一种高强度各向异性气凝胶型木材结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种高强度各向异性气凝胶型木材结构及其制备方法。该方法将原木木材按横截面或纵切面方向切成木块，并通过纯化、干燥工艺进行预处理，保持含水率为5～50％；所得木块浸没在木材溶解体系中；将浸润后的木块超声处理，使细胞腔内壁上纤维部分溶出并填充到细胞腔孔道内；将溶解后的木材置于再生溶剂中再生处理0.1～100小时；将所得的木块置于置换溶剂中，干燥处理，得到气凝胶型木材。本发明专利技术所述的气凝胶型木材结构在保留了木材原有的各向异性微通道的同时，在微通道内又填充了大量尺寸在100nm以内的纳米网络；所制得的气凝胶型木材结构的弹性模量为156.2

【技术实现步骤摘要】
一种高强度各向异性气凝胶型木材结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种气凝胶型木材，特别是涉及一种原位生成纳米纤维网络的高强度各向异性气凝胶型木材结构及其制备方法，属于新材料


技术介绍

[0002]木材是一种广泛存在，具有独特美感、强大机械性能以及优良各向异构材料特性，并且可再生和环境友好的生物质结构基材，长久以来被人们用来建筑房屋、装饰及制作家具等，近年来，由于其独特天然的各向异构结构和天然的多孔性，其在生物工程、柔性电子、清洁能源和环境等领域获得了广泛的研究。木材本身是一种天然的多孔结构，主要由纤维素、半纤维素和木素组成，其中纤维素为骨架物质，半纤维素为填充物质，而木素则为粘结物质，三者相互交织、按照一定的排列方式组成了树木的多层结构。在树木生长过程中，土壤中的水分、离子以及其它营养物质沿着其生长方向上的各向异性微通道运输到各个部位。而这些各向异性的微通道在微流体动力学等领域具有很大的应用潜力。但是天然木材空腔的尺寸一般都较大，使得木材内部的毛细管力较小及比表面积较小，在一定程度上阻碍着木材的功能化应用。
[0003]气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体，但本质上不改变凝胶本身的网络结构或体积的特殊凝胶，是水凝胶或有机凝胶干燥后的产物，具有孔隙率高、比表面积大、密度小、隔音隔热性好、独特的三维网络结构等特点。纤维素气凝胶作为新生的第三代材料，超越了硅气凝胶和聚合物基气凝胶，在具备传统气凝胶特性的同时融入了自身的优异性能，如良好的生物相容性和可降解性。传统纤维素气凝胶的制备是先将纤维素进行溶解制备成均一的纤维素溶液(纤维素分子束在其中成均匀无序分布状态)，再通过溶胶
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凝胶、溶剂置换等步骤制得纤维素凝胶，最后通过冷冻干燥或者超临界干燥技术得到纤维素气凝胶，整个过程纤维素溶胶在无模板的条件下进行，纤维素分子链呈三维无序分布，最后在冷冻干燥或者临界干燥的时候，在超低压(一般小于610.5bar)的作用下，处于冷冻状态下的纤维素溶液中的溶剂直接升华，相邻分子链上的氢键发生结合，形成三维无序孔结构，又由于在毛细管压力的作用下导致纤维素分子束在干燥过程中产生剧烈缠节，使制得的纤维素气凝胶过度收缩而产生裂纹、变形，又由于纤维素气凝胶中纤维素分子链之间是通过氢键的物理结合，结合力弱、遇水容易断裂，并且缺乏木素等结构材料的粘结和支撑，这些导致了维素气凝胶在使用过程中强度低、易碎易变形。
[0004]目前由于纤维素气凝胶的优异特性，其在可充电电池、离子
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电子导体、超级电容器、声阻抗辐合材料、催化剂及载体、气体过滤材料、超级高效隔热材料等领域获得了广泛关注。但是现有技术制得的纤维素气凝胶内部孔结构均处于无序状态，这种无序孔结构气凝胶无法实现定向的传质、传热等功能，对拓宽其发展及其性能的提高有一定的限制。而结构有序的纤维素气凝胶不仅具有上述纤维素气凝胶的优异性能，还表现出性能各向异性的特性。这一特性在实际应用中具有更重要的应用意义和广阔的应用前景。
[0005]中国专利技术专利CN201310294233.2公开了一种球形纤维素气凝胶的制备方法：植物
纤维放入尿素与NaOH的混合溶液中，冷冻后搅拌成溶液，得到植物纤维/碱脲溶液；三氯甲烷与乙酸乙酯混合，再加入冰醋酸得到有机溶液；植物纤维/碱脲溶液滴定到冰醋酸的有机溶液中，老化后得到凝胶；凝胶放入冰醋酸溶液中固化；依次通过无水乙醇和叔丁醇对水凝胶进行置换，冷冻后经冷冻干燥得到气凝胶。该专利技术克服了气凝胶在干燥过程中发生结构塌陷和体积收缩的现象，制出的纤维素气凝胶具有低密度和高比表面积。但是，该专利技术所制得的纤维素气凝胶以植物纤维为原料，而植物纤维的制备较为复杂，制备工艺成本较高，而且所制备的纤维素气凝胶的纳米网络结构均处于无序状态导致材料的定向传质传热效率低，同时纤维素气凝胶还存在强度低、易塌陷变形等缺陷，使得其应用受限。
[0006]中国专利技术专利申请201911092193.7公开了一种电容式传感器材料及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：采用酸碱性溶液处理木材，再将其经充分水洗后浸入叔丁醇中置换木材中的去离子水，再将浸泡过叔丁醇的木材进行冷冻干燥得到木材气凝胶。对比天然木材，该专利技术通过酸碱腐蚀的方法有效的增加了木材的孔隙率、减小了木材的密度值，并很好地保留了木材从上到下的各向异构微通道。但是，该专利技术技术所制备的木材气凝胶并未成功地在木材微通道内部均匀地原位生成纳米纤维网络结构，未能实现纤维素气凝胶纳米网络结构和木材各向异构微通道结构的结合。由该专利技术所制备的木材气凝胶的孔隙率及比表面积还远远小于纤维素气凝胶的孔隙率及比表面积，而且由于酸碱的腐蚀处理还导致了木材内部纤维束与纤维束之间的分离，从而导致所得的木材气凝胶的强度并不理想。

