阻燃性能，大大推动了木材在飞机、高铁、建筑等结构领域的应用。

Preparation method of wood bamboo reinforced resin composites based on high pressure compactness

The invention relates to a preparation method of Wood-bamboo reinforced resin composite material based on high pressure densification, which belongs to the field of composite materials and wood-based panels. The lignin and hemicellulose of wood veneer, wood board or bamboo sheet are partially removed by chemical reagent, and the chemical reagent is removed by water. The water is replaced by ethanol or acetone. The water is put into the mixed solution of resin system or resin solution with flame retardant, diluent and/or toughener additives, or in turn. In the resin system or resin solution, and the mixed solution of resin and additives, the resin and additives penetrate into the cell and cell pore of wood or bamboo, and the semi-finished products are compacted under high pressure and cured at high temperature to prepare high strength composite materials. The invention overcomes the problem of stress concentration caused by pore in existing wood-based panels, and the new structural composite material prepared has good mechanical properties and flame retardant properties, which greatly promotes the application of wood in the structural fields of aircraft, high iron, building, etc.

【技术实现步骤摘要】
基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法
本专利技术涉及到一种基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，利用木材或竹材作为增强体，制备新型高强度结构复合材料，该材料可应用于飞机、高铁、建筑等高强度结构领域，属于复合材料和人造板领域。
技术介绍
纤维增强树脂基复合材料是由增强纤维材料与树脂经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料，由于其具有比强度高、比模量大、性能可设计性、耐久性能好等特点使得该材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，越来越广泛地应用于飞机、高铁、建筑运动器材等结构领域中。常用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维等，玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的；碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。两种纤维在制备过程中需要消耗大量的能源而且制备工艺复杂，此外，碳纤维主要由煤焦油、石油沥青等物质加工生产而得，这类资源属于不可再生资源，因此，限制了碳纤维和玻璃纤维未来的发展。近年来，新型绿色材料的发展逐渐成为人们关注的焦点，而且国家明确提出绿色发展的理念。纳米纤维素是一种纳米尺寸的纤维素微纤聚集体，由于具有高强度、高模量、高比表面积、可生物降解及制备原料丰富等优点，受到越来越多研究者的关注，被广泛应用于增强复合材料中。利用纳米纤维素代替传统无机纤维等来树脂，一定程度上顺应环保的要求，减少环境污染，同时，还回避了应用无机纳米填料可能诱发的安全和健康问题。