陶瓷复合木材前驱液及其制备方法 【技术领域】
一种陶瓷复合木材前驱液及其制备方法，此陶瓷复合木材前驱液可以用来制备强化复合木材，属于建筑材料中复合强化木材的制备技术领域。
背景技术
随着社会的进步和发展，人类对木材的需求量也越来越大，但是随着优质林数量的萎缩和世界各国对自然环境保护力度的加强，优质木材的供应量出现了严重不足。而人工速生林木材虽然数量巨大，但其各方面性能和天然优质木材相比有很大的差距，使其只能在局部领域的非关键部位进行应用，不能弥补天然优质木材供应量减少所带来需求缺口，在这种情况下，如何对人工速生林木材进行改性处理，提升其各方面的性能，使之取代天然优质木材在工农业生产中的应用，就成为当今人们研究的课题之一。
为了解决上述问题，人们提出用浸注处理的方法，采用有机前驱液或无机前驱液对木材进行浸注处理，以提高木材的强度、硬度、韧性以及耐磨性、耐水性、阻燃性等各方面的性能。
在现有技术中，有单纯采用各种有机前驱液对木材进行浸注处理的，所制得的木塑复合材，其各项性能指标已得到了广泛的认可，国内外也均已有采用这种方法进行规模化生产的厂家。但单纯采用有机前驱液也有缺点，它的原料成本高，浸注处理时所采用的控制工艺复杂，使得生产出来的木塑复合材的价格一直居高不下，阻碍了其广泛应用；也有人尝试采用浸注法对木材进行单纯的无机材料填充处理，并取得了一定成果，所制得的陶瓷木材在硬度方面有相当的提高，其缺点是韧性比较差。申请号991006852专利曾报导了一种采用化学方法用陶瓷前驱体制备陶瓷复合木材的方法，但这种方法制备的陶瓷复合木材增重率较低，脆性较大，而且形成地SiO2凝胶抗流失性差，导致材料的尺寸稳定性较差。
【发明内容】
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种有机/无机混合前驱液，此前驱液原料成本较低，易于获得，且制作方法简单，使用此陶瓷复合木材前驱液制备强化复合木材的控制工艺简单，所制备出来的复合木材成本低廉，性能优良。
本发明提供的陶瓷复合木材前驱液，其特征在于，包括无机组分、有机组分、功能增强组分和工艺增强组分四部分：其中所用的无机组分为硅溶胶或水玻璃；所用的有机组分为水性聚氨酯乳液或苯丙乳液或硅丙乳液或水性丙烯酸乳液，该有机组分与无机组分即硅溶胶或水玻璃的重量比为0.25～0.7∶1；所用的功能增强组分为甲基硅酸钠，甲基硅酸钠与无机组分即硅溶胶或水玻璃的重量比为4～7∶100；所用的工艺增强组分有偶联剂KH-560和渗透剂烷基苯磺酸钠，偶联剂KH-560与上述的有机组分的重量比为1.2～2∶100；烷基苯磺酸钠与上述的无机组分的重量比为1.6～2∶100。
所述的陶瓷复合木材前驱液的制备方法，其特征在于，按上述重量比称取上述的无机组分、有机组分、功能增强组分和工艺增强组分，然后将各组分混合均匀。
使用本发明提供的陶瓷复合木材前驱液对木材进行浸注处理制备强化复合木材的方法是由木材预处理、陶瓷复合木材前驱液制备和强化复合木材制备三部分组成，其中强化复合木材的制备又可细分为：木材浸注处理、陈化处理和烘干固化处理三个环节。
具体的强化复合木材的制备步骤如下：
一、木材预处理
将原材料木材置于温度为103±2℃的加热炉之中，保温处理8个小时，其目的是充分去除木材孔隙之中所含的水分，以疏通木材孔隙，方便陶瓷复合木材前驱液渗透，烘干完成后取出待用，如果不是立即使用，则需要保存在干燥器内，使用时再取出。
二、陶瓷复合木材前驱液的制备：
按照前面叙述的制备前驱液的办法制备陶瓷复合木材前驱液。
三、木材浸注处理
将木材干燥处理后，置于处理罐中，打开真空泵抽真空，保持负压0.1MPa，30分钟后，吸陶瓷复合木材前驱液进入真空罐中，继续保持负压0.1MPa 30分钟，然后打开处理罐的进气阀，解除处理罐内负压，常压下继续浸注90分钟，然后打开放料阀门，使陶瓷复合木材前驱液从处理罐中排出，留待循环使用，再然后取出罐内木材。
四、陈化处理
木材经过浸渍处理，取出后，自然条件下放置8小时。
五、烘干固化处理
将经过陈化处理的木材放入烘干装置内在103±2℃的温度下进行4小时烘干处理，烘干结束后取出，即制得强化复合木材。
下面通过若干实例和样品的测试数据来说明本发明陶瓷复合木材前驱液的制备方法以及采用此方法所制备的强化复合木材的性能：表A1到表A8分别是本发明实施例1到实施例8得到的复合材料样品的增重率情况，所测试样品的规格为20mm×20mm×30mm，根据表格可以看出用本发明制备出来的增强复合木材的平均增重率都在60％以上，有的甚至达到了80％以上，高于其他研究者用类似方法制备的陶瓷复合木材36％左右的增重率，增重率的提高为材料其它性能的提高奠定了良好的基础。
表B1到表B8分别是对本发明实施例1到实施例8得到的复合材料样品进行15小时水中浸泡处理后所测得的膨胀率情况及其与所使用的杨木原料的对比情况，所测试样品的规格为20mm×20mm×30mm，数据表明用本发明制备出来的增强复合木材吸水后的径向膨胀率大部分都在2％以下，弦向膨胀率也都在2.5％以下，比未处理的杨木样品下降了50％以上，比之其它类似产品3％左右的吸水膨胀率也有不同程度的降低，这说明用本发明制备的复合材料有很好的抗水性和尺寸稳定性。
