一种二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，属于复合材料制造领域及木材加工领域。采用旋切工艺将实木制成单板，对单板进行部分脱除木质素，再将脱除木质素单板同向对齐排列组坯，放入模具中，高温热压促使板坯密实；冷却压机取出板坯，将每层单板分离，然后切成适宜编织的长条形木薄片，即基元单板；将基元单板按照纵横交叉原理进行二维编织；将编织成型的单板表面施加胶黏剂，对齐层叠排列，然后将排列好的组坯板材放入冷压机磨具中，施加高压；将冷压机的模具升温，促使胶黏剂高温固化，待固化完成后，冷却出模，得到复合材料。该复合材料的吸水厚度膨胀率小、尺寸稳定性好、易于加工，有利于推动复合材料绿色化发展。

【技术实现步骤摘要】
一种二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，属于复合材料制造领域及木材加工领域。本专利技术采用自上而下的方法(从木材直接制备高强度复合材料)，容易实施，制作的木基复合材料有非常高的机械强度，而且密度小，单位体积质量轻，在航空航天等各个领域有非常好的应用前景。
技术介绍
随着社会的发展，木塑复合材料虽然兼具塑料和木材的质感两种特性，在很多领域得到广泛地应用，但是其制备方法决定了该材料的力学性能不足，只能作为室内装饰材料应用，而在室外或者作为工业建材使用相对较少，从而导致木塑复合材料应用领域受到了很大的限制。为了解决这个问题，越来越多的科研人员采用各种方法来制备高强度木基复合材料，比如采用木材单板疏解施胶热压形成高强度重组木、木材脱除木质素高压形成超级强度木材、纳米纤维素对齐排列形成高强度纸张等等手段。不管是重组木还是高强度木材，都仅仅解决了木材纵向的强度，而横向强度没法大幅度提高；高强度纸张虽然解决纵横向力学问题，但是采用纳米纤维素为原材料，制备成本高、工艺复杂，不利于工业化生产。
技术实现思路
基于现有技术中存在的问题，本专利技术采用自上而下方法，将木单板制备成新型木基复合材料。首先将旋切的木单板进行脱木质素处理、高温高压促使单板压缩密实，然后将密实的单板裁切成长方条，进行二维编织，再施加胶黏剂高温热压固化得到复合材料。该制备工艺采用压缩密实的木席作为增强体，制备得到的复合材料具有非常高的力学性能，且材料纵横向力学强度相近，克服了传统木基复合材料纵横向力学性能差异大的缺点。该方法有利于推动复合材料绿色化发展，还赋予木材较高的附加值。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)基元单板制备：采用旋切工艺将实木制成单板，对单板进行部分脱除木质素，再将脱除木质素单板同向对齐排列组坯，放入模具中，高温热压促使板坯密实；冷却压机取出板坯，将每层单板分离，然后切成适宜编织的长条形木薄片，即基元单板；(2)二维编织：将基元单板按照纵横交叉原理进行二维编织，包括编织成木席或者纵横交叉层积；(3)编织单板组坯：将编织成型的单板表面施加胶黏剂，对齐层叠排列，然后将排列好的组坯板材放入冷压机磨具中，施加高压；(4)二维编织复合材料热压成型：将冷压机的模具升温，促使胶黏剂高温固化，待固化完成后，冷却出模，得到复合材料。步骤(1)中，所述单板的尺寸：厚度为100μm-5mm，宽度没有特别限定，可根据实际情况设定；所述基元单板的尺寸：宽度为小于等于500mm，厚度为5μm-2mm。所述的部分脱除木质素是脱除掉原始木质素含量的1-50％质量分数。所述的部分脱除木质素，采用的脱除木质素体系为亚硫酸钠+氢氧化钠、次氯酸钠+氢氧化钠或亚硫酸钠+氢氧化钠+蒽醌等组成的水溶液，脱除部分木质素后，加入H2O2脱色和清洗残余物质。在亚硫酸钠+氢氧化钠脱除木质素体系水溶液中，亚硫酸钠的浓度为0.5-2.0mol/L，氢氧化钠浓度为0.10-0.35mol/L。在次氯酸钠+氢氧化钠脱除木质素体系水溶液中，次氯酸钠的浓度为2-15％质量分数，氢氧化钠的浓度为4-20％质量分数。在亚硫酸钠+氢氧化钠+蒽醌脱除木质素体系水溶液中，亚硫酸钠的浓度为15-40％质量分数，氢氧化钠的浓度为4％-20％质量分数，蒽醌的浓度为0.1-10％质量分数。优选的，在木质素脱除剂(指溶质部分)中，亚硫酸钠或次氯酸钠是主要成分，占据各个体系脱除剂总质量的60％以上，氢氧化钠、蒽醌等作为次要组分。所述的部分脱除木质素程序包括将木材单板放入装有脱除木质素体系的高压反应器中，水煮温度为100-200℃，压力为0.1-10MPa，反应时间为10min-4h，然后放入H2O2溶液中水煮≤1h，优选为5min-1h，最后用去离子水冲洗干净。H2O2溶液中，H2O2的质量分数为5-20％。所述的单板同向对齐排列组坯时，要求单板含水，含水率为≤50％，优选为1％-50％(质量％)。将脱除木质素单板同向对齐排列组坯，放入模具中，所述的高温热压时，温度范围是80-200℃；所述的密实是指压缩之后板材密度≥1.3g/cm3，孔隙率≤5％。步骤(3)中，所述的胶黏剂是环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等的一种或几种组合。所述的环氧树脂包含环氧树脂单体和固化剂，其中环氧树脂单体占总质量的70％-95％，固化剂占总质量的5％-30％；环氧树脂单体包括E51或E44，固化剂是指环氧树脂常用胺类固化剂，如聚酰胺、酸酐、二胺或多胺类物质。在单板表面施加胶黏剂时，将环氧树脂均匀涂抹于单板表面；酚醛树脂采用溶液浸渍工艺将胶黏剂施加于单板上；聚丙烯、聚乙烯胶黏剂是将聚丙烯或聚乙烯薄膜或者塑料粉末均匀铺装于单板层间；聚甲基丙烯酸甲酯胶黏剂是将聚甲基丙烯酸甲酯薄膜均匀铺装在单板层间。所述的施加胶黏剂，胶黏剂总量占复合材料总质量的10-30％。所述的浸渍工艺中，将酚醛树脂溶液稀释成浓度为10-25％(质量分数％)的溶液，然后将木单板放置于溶液中1-60s，取出后将含胶单板晾干至含水率为3-15％。所述的施加高压，是将板坯压至密度≥1.0g/cm3。步骤(4)中，二维编织复合材料热压成型，所述的环氧树脂类胶黏剂的固化温度为室温(25℃)-200℃；酚醛树脂的固化温度为120-170℃；聚丙烯的固化温度为150-200℃，聚乙烯的固化温度为100-160℃，聚甲基丙烯酸甲酯的固化温度为110-150℃。本专利技术二维编织高强度木基复合材料的制备方法，包括如下工艺步骤：(1)基元单板制备；(2)二维编织；(3)编织单板组坯；(4)二维编织复合材料热压成型的步骤，将压缩密室的木薄片通过二维编织工艺形成的木席作为增强体，制备新型木基复合材料。首先将旋切的木单板进行脱木质素处理，然后将含水单板对齐排列放置于模具中高温高压，促使单板压缩密实。然后从得到的板块中将密实的单板一层一层剥离，再裁切成长方条，进行二维编织成木席。对木席施加胶黏剂高温热压固化得到复合材料。该制备工艺采用压缩密实的木席作为增强体，制备得到的复合材料具有非常高的力学性能，且材料纵横向力学强度相近，克服传统木材纵横向力学性能差异大的缺点。此外，该复合材料的吸水厚度膨胀率小、尺寸稳定性好、易于加工，有利于推动复合材料绿色化发展。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术是一种采用自上而下方法制备二维编织高强度木基复合材料，制备方法简单、材料力学性能高，易于规模化、产业化。以木单板作为原始材料，通过对木单板进行部分脱除木质素和高压密实，从而大大提高了木单板自身的力学性能，进而采用二维编织工艺制备木席来作为增强体，制备得到纵横向力学性能均匀的高强度复合材料，有利于解决了重组木、超级木材等新型木基材料纵横向力学性能差异性较大的问题。(2)本专利技术采用的脱除木质素体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：/n(1)基元单板制备：采用旋切工艺将实木制成单板，对单板进行部分脱除木质素，再将脱除木质素单板同向对齐排列组坯，放入模具中，高温热压促使板坯密实；冷却压机取出板坯，将每层单板分离，然后切成适宜编织的长条形木薄片，即基元单板；/n(2)二维编织：将基元单板按照纵横交叉原理进行二维编织，包括编织成木席或者纵横交叉层积；/n(3)编织单板组坯：将编织成型的单板表面施加胶黏剂，对齐层叠排列，然后将排列好的组坯板材放入冷压机磨具中，施加高压；/n(4)二维编织复合材料热压成型：将冷压机的模具升温，促使胶黏剂高温固化，待固化完成后，冷却出模，得到复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)基元单板制备：采用旋切工艺将实木制成单板，对单板进行部分脱除木质素，再将脱除木质素单板同向对齐排列组坯，放入模具中，高温热压促使板坯密实；冷却压机取出板坯，将每层单板分离，然后切成适宜编织的长条形木薄片，即基元单板；
(2)二维编织：将基元单板按照纵横交叉原理进行二维编织，包括编织成木席或者纵横交叉层积；
(3)编织单板组坯：将编织成型的单板表面施加胶黏剂，对齐层叠排列，然后将排列好的组坯板材放入冷压机磨具中，施加高压；
(4)二维编织复合材料热压成型：将冷压机的模具升温，促使胶黏剂高温固化，待固化完成后，冷却出模，得到复合材料。


