基于木材的微纳/三维碳骨架材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及木材表面改性材料制备技术领域，尤其是涉及基于木材的微纳/三维碳骨架材料及其制备方法和应用，首先使用纳秒激光，通过偏离焦平面的加工方式，直接在木材表面加工出碳化三维骨架结构，在快速制备三维碳骨架结构的同时，不需要任何化学处理和特殊环境氛围，有效地解决了传统激光器对木材碳化产生的损伤，而且能够精准的在木材表面特定区域制备出三维碳骨架结构；继而使用飞秒激光对三维碳骨架结构表面进行加工，在三维碳骨架结构表面诱导出纳米条纹和纳米颗粒结构，形成表面覆盖纳米条纹和纳米颗粒的三维碳骨架结构，进一步增强三维碳骨架结构表面的吸收率，有效解决了化学原位沉积和表面涂覆稳定性和均一性较差的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于木材的微纳/三维碳骨架材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及木材表面改性材料制备
，尤其是涉及一种基于木材的微纳/三维碳骨架材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]木材是地球上资源最丰富的天然材料之一，因其便捷的来源、良好的加工性以及机械性能而受到广泛的关注。其内部为树木输送养料和水垂直排列的微孔道赋予了木材各向异性和多孔结构，而木材在碳化后依旧能够保留木材管胞固有的三维定向碳骨架。木材衍生碳保留结构的同时展现出了优异的光电性能和结构稳定性，不仅可以应用于界面水蒸发器件，还可以应用于其他微纳光学器件。
[0003]目前，基于木材构建三维碳化骨架结构的方法，主要先通过纤维自组合或木材脱木质形成三维骨架结构，然后通过高温焙烧的方式使纤维转化为碳纤维，从而制备成三维碳化结构。这些方法需要通过化学处理脱去木材的木质素、冻干设备冷冻脱水处理形成三维骨架结构，还需要特定的高温无氧环境实现纤维碳化。而碳化的过程不仅需要较长的时间，而且还需要有惰性气体的氛围环境。
[0004]针对化学处理方法的弊端，通过激光对木材进行碳化也是一个高效、低成本的方法。但是传统激光对木材的碳化，不仅会对表面造成较大的损伤，而且无法形成三维碳化结构，以至于无法真正的将木材转化为实用的碳基三维骨架结构的微纳功能器件。
[0005]此外，为进一步提高三维碳骨架结构的吸收率，需在三维碳骨架结构的表面构建纳米结构，现有技术中主要通过化学原位沉积纳米颗粒或外表面涂覆高吸收率的纳米颗粒，这些处理方式存在操作复杂、加工成本高、无法均匀稳定负载和难以规模化应用等的问题。
[0006]针对上述问题，本专利技术提出了一种基于木材构建三维碳骨架材料，并在三维碳骨架结构表面构建纳米结构的方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于木材的微纳/三维碳骨架材料及其制备方法和应用，使用纳秒激光对木材进行处理，实现了三维碳化骨架结构的一步诱导，同时没有对木材造成额外的碳化损伤，继而使用飞秒激光对三维碳骨架结构表面直接加工，进一步在表面诱导出纳米条纹和纳米颗粒结构，该制备方法无需复杂的工艺，高效环保。
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种基于木材的微纳/三维碳骨架材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]使用纳秒激光在木材表面加工出三维碳骨架结构，再使用飞秒激光对三维碳骨架结构表面进行加工，在三维碳骨架结构表面诱导出纳米结构，得到微纳/三维碳骨架材料。
[0010]本专利技术首先使用纳秒激光，通过偏离焦平面的加工方式，在桧木木材表面加工出三维碳骨架结构，在此基础上继续使用飞秒激光对三维碳化结构表面进行加工，在三维碳
骨架结构表面诱导出纳米条纹和纳米颗粒结构，形成了表面覆盖纳米条纹和纳米颗粒的三维碳化骨架结构。本专利技术在快速制备三维碳化结构的同时不需要任何化学处理和特殊环境氛围，有效地解决了传统激光器对木材碳化产生的损伤，而且能够精准的在木材表面特定区域制备出碳化三维骨架结构，与此同时，纳米条纹和纳米颗粒的形成进一步增强了骨架结构表面的吸收率，提高了其光热转化性能。
[0011]作为本技术方案优选地，在对木材进行纳秒激光处理之前，对木材进行干燥脱水处理，以解决湿度较高的木材在纳秒激光碳化过程中出现碳化不均匀、木材扭曲变形、爆裂等现象；
[0012]本专利技术对于干燥的具体条件不作严格限定，为减少木材开裂和变形等干燥缺陷，提高干燥后木材的质量，本专利技术在对木材进行干燥脱水处理时，优选将尺寸为10mm
×
10mm
×
1mm的木材置于60
‑
80℃下处理36
‑
60h，以将木材的含水率控制在10
‑
12％以内为宜。