表C1到表C8分别是对本发明实施例1到实施例8得到的复合材料样品进行15小时水中浸泡处理，样品从湿材到全干后测得的干缩系数情况及其与未处理材的对比情况，所测试样品的规格为20mm×20mm×30mm，数据表明用本发明制备的复合材料的干缩情况比之未处理材改善了一倍左右，好于前面提到的陶瓷复合木材的径向3.2，弦向4％左右和体积11％以上的干缩率，这说明本发明制备的陶瓷复合木材前驱液渗进木材内固化后与木材的结合情况相当理想，具有相当的抗流失性。
表D1到表D8分别是对本发明实施例1到实施例8得到的复合材料样品进行抗压强度测试所得到的结果及其与所使用的杨木原料样品的对比情况，所测试样品的规格为20mm×20mm×30mm，数据表明用本发明制备的复合木材其顺纹抗压强度比之未处理木材有了至少30％以上的提高，大部分都在50％以上，而径向抗压强度的提高至少都在70％以上，有的甚至达到100％以上，这些已经非常接近天然优质木材赤桉的性能，说明用本发明制备的复合木材具有相当好的强度。
表E1到表E8分别是对本发明实施例1到实施例8得到的复合材料样品进行抗弯强度测试所得到的结果及其与所使用的杨木原料样品的对比情况，所测试样品的规格为20mm×20mm×300mm，数据显示相对于未处理原材料杨木，利用本发明所制备的复合木材在韧性方面也都有了20％左右的提高，较之陶瓷复合木材韧性没有提高甚至还有所下降的情况有了相当的改善。
【具体实施方式】
例1：取规格为20mm×20mm×30mm的69杨木块120个和规格为20mm×20mm×300mm的69杨木块60个，进行预处理； 然后取硅溶胶500g和水性聚氨酯乳液125g，掺杂混合在一起，再添加20g甲基硅酸钠，1.5g硅烷偶联剂KH-560，8g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，前驱液制备完成；用此陶瓷复合木材前驱液对经过预处理的木块进行浸渍处理；然后对木块进行陈化和烘干固化处理。
例2：取硅溶胶500g和苯丙乳液250g，掺杂混合在一起，再添加25g甲基硅酸钠，4g硅烷偶联剂KH-560，9g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，陶瓷复合木材前驱液制备完成；其它步骤与例1相同。
例3：取硅溶胶500g和硅丙乳液350g，掺杂混合在一起，再添加35g甲基硅酸钠，7g硅烷偶联剂KH-560，10g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，陶瓷复合木材前驱液制备完成；其它步骤与例1相同。
例4、取硅溶胶500g和水性丙烯酸乳液125g，掺杂混合在一起，再添加35g甲基硅酸钠，2.25g硅烷偶联剂KH-560，8g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，陶瓷复合木材前驱液制备完成；其它步骤与例1相同。
例5、取硅溶胶500g和水性丙烯酸乳液125g，掺杂混合在一起，再添加20g甲基硅酸钠，1.5g硅烷偶联剂KH-560，8g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，陶瓷复合木材前驱液制备完成；其它步骤与例1相同。
例6：取水玻璃500g和硅丙乳液300g，掺杂混合在一起，再添加20g甲基硅酸钠，1.5g硅烷偶联剂KH-560，8g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，陶瓷复合木材前驱液制备完成；其它步骤与例1相同。
例7：取硅溶胶500g和苯丙乳液350g，掺杂混合在一起，再添加30g甲基硅酸钠，5.6g硅烷偶联剂KH-560，8g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，陶瓷复合木材前驱液制备完成；其它步骤与例1相同。
例8：取水玻璃500g和水性聚氨酯乳液350g，掺杂混合在一起，再添加35g甲基硅酸钠，7g硅烷偶联剂KH-560，10g烷基苯磺酸钠，然后用搅拌器充分搅拌、混合，陶瓷复合木材前驱液制备完成；其它步骤与例1相同。
(表A1) 试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 65.1 109.5 43.9 23.6 2.9 30.4 9.2
(表A2) 试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 75.7 118.2 52.6 25.4 3.2 31.3 8.5
