[发明专利]一种高强度木材及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度木材及其制备方法。该高强度木材由木材细胞单元紧密排布形成的致密微结构，木材细胞单元是由纳米纤维素纤维及木质素构成的实心结构，木质素的含量范围为0％～90％。本发明制备方法为：首先通过去除木质素的工艺，获得部分去除木质素的木材；然后用化学溶液处理木材的纤维，最后用水清洗去除样品中的化学残余，干燥后获得高强度木材。该高强度木材在密度和力学上有极大的提高，其制备方法原料广泛，制备步骤简单，成本低等特点，极大的扩大了木材的应用范围。

技术领域

本发明涉及一种力学强度超高的木材及其制备方法，属于人工微结构材料、生态材料及其制备技术。

背景技术

木材因其优异的性能和自然友好性，成为传统应用方面使用最广的材料，包括家居、建筑、船舶、运输等等。但是木材因不可避免的生长缺陷，兼顾生命需求等原因，很难实现在单一性能上的极限要求，因此木材受限于承担较高力学要求的应用，尤其是在许多先进工程结构应用中并不理想。钢、合金等是目前工程结构应用最多的力学优异的材料，但其制备工艺复杂、成本很高，再加上环境污染的恶化，所以一种环境友好、可承受较大的强度和不利环境的超轻超强材料被迫切需要。

木材由具有空腔的厚壁细胞单元构成，其细胞壁主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素分子链平行排列，构成几个纳米级的基本纤丝，基本纤丝再组成几十个纳米级的微纤丝，木质素主要聚集在这些纤维的空隙中。受缺陷以及木材非均质和各向异性的特点影响，木材并不是一个力学性能特别优异的材料，一般木材强度只有几十个兆帕，譬如椴木顺纹抗拉强度仅有70多兆帕。但其中的纳米纤维素纤维力学强度约几十个GPa，因此木材是最有潜力实现上述需求的材料。

目前提高木材力学强度和均匀性主要通过压缩木材，木束纤维胶粘或者与其它材料复合。譬如由木单板或者刨花通过胶合成多层板或刨花板；还有从木材中获取粗纤维，然后通过湿法或者干法制备成高密度的纤维板等等。由于加入了胶等物质，大大影响了其环境友好性。而采用淀粉等环境友好的胶粘结植物纤维形成的块材，不仅成本高，而且容易霉变。还有一种通过木材软化或者去除木质素后通过某一方向的压缩形式获得力学性能超高的木材，此类材料受压缩形式的限制，且牺牲了压缩方向的力学性能，力学性能不是很均匀，不利于生产和应用。

如果通过对木材中微纳纤维的调控，不添加其他物质，只通过调控细胞壁内多级微纳纤维间的相互作用来重新构筑超轻超强木材，极大地增强木材的力学强度，减少缺陷，可以让木材在现代工程应用中尤其是需要超轻超强力学要求场所，有更广阔的应用前景。

发明内容

针对以上现有技术，本发明的目的是提供一种高强度木材及其制备方法。

本发明的木材采用的技术方案为：

一种高强度木材，该木材由木材细胞单元紧密排布形成的致密微结构，所述木材细胞单元是由纳米纤维素纤维及木质素构成的实心结构，所述木质素的含量范围为0％～90％。

进一步地，所述木材的密度为1.2-1.6g/cm³，顺纹抗拉强度为350MPa-900MPa，抗弯强度为300-600MPa，肖氏硬度D为65-85。

进一步地，所述木材的种类为针叶材或者阔叶材。

本发明一种高强度木材的制备方法，包括以下步骤：

(1)将木材用A处理溶液处理20分钟到72小时，去除部分木质素，木质素去除的含量为10％—100％；所述A处理溶液为强碱溶液、亚硫酸钠溶液、双氧水溶液或高温水蒸煮液；

(2)再用B处理溶液处理30分钟到48小时，使得木材中木材细胞单元的纳米纤维素纤维发生溶胀；所述B处理溶液为碱/尿素混合溶液、氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺溶液、离子液体、铜氨溶液或者N-甲基吗啉-N-氧化物溶液；

(3)将步骤(2)得到的块材用水清洗去除溶液残留物，干燥后，木材整体收缩，即可获得所述高强度木材。