[发明专利]一种陶瓷化复合木材的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷化复合木材的制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展和应用，人们对材料的性能要求越来越高，木材的一些应用领域被后来兴起的材料所替代，然而当人们认识到材料可持续发展的重要性，提出环境材料的概念时，关注到了木材是一种环境协调性材料，认识到它本质上就具有环境材料的特性，从而使人们重新审视了木材在材料学领域中的地位和作用，为这种古老的材料注入了新的活力和新鲜内容。

木材虽然具有良好的环境协调性和较高的强重比，在应用上具有独特的优势，但是，作为材料，其缺点同样突出，主要表现在：干缩、湿胀、易于变形，在受到水、热、光、微生物作用下易于腐朽，易于燃烧，由于各向异性结构和不可避免的天然缺陷，木材应用的可靠性大大降低，因此，如何改善木材材质，使其既保持良好的环境协调性，又具有良好的力学性能和尺寸稳定性，成为木材材料科研人员追求的目标。

为了改善木材材质，1990年由日本科研人员首次开发出了木材陶瓷，这种木材陶瓷是采用木材在热固性树脂重浸渍后真空炭化而成。木材陶瓷虽然采用典型的烧结工艺，但一般意义的陶瓷材料，如氧化物、硅化物等无机非金属材料根本未介入，事实上它应该属于多孔碳素材料。此外，经过高温炭化后，丧失了天然木材所固有的力学强度和天然质感，而且原料的利用率不高。

后来，人们又开发出了无机质复合木材，通过采用物理、化学或机械的手段处理木材，赋予了木材某种新的功能。所谓无机质复合木材就是以一定的方法将无机物质作为增强体，分散到木材基体中去而获得的一种木材/无机复合材料。具体就是，通过阳离子和阴离子交替扩散浸透到木材空隙中，发生无机反应，生成非水溶性盐而制得。因为填充的无机质可阻止木材的热分解、腐朽真菌丝体的生长和白蚁的侵食等，可获得良好的阻燃性、抗腐朽性和抗蚁性，同时也使木材的强度有一定的提高。但是通过这种方法得到的复合木材的增重率有限，特别是对厚板材处理效果不明显。由于木材空隙中的无机质仅仅是一种简单的物理填充，无机物质本身又是结合松散、表面疏松多孔、并存在有许多裂隙，无机离子会随着木材中水分子的运动而出现逆向渗出，因此这种无机复合木材对木材综合性能的改善并不理想。

近年来，人们发明了木材的溶胶—凝胶陶瓷化处理方法，这种方法以正硅酸乙酯(TEOS)作为陶瓷前驱体浸渍剂的主要成分，在专用设备中将陶瓷前驱体浸渍液注入木材中，注入木材细胞中的陶瓷前驱体经水解、缩合反应形成SiO₂凝胶。研究结果表明，陶瓷化处理后的木材较之未处理材，木材端面硬度提高了20％以上，吸湿率降低了40％，木材密度有所增加，热分解速度降低，热分解温度提高，因而使木材的综合性能得到提高。但是，这种陶瓷化处理方法由于注入木材的陶瓷前驱体溶胶在形成凝胶中水解、缩聚过程缓慢、不完全，因而存在耗能耗时，原料挥发损失严重，形成的SiO₂凝胶抗流失性差，等缺陷，并由此造成陶瓷化木材的重量随时间延长而降低，材料性能随时间延长而劣化。针对这一问题，虽然后来人们采用高盐基度碱式氯化铝，参与陶瓷前驱体溶胶的水解缩聚反应，并引入Al₂O₃，但是Al₂O₃与SiO₂只能起到机械混合作用，不能从根本上解决材料性能稳定的问题。此外，利用木材细胞壁的吸附水与醇盐水解形成溶胶，使木材的增重也非常有限。用甲基丙烯酸甲酯与陶瓷前驱体混合，使有机高分子和无机粒子相互贯穿，从而部分改善陶瓷化木材的性质。但是，无机粒子会使甲基丙烯酸甲酯阻聚。

上述溶胶—凝胶陶瓷化处理方法虽然存在问题，但这种把有机高分子、无机非金属或天然材料通过复合工艺组成复合材料的方式，无疑为木材的陶瓷化处理提供了一条可选择的途径。

[1]杨雨，钱国栋，王民权，《MTES-TEOS先驱液水解—缩聚机理及其凝胶玻璃性能研究》，材料科学与工程200018(3)52-56

发明内容

针对现有木材溶胶—凝胶陶瓷化处理方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种全新的陶瓷化复合木材制备方法，该方法通过先制备溶胶，然后再浸注木材，并引入甲基三乙氧基硅烷(MTES)与正硅酸乙酯(TEOS)共水解，同时将以往的正压浸注改为负压—正压浸注，不但实现了在木材内部凝胶与木材细胞壁的Si-O-C键合，使木材的性能得到彻底的优化和改善，而且加大了溶胶的浸注深度，提高了处理后木材的增重率，从而制备出高强、高韧，并具有良好尺寸稳定性的陶瓷化复合木材。