技术领域
[0001] 本
发明涉及一种改性木材及改性木材的制备方法和应用。
背景技术
[0002] 随着天然林保护不断加强，森林采伐由天然林向人工林快速转变。然而，人工林中一些品质较差的树种，如落叶松、樟子树、桦木、
马尾松等没有得到高效利用。为实现人工林木材资源的有效配置，人工林木材的改性越来越重要。因此，未来我国木材改性的重点仍是抵挡木材的高档化，从提高木材的
密度、强度，改善木材的尺寸
稳定性等方面提高木材的利用率，延长木材的使用寿命。
[0003] 传统的木材改性技术主要包括木材塑合、木材浸渍、木材
热处理、木材乙酰化等其他的木材改性方法。在上述方法中，浸渍法是木材改性过程中最常见的方法，该方法主要是在压
力作用下使浸渍液有效进入木材内部，改善木材性能。采用浸渍法强化木材最常见的浸渍用物质主要为
树脂，常用的有
酚醛树脂、脲醛树脂、糖醇树脂、间本二酚树脂等。但上述几类树脂均属有机物，易老化，会对木材的体积稳定性产生不利影响。
[0004] 目前，关于采用纯无机胶结材料来改善木材性能的案例相对较少，大多数改性方法是采用无机与有机
复合体系对木材进行改性。
申请号201611043422.2提供了一种木材改性方法，使用
铝溶胶、
硅氧偶联剂KH550和聚乙二醇400溶于
水中制备成处理液，与稀水玻璃溶液先后进行
真空加压浸渍，所得改性杉木具有良好的尺寸稳定性，抗收缩系数可达34.21，稳定系数达80％以上。除冲击韧性有所降低外，其余指标，如抗弯强度、抗弯
弹性模量、顺纹抗压强度及硬度等主要力学性能指标均有所提高。同时，申请号201910763496.0提出了采用聚乙二醇(分子量400-2000)与硅溶胶复合的木材改性剂来改善木材性能，改性后的木材尺寸稳定性、热性能、耐久性等均有所提高。此外，申请号为201811069590.8提出采用分子量为1700-2500的聚乙烯醇、
硅酸钠、
二氧化硅、氧化镁、三氧化二铝、氧化锌、硅酸铝、水配置的木材改性剂，经浸渍处理后，所得改性木材的力学性能有所提高，且具有阻燃抑烟特性。申请号为201410292544.X提出采用水性硅溶胶、
氨基硅油、去离子水和非离子
表面活性剂配置的木材改性剂，经浸渍后木材的性能也有所提升。
[0005] 但上述改性剂中均含有有机成分，在长期服役过程中有机成分易挥发流失，对木材的耐久性造成不利影响。因此，寻求一些稳定的无机胶结剂来改善木材性能的方法尤为重要。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对
现有技术存在的不足，提供一种改性木材及其制备方法，该方法能够使木材矿化，改善木材密度、尺寸稳定性，优化木材的力学性能。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种改性木材，包括木材本体以及位于木材本体孔隙中的
水化硅酸钙凝胶。
[0008] 根据本发明的一些实施方式，木材本体来自于杨木、樟木、柳木和马尾松中的一种或多种。
[0009] 根据本发明的一些实施方式，木材本体的密度为0.4g/cm3～0.6g/cm3。
[0010] 本发明第二方面提供一种改性木材的制备方法，包括以下步骤：
[0011] 1)将组分A引入到木材本体的孔隙中，得到负载组分A的木材；
[0012] 2)将组分B引入到负载组分A的木材的孔隙中，使其与孔隙中的组分A发生反应，生成水化硅酸钙凝胶。
[0013] 根据本发明的一些实施方式，组分A包括固含量为10～30％硅溶胶溶液、固含量为50～80％的硅酸钠溶液和固含量为50～80％的硅酸
钾溶液中的一种或几种。
[0014] 根据本发明的一些实施方式，硅溶胶的pH值为8.5～10.5，密度为1.8～2.3g/cm3，粒径为10～30nm。
[0015] 根据本发明的一些实施方式，组分B包括Ca(OH)2溶液，CaCl2溶液和Ca(NO3)2溶液中的一种或几种，优选饱和Ca(OH)2溶液，饱和CaCl2溶液和饱和Ca(NO3)2溶液中的一种或几种。
[0016] 根据本发明的一些实施方式，木材本体的含水率低于15％，优选低于10％，更优选低于5％。
[0017] 根据本发明的一些实施方式，步骤1)中，通过
负压浸渍将组分A引入到木材本体的孔隙中。
[0018] 根据本发明的一些实施方式，步骤1)中，以真空表压计，所述负压为-0.05MPa至-0.1MPa，优选为-0.08MPa至-0.1MPa。
[0019] 根据本发明的一些实施方式，步骤1)包括：
[0020] 1a)将木材在负压下保持0.5-6h；
[0021] 1b)使步骤1a)处理后的木材浸渍于组分A中。
[0022] 根据本发明的一些实施方式，实施步骤1a)
温度为25-60℃，优选为30-50℃。
[0023] 根据本发明的一些实施方式，步骤1b)中，所述浸渍压力为0.4-2.3MPa；在一些
实施例中，步骤1b)中，所述浸渍的压力为0.8-1.5MPa。
[0024] 根据本发明的一些实施方式，步骤1b)中，所述浸渍温度为30-50℃，和/或时间为4-12h，优选为6-10h。
[0025] 根据本发明的一些实施方式，所述制备方法还包括将负载组分A的木材进行干燥，优选使其含水率小于10％。
[0026] 根据本发明的一些实施方式，步骤2)中，通过负压浸渍将组分B引入到负载组分A的木材本体的孔隙中。
[0027] 根据本发明的一些实施方式，步骤2)中，以真空表压计，所述负压为-0.05MPa至-0.1MPa，优选为-0.08MPa至-0.1MPa。
[0028] 根据本发明的一些实施方式，步骤2)包括：
[0029] 2a)将负载组分A的木材在负压下保持1-5h，优选为2-4h；
[0030] 2b)使步骤2a)处理后的木材浸渍于组分B中。
[0031] 根据本发明的一些实施方式，实施步骤2a)的温度为25-60℃，优选为30-50℃。
[0032] 根据本发明的一些实施方式，步骤2b)中，所述浸渍的压力为0.6-2.2MPa，在一些实施例中，步骤2b)中，所述浸渍压力为0.8-1.6MPa。
[0033] 根据本发明的一些实施方式，步骤2b)中，所述浸渍的温度为25-60℃，优选为30-55℃；和/或时间为4-24h，优选为5-20h。
[0034] 根据本发明的一些实施方式，方法还包括将步骤2)处理之后的木材进行干燥。
[0035] 根据本发明的一些实施方式，所述干燥的条件包括负压，更优选真空表压为-0.05MPa至-0.1MPa，优选为-0.08MPa至-0.1MPa；干燥可以在25-75℃的温度下进行。根据一些实施例，干燥的时间为2-4h。
