[发明专利]木材-有机-无机杂化复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法。

背景技术

木材作为一种天然可再生的生物质复合材料，有着独特的天然多孔结构（赋予其高的强重比）、美丽花纹和良好的环境学特性，可被广泛用于家具、装饰、交通和建筑等领域，自古以来就深受人们的喜爱。但木材受环境影响，易干缩湿胀致尺寸不稳，易受菌虫侵蚀致腐朽降解，易受火焰吞噬致燃烧降解，易受气候影响致风蚀光解等，耐久性大大降低；尤其近些年，随着天然优质木材的急剧减少，大量人工林木材材质低劣，力学性能差，致使木材应用受到大幅限制。为改善木材、尤其低质木材的性能以拓宽其应用范围和提高附加值，各种木材—有机聚合物复合材料和木材—无机复合材料应运而生。

木材—有机聚合物复合材料，通常是借助木材的天然多孔结构作为模板，将乙烯类或丙烯酸类可聚合小分子单体如甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（St）、醋酸乙烯酯（VAc）、丙烯腈、丙烯酰胺或低分子聚合物如脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂及异氰酸酯树脂等浸注处理木材，在热催化作用下聚合制得的木材—聚合物复合材料。该类复合材料可明显改善木材的力学性能，但由于单体价格昂贵、毒性较高、易于挥发、转化率低、与木材基质作用力微弱及各种低分子聚合物固化后期仍释放甲醛有毒物质等缺点致使操作不安全，污染环境，复合材料耐久性差，性价比低，应用范围受到限制。

而木材—无机复合材料通常是采用双剂扩散法将两种可溶性无机化合物浸入到木材中，通过化学反应于木材细胞腔或壁中原位沉积形成不溶性无机物，或利用溶胶—凝胶方法将无机化合物如氧化硅、氧化铝等的前躯体浸注入木材多孔结构中，借助木材细胞壁中的结合水或外加水分在酸或碱的催化作用下使溶质水解、醇解原位生成无机化合物，从而最终制得木材—无机复合材料。该复合材料可明显改善木材的热稳定性、尺寸稳定性、防腐性能、耐候性等，但力学性能差，且复合材料制备过程中，存在多余溶剂回收难、污染环境，有机前躯体水解缩聚慢、不稳定等缺点，同样影响了木材的进一步拓展应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法制备的木质复合材料耐久性差、力学性能差的问题，提供了一种木材-有机-无机杂化复合材料的制备方法。

本发明木材-有机-无机杂化复合材料的制备方法如下：一、单体的预聚合：向90ml~100ml四氢呋喃中加入80g~140g可聚合单体和硅烷偶联剂的混合物，可聚合单体与硅烷偶联剂的摩尔比为2~20﹕1，然后加入可聚合单体和硅烷偶联剂混合物质量0.3%~0.4%的引发剂混合均匀后继续搅拌15分钟，再在氮气保护、60℃的条件下聚合70分钟，继续搅拌10分钟，冷却至室温，得到单体的预聚合冷却液；二、稀溶胶的制备:将30~80g有机硅醇烷、去离子水和盐酸的混合液溶于20ml~30ml的四氢呋喃中，混合均匀，然后加入单体的预聚合冷却液，搅拌15分钟，得到稀溶胶，其中有机硅醇烷与去离子水的摩尔比为0.5~70﹕1, 去离子水与盐酸的摩尔比为0.05~25﹕1；三、稀溶胶对木材的浸注：将木材浸入到稀溶胶中，在真空度为-0.08MPa的条件下抽真空20min，再在0.8MPa的压力下加压20min，恢复常压，得到浸注湿木材；四、浸注湿木材的杂化聚合：用铝箔纸或聚乙烯薄膜将浸注湿木材包覆，然后于30℃的条件下加热48小时，再在35℃条件下继续加热48小时，剥除包覆木材的铝箔纸或聚乙烯薄膜，最后将木材在80℃~120℃烘箱内加热处理10小时，即得木材-有机-无机杂化复合材料；步骤一中所述可聚合单体是甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸丁酯（BMA）、甲基丙烯酸-2-羟基乙酯（HEMA）、苯乙烯（St）、醋酸乙烯酯（VAc）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDMA）、四甘醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）、烯丙基缩水甘油醚（AGE）、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）、聚马来酸-邻苯二甲酸-1,2-丙二酯及聚马来酸-邻苯二甲酸-氧联二乙酯中的一种或其中几种的组合；步骤一中所述硅烷偶联剂是γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）、乙烯基三甲氧基硅烷（SG-Si 171）、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷（SG-Si 172）、乙烯基三乙氧基硅烷（SG-Si 151）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷（SG-Si902）或N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（SG-Si900(SG-Si 1122)）；步骤一中所述引发剂是偶氮类引发剂或过氧化物引发剂；所述偶氮类引发剂是偶氮二异丁腈（AIBN）或偶氮二异庚腈（ABVN）；所述过氧化物引发剂是过氧化苯甲酰（BPO）、过氧化十二酰（LPO）、过氧化二碳酸二异丙酯（IPP）、过氧化二碳酸二环己酯（DCPD）、过氧化苯甲酸叔丁酯（TBPB）、过氧化特戊酸特丁酯（BPPD）、过氧化氢二异丙苯（DIP）或叔丁基过氧化氢（TBHP）；步骤二中所述有机硅醇烷是正硅酸乙酯（TEOS）；步骤二中所述盐酸的质量浓度为38%。