然而，纳米纤维素的制备过程及其复杂，耗能耗时，而且纳米纤维素存在难以分散及改性效果不明显的问题。木材或竹材作为人类使用最古老的材料之一，是当今四大材料(钢材、水泥、木材和塑料)中惟一可再生、可循环使用的生物质资源。木材是由多细胞组成的具有复杂层状结构和多孔材料特性的天然生物质复合材料，其细胞壁可视为木质素、半纤维素为基质，纤维素为增强相的天然纳米纤维增强层板复合材料，这种复杂的结构特性蕴藏着深刻的材料设计原理，从而赋予木材轻质高强、耐冲击等特性，在高附加值领域理应具有更广泛的应用。当前，木材主要应用于家具制造、造纸制浆、人造板生产等传统领域，产品附加值低，这与木材自身的结构特性极不匹配。因此，结合木材独特优良的特性，设计制造出具有高附加值、高功能化的木质复合材料，将其应用于高科技领域中，对实现木材资源的高效利用具有重大科学意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术基于目前存在的问题，提出一个制备新型绿色复合材料的方案及通过该方法制备得到的新型木竹材(木材、竹材)增强树脂复合材料。采用的工序为“部分脱除木质素和半纤维素-树脂渗透细胞及其孔隙-高压致密高温固化”工序，将木材或竹材中的部分木质素和半纤维素脱除掉，利用剩余的木材或竹材框架作为增强体，热固性树脂作为基体材料，将树脂渗透入木材或竹材框架中，然后通过高压木材或竹材压制成非常致密的坯体材料，然后在高温下固化，从而制备出具有良好力学性能的新型高强度木基结构复合材料。这不仅提高了木质材料的综合利用率，而且还有利于供给侧结构的改革，促进复合材料和人造板行业的转型升级。一种基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)部分脱除木质素和半纤维素工序：将木材单板、木材板材或者竹材片材，采用化学试剂部分脱除木材或竹材中的木质素和半纤维素，用水清洗去除化学试剂，再用乙醇或者丙酮将木材或竹材中的水分置换出来；(2)树脂渗透工序：将阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂等助剂加入到树脂体系或树脂溶液中，搅拌均匀后，将部分脱除木质素和半纤维素的木材或竹材放入树脂和助剂混合溶液中，使树脂和助剂渗透入木材或竹材的细胞以及细胞孔隙中；或者将部分脱除木质素和半纤维素的木材或竹材依次放入树脂体系或树脂溶液、及阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂等组成的助剂水溶液中，使树脂或助剂分次渗透入木材或竹材的细胞以及细胞孔隙中；得到浸渍树脂和助剂的半成品；(3)高温高压制备工序：将多个上述半成品组坯，然后进行高压密实和高温固化制备得到高强度复合材料。步骤(1)中，木材单板是指从木材中径向、弦向或者横向切出来的木板，包括废弃的木板；木材板材是指胶合板等复合板材，包括任何废弃的板材。所述的竹材片材是从竹子切出的片材，竹种包含绿竹、毛竹和慈竹等中的一种或几种。木材单板、木材板材、竹材片材的厚度优选为1mm-500mm。部分脱除木质素和半纤维素的方法是采用NaOH和Na2SO3混合溶液、次氯酸钠酸溶液或者亚氯酸钠酸溶液进行高温浸泡处理。其中，NaOH的浓度优选为1.0-3.0mol/L，Na2SO3的浓度为0.1-1.0mol/L；次氯酸钠酸溶液或亚氯酸钠酸溶液通过将次氯酸钠溶液或亚氯酸钠溶液采用酸溶液调节至pH<7后得到，次氯酸钠溶液或亚氯酸钠溶液的质量浓度为0.1％-20％，采用酸溶液调节后pH为1-7，优选的，pH为3-5；采用的酸溶液可以是硫酸、盐酸或醋酸。高温浸泡处理的温度为40℃-100℃。部分脱除木材或竹材中的木质素和半纤维素是指木材或竹材中木质素和半纤维素的脱除率为≤90％(重量百分比，以下相同)，优选为10％-80％，更优选为20％-70％。用乙醇或者丙酮将木材或竹材中的水分置换是指将木材或竹材采用乙醇或者丙酮浸泡，将木材或竹材中的水置换出来。浸泡时间不做特殊限定，可根据材料的不同厚度调整浸泡时间。优选的，用乙醇或者丙酮将木材或竹材中80wt.％以上的水分置换出来。步骤(2)中，所述的树脂体系为由环氧树脂和固化剂组成的液态体系；所述的固化剂为胺类固化剂，包括聚酰胺、间苯二胺，二苯砜、二苯基甲烷、二乙烯三胺和三乙烯四胺等中的一种或几种混合物。环氧树脂和固化剂混合后为液态，环氧树脂和固化剂组成的树脂体系中，固化剂的加入量为环氧树脂重量的5-40wt.％，即加入固化剂与环氧树脂的重量比为(5-40)：100,优选的固化剂加入量为环氧树脂重量的15-40wt.％。所述的树脂溶液为酚醛树脂水溶液和脲醛树脂水溶液等中的一种或者几种的混合物。所述的树脂溶液的固含量(即酚醛树脂和/或脲醛树脂的质量含量)为5wt.％-40wt.％。所述的环氧树脂是指双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂和酚醛改性环氧树脂等中的一种或几种的混合物。所述的酚醛树脂为浸渍用甲阶酚醛树脂，分子量为100-1500之间。助剂包括阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂等。