[发明专利]一种氧化石墨烯木基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物基材料科学与技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯木基复合材料的制备方法。

背景技术

随着国家对生态环境的重视、对林业的调整，天然林已经禁止采伐，现在乃至将来，天然林木材将越来越少。发展人工林，尤其是速生的人工丰产林，满足国民经济发展对木材的需求将是一个趋势。我国属于少林国家，木材资源缺乏，天然林少，人工林逐渐增加。人工林木材具有材质疏松、密度低、幼龄材含量高和干燥易开裂变形等缺陷，以及我国对人工林木材生产经验的不足等原因，目前人工林木材的应用主要集中在木片、纸浆以及卫生筷、电线杆、枕木等产品的生产，其中部分产品对木材的利用率、附加值低。如北方大力发展的杨树木材，材质松软，主要用作纸浆材。我国的木材消费量很大，而又是木材资源相对短缺的国家之一，供需矛盾日益突出，为缓解我国木材消费的压力，人工林木材的合理使用已经成为一个重要的途径，目前我国的人工林保存面积为6168万公顷，居世界第一位，其木材在建筑用材、家具用材等领域都具有广泛的应用前景。作为天然林的重要补充资源，我国人工速生林商品材发展迅猛，目前我国主要速生树种包括：杨树、马尾松、落叶松、桉树、杉木、泡桐、樟子松等。在人工林中，杉木、马尾松、杨树等3个树种面积所占比例达59.41%。因此，合理利用人工速生林是破解木材需求的刚性增长与木材供给的制约这对矛盾的有效途径。木材是一种三维的天然高分子复合体，构成它的细胞壁的主要成份--纤维素、半纤维素和木素都含有大量的羟基，羟基和其它吸水性基团的存在导致了木材随含水率的变化尺寸发生变生。但这些吸水基团同样为木材的功能型改良提供了有效的基点，木材的化学改性大都是通过和羟基的反应来完成的。

氧化石墨烯具有单层结构，也被称为功能化石墨烯，可以由氧化石墨剥离制得。它的结构与石墨烯大体相同，但其表面接有大量的氧化官能团，如羧基，羟基，环氧基，羰基等。位于石墨烯表面上的是羟基和环氧基，而羰基和羧基则位于石墨烯的边缘处。氧化石墨烯通常为棕色粉末，由于其表面和边缘被大量的含氧官能团以共价键的方式修饰，所以它是sp²和sp³杂化碳原子的混合体。虽然氧化石墨烯的结构不完整，具有较大的缺陷，但仍保留了较高的力学性能，其拉伸模量可达32 GTPa。同时，氧化石墨烯具有良好的自恢复能力及抗裂纹扩展能力，可广泛应用于自修复材料及其高抗撕裂材料领域。在氧化石墨烯中，大量含氧基团的介入打破了石墨烯完美的共轭结构，使氧化石墨烯成为了一种绝缘无序的类石墨烯材料，但却赋予了它一定的亲水性，易溶于强极性溶剂，如水、醇等。这就为氧化石墨烯水溶胶改性速生材提供了理论基础。因此，使用氧化石墨烯来改性速生材使之形成木基复合材料，会使其使用性能得到显著的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服有机树脂改性木材毒性大，有特殊异味，易流失的缺陷，显著提高改性材的尺寸稳定性和力学性能的氧化石墨烯木基复合材料的制备方法。

本发明的一种氧化石墨烯木基复合材料的制备方法，按以下步骤进行：

（1）将氧化石墨烯水溶胶于功率0.1 ~ 1000 kW下超声分散10 min ~ 20 min，氧化石墨烯水溶胶中氧化石墨烯的固含量为0.25 ~ 1 wt%，wt%表示质量百分数；

(2) 按照质量百分比称取10% ~ 30%的超声后的氧化石墨烯水溶胶分散于去离子水中，向上述溶液中加入木材膨胀剂、酯化反应催化剂、固化剂，混合后于功率0.1 ~ 1000 kW下超声分散10 min ~ 20 min，得到氧化石墨烯木材改性剂；

(3) 将速生材生材置于真空加压浸渍装置中 ，控制真空度为-0.001 ~ 0 MPa，压力为0 ~ 3.0 MPa，抽真空10 min ~ 30 min，然后将氧化石墨烯木材改性剂脉冲加压浸渍到木材中，加压浸渍时间为2.5 h ~ 3 h；

(4) 将步骤（3）反应得到的浸渍改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性剂，先置于大气环境中自然风干，然后置于干燥窑中进行梯度升温干燥，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子与木材发生原位聚合反应，即得氧化石墨烯木基复合材料。

所述的木材膨胀剂为尿素,且尿素所占氧化石墨烯木材改性剂的质量百分比为：10% ~ 30%。