[0013]需要注意的一点，本专利技术所使用的木材可以为榉木，松木等，但优选为桧木木材。
[0014]作为本技术方案优选地，在使用纳秒激光对干燥后的木材进行处理时，优选使用中心波长为355nm，重复频率为180
‑
220kHz的纳秒激光，其中，重复频率优选为200kHz。
[0015]作为本技术方案优选地，在使用飞秒激光对具有三维碳骨架表面结构的木材进一步加工时，优选使用中心波长为800nm，重复频率为0.5
‑
2kHz的飞秒激光，其中，重复频率优选为1kHz。
[0016]为进一步减少激光器对木材碳化时产生的损伤，在使用纳秒激光对木材表面进行处理时，将木材置于焦平面偏离焦点正上方5mm处，以精确的在木材表面特定区域构建三维碳化骨架结构。
[0017]本专利技术对于纳秒激光处理的条件不作严格限定，研究表明，在使用纳秒激光处理时，控制工作电流为40
‑
50A，扫描速度为4
‑
6mm/s，扫描间距为0.03
‑
0.05mm，可在木材表面构建出尺寸、形状较为完善均一的三维碳骨架结构，并且在工作电流为45A，扫描速度为5mm/s，扫描间距为0.04mm，加工区域为10mm
×
10mm时，效果最佳。
[0018]本专利技术在使用飞秒激光对木材表面进行处理时，首先将木材置于飞秒激光加工平台上，飞秒激光系统输出的飞秒脉冲激光经过聚焦物镜聚焦在样品上，通过飞秒激光线扫描，实现对三维碳骨架结构表面纳米结构的诱导，进而方便快速的在木材三维碳骨架结构的表面构建大面积规则分布的纳米颗粒和纳米条纹的结构，以进一步提高三维碳骨架结构材料的光热转化效率和温度，赋予其优异的光热转化性能。
[0019]而本专利技术对于飞秒激光处理的条件不作严格限定，研究表明，在使用飞秒激光处理时，控制加工功率为4.5
‑
5mV，扫描速度为0.8
‑
1.2mm/s，扫描间距为0.03
‑
0.05mm，可在三维碳骨架结构表面构建均一稳定的纳米条纹和纳米颗粒，并且在加工功率为4.7mV，扫描速度为1mm/s，扫描间距为0.04mm，加工区域为10mm
×
10mm时，效果最佳。
[0020]第二方面，本专利技术提供了上述方法制备得到的基于木材的微纳/三维碳骨架材料，也理应属于本专利技术的保护范围。
[0021]第三方面，本专利技术还提供了上述方法制备得到的基于木材的微纳/三维碳骨架材料的应用，具体为微纳/三维碳骨架材料在微纳功能器件中的应用，并且优选为微纳/三维碳骨架材料在光热转换器件中的应用。
[0022]研究表明，在1sun持续30min的光照下，本专利技术的微纳/三维碳骨架材料的光热转
换温度为70
‑
75℃，并且，表面构建有纳米条纹和纳米颗粒结构的三维碳骨架材料，相比于仅具有三维碳骨架结构的材料光热转换效率提高了近200％，因此，本专利技术制备得到的微纳/三维碳骨架材料具有优异的光热转换性能。
[0023]本专利技术的基于木材的微纳/三维碳骨架材料的制备方法，至少具有以下效果：
[0024]1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于木材的微纳/三维碳骨架材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：使用纳秒激光在木材表面加工出三维碳骨架结构，再使用飞秒激光对三维碳骨架结构表面进行加工，在三维碳骨架结构表面诱导出纳米结构，得到微纳/三维碳骨架材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在对木材进行纳秒激光处理之前，对木材进行干燥脱水处理；优选地，所述干燥脱水处理时，将木材置于60
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80℃下处理36
‑
60h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳秒激光的波长为355nm，重复频率为180
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220kHz。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述飞秒激光的波长为800nm，重复频率为0.5
‑
2kHz。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用纳秒激光对木材表面进行处理时，将木材置于焦平面偏离焦点正上方5mm处。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳秒激光处理时，控制工作电流为40
‑
50A，扫描速...

【专利技术属性】
技术研发人员：张成云，刘海文，李林怡，关紫晴，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：