所述的阻燃剂包括含磷类阻燃剂、含硅类阻燃剂和含氮类阻燃剂等中的一种或者几种混合物。所述的增韧剂包括端羟基液态丁腈橡胶、端羧基液态丁腈橡胶、端羟基液态聚丁二烯和端羧基液态聚丁二烯中的一种或者几种混合物。所述的稀释剂包括丁基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚和聚丙二醇二缩水甘油醚中的一种或者几种混合物。树脂和助剂混合溶液中，阻燃剂的加入量为树脂重量的0-25wt.％，即阻燃剂与树脂的重量比为(0-25)：100，优选加入量为1-25wt.％；增韧剂的加入量为树脂重量的10-20wt.％，即增韧剂与树脂的重量比为(10-20)：100；稀释剂的加入量为树脂重量的10-25wt.％，即稀释剂与树脂的重量比为(10-25)：100。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)部分脱除木质素和半纤维素工序：将木材单板、木材板材或者竹材片材，采用化学试剂部分脱除木材或竹材中的木质素和半纤维素，用水清洗去除化学试剂，再用乙醇或者丙酮将木材或竹材中的水分置换出来；(2)树脂渗透工序：将阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂助剂加入到树脂体系或树脂溶液中，搅拌均匀后，将部分脱除木质素和半纤维素的木材或竹材放入树脂和助剂混合溶液中，使树脂和助剂渗透入木材或竹材的细胞以及细胞孔隙中；或者将部分脱除木质素和半纤维素的木材或竹材依次放入树脂体系或树脂溶液、及阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂组成的助剂水溶液中，使树脂或助剂分次渗透入木材或竹材的细胞以及细胞孔隙中；得到浸渍树脂和助剂的半成品；(3)高温高压制备工序：将多个上述半成品组坯，然后进行高压密实和高温固化制备得到高强度复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)部分脱除木质素和半纤维素工序：将木材单板、木材板材或者竹材片材，采用化学试剂部分脱除木材或竹材中的木质素和半纤维素，用水清洗去除化学试剂，再用乙醇或者丙酮将木材或竹材中的水分置换出来；(2)树脂渗透工序：将阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂助剂加入到树脂体系或树脂溶液中，搅拌均匀后，将部分脱除木质素和半纤维素的木材或竹材放入树脂和助剂混合溶液中，使树脂和助剂渗透入木材或竹材的细胞以及细胞孔隙中；或者将部分脱除木质素和半纤维素的木材或竹材依次放入树脂体系或树脂溶液、及阻燃剂、稀释剂和/或增韧剂组成的助剂水溶液中，使树脂或助剂分次渗透入木材或竹材的细胞以及细胞孔隙中；得到浸渍树脂和助剂的半成品；(3)高温高压制备工序：将多个上述半成品组坯，然后进行高压密实和高温固化制备得到高强度复合材料。2.根据权利要求1所述的基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述的木材单板为从木材中径向、弦向或者横向切出来的木板，木材板材为复合板材，所述的竹材片材是从竹子切出的片材，竹种包含绿竹、毛竹和慈竹中的一种或几种；所述的木材单板、木材板材、竹材片材的厚度为1mm-500mm。3.根据权利要求1所述的基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于：部分脱除木质素和半纤维素采用NaOH和Na2SO3混合溶液、次氯酸钠酸溶液或者亚氯酸钠酸溶液进行高温浸泡处理。4.根据权利要求3所述的基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于：NaOH的浓度为1.0-3.0mol/L，Na2SO3的浓度为0.1-1.0mol/L；次氯酸钠酸溶液或亚氯酸钠酸溶液通过将次氯酸钠溶液或亚氯酸钠溶液采用酸溶液调节至pH<7后得到，次氯酸钠溶液或亚氯酸钠溶液的质量浓度为0.1％-20％，采用酸溶液调节pH为1-7；采用的酸溶液是硫酸、盐酸或醋酸；所述高温浸泡处理的温度为40℃-100℃；部分脱除木材或竹材中的木质素和半纤维素的脱除率为≤90％。5.根据权利要求1所述的基于高压密实化的木竹材增强树脂复合材料的制备方法，其特征在于：所述的树脂体系为由环氧树脂和固化剂组成的液态体系；所述的固化剂为聚酰胺、间苯二胺，二苯砜、二苯基甲烷、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或几种混合物，固化剂的加入量为环氧树脂重量的5-40wt.％；所述的树脂溶液为酚...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐启恒，郭文静，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院木材工业研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11