2.根据权利要求1所述的二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，其特征在于：所述单板的厚度为100μm-5mm；所述基元单板的宽度为≤500mm，厚度为5μm-2mm。


3.根据权利要求1所述的二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的部分脱除木质素是脱除掉原始木质素含量的1-50％；所述的部分脱除木质素采用的脱除木质素体系为：亚硫酸钠+氢氧化钠、次氯酸钠+氢氧化钠或亚硫酸钠+氢氧化钠+蒽醌组成的水溶液，脱除部分木质素后，加入H2O2脱色和清洗残余物质。


4.根据权利要求3所述的二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，其特征在于：亚硫酸钠+氢氧化钠水溶液中，亚硫酸钠的浓度为0.5-2.0mol/L，氢氧化钠浓度为0.10-0.35mol/L；次氯酸钠+氢氧化钠水溶液中，次氯酸钠的质量浓度为2-15％，氢氧化钠的质量浓度为4-20％；亚硫酸钠+氢氧化钠+蒽醌水溶液中，亚硫酸钠的质量浓度为15-40％，氢氧化钠的质量浓度为4％-20％，蒽醌的质量浓度为0.1-10％。


5.根据权利要求4所述的二维编织绿色环保高强度木基复合材料的制备方法，其特征在于：在木质素脱除剂中，亚硫酸钠或次氯酸钠是主要成分，占据各个体系脱除剂总质量的60％以上，氢氧化钠和/或蒽醌作为次...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐启恒，郭文静，高黎，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院林业新技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11