技术实现思路

[0007]针对现有技术气凝胶存在的高比表面积和高孔隙率与其结构强度提高的矛盾，本专利技术提供了一种在木材微通道内原位生成纳米纤维网络的气凝胶型木材结构及其制备方法，改善气凝胶网络结构无序性的问题、提高木材孔隙率、比表面积及充分发挥木材从上到下微通道各向异构特性的优异性能。
[0008]本专利技术技术以天然木材微通道为模板，利用冰模板法，在超低温条件下，使纤维素分子链之间的溶剂冰晶沿着木材微通道方向生长，实现定向冷冻干燥和纤维素气凝胶在木材微通道模板中的复合，从而制备出具有各向异性的气凝胶型木材。本专利技术通过溶剂可控溶解的策略实现对木材孔道内壁纤维原位润胀、部分溶解及分散从而得到含纤维素溶胶的木材结构，控制溶胶的物理交联点在木材空腔内形成具有三维结构纤维水凝胶，之后对其进行溶剂置换，最后再通过干燥工艺去除大部分的水分，在木材空腔内原位生成丰富的具有三维结构的纳米纤维网状结构。
[0009]本专利技术目的通过如下技术方案实现：
[0010]一种高强度各向异性气凝胶型木材结构的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
[0011]1)木材的备料：将原木木材按横截面或纵切面方向切成木块，并通过纯化、干燥工艺进行预处理，保持含水率为5～50％；
[0012]2)木材溶剂浸润：将步骤1)所得木块浸没在木材溶解体系中；
[0013]3)含纤维素溶胶木材结构的制备：将浸润后的木块超声处理，使细胞腔内壁上纤维部分溶出并填充到细胞腔孔道内；
[0014]4)含纤维水凝胶木材结构的制备：将步骤3)溶解后的木材置于再生溶剂中再生处
理0.1～100小时；
[0015]5)气凝胶木材的制备：将步骤4)所得的木块置于置换溶剂中1～10小时，干燥处理，得到气凝胶型木材。
[0016]为进一步实现本专利技术目的，优选地，步骤1)中，所述的原木为针叶木、阔叶木材中的一种；
[0017]所述的木块的高度为0.1～50mm，长、宽为0.1～5000mm；
[0018]优选地，步骤1)中，所述的纯化为40～60℃乙醇浴0.5～3小时，再在丙酮与乙醇混合溶液中静置3～10小时或者是在乙醇溶液中超声处理1～8小时。
[0019]优选地，所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度各向异性气凝胶型木材结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：1)木材的备料：将原木木材按横截面或纵切面方向切成木块，并通过纯化、干燥工艺进行预处理，保持含水率为5～50％；2)木材溶剂浸润：将步骤1)所得木块浸没在木材溶解体系中；3)含纤维素溶胶木材结构的制备：将浸润后的木块超声处理，使细胞腔内壁上纤维部分溶出并填充到细胞腔孔道内；4)含纤维水凝胶木材结构的制备：将步骤3)溶解后的木材置于再生溶剂中再生处理0.1～100小时；5)气凝胶木材的制备：将步骤4)所得的木块置于置换溶剂中1～10小时，干燥处理，得到气凝胶型木材。2.如权利要求1所述的高强度各向异性气凝胶型木材结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的原木为针叶木、阔叶木材中的一种；所述的木块的高度为0.1～50mm，长、宽为0.1～5000mm。3.如权利要求1所述的高强度各向异性气凝胶型木材结构的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的纯化为40～60℃乙醇浴0.5～3小时，再在丙酮与乙醇混合溶液中静置3～10小时或者是在乙醇溶液中超声处理1～8小时。4.如权利要求3所述的高强度各向异性气凝胶型木材结构的制备方法，其特征在于，所述的丙酮与乙醇混合溶液中丙酮与乙醇的质量比为1:1～10。5.如权利要求1所述的高强度各向异性气凝胶型木材结构的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的木材溶解体系为离子液体溶解体系、氨氧化物溶解体系、DMAC/LiCl溶解体系或碱脲水溶解体系。6.如权利要求5所述的高强度各向异性气凝胶型木材结构的制备方法，其特征在于，所述的离子液体溶解体系1
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甲基
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丙烯基咪唑或1
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甲基
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丁基咪唑；氨氧化物溶解体系为86.7wt％N
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甲基吗啉
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N氧化物；所述的DMAC/LiCl溶解体系中LiCl含量为2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘德桃，李杨，沈浩宇，吴培琳，段雨龙，崔结东，刘超城，钱志云，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：