(表A3) 试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 81.1 125.6 58.7 23.7 2.8 29.9 8.7
(表A4) 试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 70.3 113.5 45.6 27.1 3.5 33.7 7.9
(表A5)
试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 66.3 110.9 40.7 26.4 3.4 32.5 8.4
(表A6) 试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 77.8 117.3 48.1 27.8 3.6 34.1 8.0
(表A7) 试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 72.7 115.1 43.2 26.7 3.5 31.7 8.6
(表A8) 试样 (个) 平均值 (％) 极大值 极小值 标准差 标准 误差 变异 系数 准确 指数 60 63.2 110.7 39.8 20.5 2.3 27.6 8.9
(表B1) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 1.9 30 19.9 3.7 弦向膨胀率 (％) 2.3 30 18.2 5.8
(表B2) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 1.5 30 22.6 3.7 弦向膨胀率 (％) 2.0 30 20.4 5.8
(表B3) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 1.3 30 19.4 3.7 弦向膨胀率 (％) 1.9 30 18.1 5.8
(表B4) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 1.6 30 20.3 3.7 弦向膨胀率 (％) 1.9 30 17.7 5.8
(表B5) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 1.7 30 21.6 3.7 弦向膨胀率 (％) 2.1 30 19.8 5.8
(表B6) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 1.4 30 20.1 3.7 弦向膨胀率 (％) 1.9 30 18.6 5.8
(表B7) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 1.6 30 19.7 3.7 弦向膨胀率 (％) 2.0 30 17.3 5.8
(表B8) 指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 径向膨胀率 (％) 2.2 30 21.1 3.7 弦向膨胀率 (％) 2.5 30 17.7 5.8
(表C1) 类别 全干缩率(％) 干缩系数(％)径向 弦向 体积 径向 弦向 体积 未处理材4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359 处理材2.8 3.7 6.9 0.082 0.106 0.213
(表C2) 类别 全干缩率(％) 干缩系数(％)径向 弦向 体积 径向 弦向 体积 未处理材4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359 处理材2.5 3.7 6.6 0.074 0.091 0.182
(表C3) 类别 全干缩率(％) 干缩系数(％)径向 弦向 体积 径向 弦向 体积 未处理材4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359 处理材2.3 3.4 6.2 0.069 0.091 0.173
(表C4)类别 全干缩率(％) 干缩系数(％)径向 弦向 体积 径向 弦向 体积未处理材4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359处理材2.6 3.6 6.5 0.073 0.093 0.183
(表C5) 类别 全干缩率(％) 干缩系数(％)径向 弦向 体积 径向 弦向 体积 未处理材4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359 处理材2.7 3.8 6.8 0.076 0.095 0.188
(表C6)类别 全干缩率(％) 干缩系数(％) 径向 弦向 体积 径向 弦向 体积未处理材 4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359处理材 2.5 3.4 6.4 0.071 0.094 0.178