[0036] 本发明中的木材改性剂主要由A组分和B组分组成。其中A组分主要是硅溶胶、
溶解度高的硅酸盐；B组分主要是Ca(OH)2和溶解度高的钙盐。通过浸渍手段，使A、B组分先后进入木材，当A组分提供的硅酸根离子(SiO32-)与B组分提供的钙离子(Ca2+)相遇后，发生反应，生成水化硅酸钙凝胶(C-S-H凝胶)，该凝胶是硅酸盐
水泥水化的产生的主要凝胶，具有良好的胶结性能及力学性能等，胶结木材内部
纤维，使木材矿化，改善其力学性能，提高木材的密度。
[0037] 本发明中，改性木材的制备方法中，A组分和B组分添加顺序没有限定，先加A组分或先加B组分都能实现对木材的改性。
[0038] 本发明第三方面提供一种上述改性木材在室内装修、木质家具及以木材为结构的建筑群体方面的应用。
[0039] 本发明的有益效果：
[0040] 1、本发明通过浸渍手段使能够发生反应的两种无机离子先后进入木材内部，生成胶结性能好，尺寸稳定、力学性能良好的无机凝胶，与木材内部纤维相互胶结，使木材矿化，改善木材性能。
[0041] 2、本发明提供的木材强化方法，解决了传统用树脂胶等有机物对木材强化后期，有机物老化，流失等原因造成木材耐久性不良等问题。同时，本发明所提供的采用无机组分对木材进行强化的方法节能，环保。且经强化后，所得木材性能优异，稳定，具有极高的推广及应用价值。
具体实施方式
[0042] 下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
[0043] 为进一步体现出本发明所带来的效果，下面以A分组中的硅溶胶溶液和B组分中的Ca(OH)2溶液为例，对尺寸为20cm×10cm×3cm的低密度杨木进行强化处理，具体应用案例对本发明进一步的详细说明如下所述。
[0044] 实施例1
[0045] (1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为20cm×10cm×3cm的低密度杨木放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0046] (2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09MPa的负压，保持2h。随后将固含量为10％的硅溶胶注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，保持6h，使硅溶胶溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的硅溶胶溶液排出来。
[0047] (3)将步骤(2)中浸渍过硅溶胶溶液的杨木取出，放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0048] (4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制为-0.09MPa的负压，保持2h。随后将饱和Ca(OH)2溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，50℃下保持6h，使饱和Ca(OH)2溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的硅溶胶充分反应。解除压力，将罐内多余的Ca(OH)2溶液排出来。
[0049] (5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节
真空浸渍罐温度至65℃，再将真空罐内的压力调至-0.08MPa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于10％，即得到所需强化木材。
[0050] 实施例2
[0051] (1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为20cm×10cm×3cm的低密度杨木放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0052] (2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09MPa的负压，保持2h。随后将固含量为15％的硅溶胶注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，保持6h，使硅溶胶溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的硅溶胶溶液排出来。
[0053] (3)将步骤(2)中浸渍过硅溶胶溶液的杨木取出，放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0054] (4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制-0.09MPa的负压，保持2h。随后将饱和Ca(OH)2溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，50℃下保持8h，使饱和Ca(OH)2溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的硅溶胶充分反应。解除压力，将罐内多余的Ca(OH)2溶液排出来。
[0055] (5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节真空浸渍罐温度至65℃，再将真空罐内的压力调至-0.08MPa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于10％，即得到所需强化木材。
[0056] 实施例3
[0057] (1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为20cm×10cm×3cm的低密度杨木放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0058] (2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09MPa的负压，保持2h。随后将固含量为25％的硅溶胶注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，保持6h，使硅溶胶溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的硅溶胶溶液排出来。
[0059] (3)将步骤(2)中浸渍过硅溶胶溶液的杨木取出，放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0060] (4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制为-0.09MPa的负压，保持2h。随后将饱和Ca(OH)2溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，50℃下保持10h，使饱和Ca(OH)2溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的硅溶胶充分反应。解除压力，将罐内多余的Ca(OH)2溶液排出来。
[0061] (5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节真空浸渍罐温度至65℃，再将真空罐内的压力调至-0.08MPa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于10％，即得到所需强化木材。
[0062] 实施例4
[0063] (1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为20cm×10cm×3cm的低密度杨木放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0064] (2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09MPa的负压，保持2h。随后将固含量为30％的硅溶胶注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，50℃下保持6h，使硅溶胶溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的硅溶胶溶液排出来。
[0065] (3)将步骤(2)中浸渍过硅溶胶溶液的杨木取出，放入温度为65℃的烘箱中干燥，直至含水率小于10％。
[0066] (4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制为-0.09MPa的负压，保持2h。随后将饱和Ca(OH)2溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0MPa，保持12h，使饱和Ca(OH)2溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的硅溶胶充分反应。解除压力，将罐内多余的Ca(OH)2溶液排出来。
[0067] (5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节真空浸渍罐温度至65℃，再将真空罐内的压力调至-0.08MPa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于10％，即得到所需强化木材。
[0068] 上述实施例1、2、3、4、对比例1以及未经过处理的杨木板材的抗弯强度、增重率、密度、尺寸稳定性等进行了测试，结果如表1所示。
[0069] 表1板材性能指标
[0070]
[0071] 由表1结果可以看出：经该方法处理后，实施例1～实施例4所得板材的抗弯强度、增重率、密度、尺寸稳定性等均优于未经处理的杨木板材各方面的性能。该结果表明：通过浸渍方法，使无机离子进入木材内部，相互反应生成无机胶，与木材内部纤维相胶合，实现木材矿化，提高木材性能的方法具有很强的可行性。其次，所制的板材性能优异、环保健康，具有极高的推广和使用价值。
[0072] 实施例5-8
[0073] 本组实施例5-8与实施例4的区别在于：实施例5中A组分为固含量为30％的硅溶胶+固含量为60％的硅酸钠溶液，体积比为1：1；实施例6中A组分为固含量为30％的硅溶胶+固含量为60％的硅酸钾溶液，体积比为1：1；实施例7中A组分为固含量为30％的硅溶胶+固含量为70％的硅酸钠溶液+固含量为70％的硅酸钾溶液，体积比为1：1：1；实施例8中A组分为固含量为75％的硅酸钠溶液+固含量为75％的硅酸钾溶液，体积比为1：1。
[0074] 按照国标GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》标准对采用本发明技术方案的实施例5-8所制得板材以及未经处理的杨木模板的抗弯强度、增重率、密度、尺寸稳定性等进行了测试，结果如表2所示。
[0075] 表2木材性能指标测试结果
[0076]
[0077] 表2结果表明：采用本发明的技术方案对木材改性后，实施例5-8中所得木材的性能均优于未经处理杨木的性能。但与实施例4相比，改变A组分中物质的种类与用量后，实施例5-8中所得木材的综合性能有所降低。
[0078] 实施例9-12
[0079] 本组实施例9-12与实施例4的区别在于：B组分不同，实施例9中的B组分为饱和
氯化钙溶液，实施例10中的B组分为饱和
硝酸钙溶液，实施例11为饱和Ca(OH)2溶液+饱和氯化钙溶液，体积比为1：1；实施例12为饱和氯化钙溶液+饱和硝酸钙溶液，体积比为1：1。
[0080] 按照国标GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对采用本发明的技术方案的实施例9-12所制得板材以及未经处理的杨木模板的抗弯强度、增重率、密度、尺寸稳定性等进行了测试，结果如表3所示。
[0081] 表3木材性能指标测试结果
[0082]
[0083]
[0084] 表3结果表明：采用本发明的方法进行木材改性后，与未经处理的试样相对比，木材各方面指标均有很大程度的改善。但改变B组分中物质的种类与用量后，与实施例4相比，木材的综合性能指标有所降低。
[0085] 应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不对本发明构成任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性的词汇。可以按规定在本发明
权利要求的范围内对本发明作出
修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可以扩展至其它所有具有相同功能的方法和应用。