(表C7)类别 全干缩率(％) 干缩系数(％) 径向 弦向 体积 径向 弦向 体积未处理材 4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359处理材 2.7 3.5 6.7 0.076 0.099 0.185
(表C8)类别 全干缩率(％) 干缩系数(％) 径向 弦向 体积 径向 弦向 体积未处理材 4.2 5.9 10.6 0.141 0.204 0.359处理材 3.0 3.8 7.1 0.085 0.114 0.221
(表D1)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 54.3 30 9.1 38.4 41.4径向抗压(MPa) 7.5 30 10.7 4.2 78.6
(表D2)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 61.6 30 8.7 38.4 60.4径向抗压(MPa) 8.5 30 11.3 4.2 102.3
(表D3)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 63.8 30 9.6 38.4 66.1径向抗压(MPa) 8.7 30 12.1 4.2 107.1
(表D4)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 58.6 30 9.1 38.4 52.6径向抗压(MPa) 7.9 30 10.7 4.2 88.1
(表D5)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 56.1 30 9.1 38.4 46.1径向抗压(MPa) 7.6 30 10.7 4.2 80.1
(表D6)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 60.1 30 9.5 38.4 56.5径向抗压(MPa) 8.3 30 11.2 4.2 97.6
(表D7)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 59.7 30 8.9 38.4 55.5径向抗压(MPa) 8.1 30 10.1 4.2 92.9
(表D8)指标 强化复合木 材平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)顺纹抗压(MPa) 51.7 30 8.7 38.4 34.6径向抗压(MPa) 7.3 30 8.9 4.2 73.8
(表E1)指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 69.5 30 9.3 55.2 25.9静力弹性模量(Gpa) 7.1 30 14.5 5.6 26.8
(表E2)
指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 67.3 30 9.3 55.2 21.9静力弹性模量(Gpa) 7.0 30 14.5 5.6 25.0
(表E3)指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 65.8 30 9.3 55.2 19.2静力弹性模量(Gpa) 6.7 30 14.5 5.6 19.6
(表E4)指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 67.1 30 9.3 55.2 21.6静力弹性模量(Gpa) 6.9 30 14.5 5.6 23.2
(表E5)指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 68.2 30 9.3 55.2 23.6静力弹性模量(Gpa) 7.0 30 14.5 5.6 25.0
(表E6)指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 67.4 30 9.3 55.2 22.1静力弹性模量(Gpa) 6.9 30 14.5 5.6 23.2
(表E7)
指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 69.3 30 9.3 55.2 25.5静力弹性模量(Gpa) 7.1 30 14.5 5.6 26.8
(表E8)指标 复合木材 平均值 实验个数 变异系数 (％) 杨木对照 增加量 (％)静力弯曲强度(MPa) 70.8 30 9.3 55.2 28.3静力弹性模量(Gpa) 7.2 30 14.5 5.6 28.6