本發(fā)明屬于生物基材料領(lǐng)域，尤其涉及一種具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天、汽車(chē)、建筑等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但是，目前由于石油危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題等全球性問(wèn)題，大量的研究旨在用生物材料來(lái)替代不可再生石油基材料制備高強(qiáng)復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展。木材是最廣泛使用的生物材料，主要由定向排列的纖維素纖維、木素和半纖維素構(gòu)成，具有機(jī)械性能優(yōu)異、儲(chǔ)量大、可再生以及可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型材料，在家具制造、房屋建筑和造船等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。木材表現(xiàn)出的優(yōu)異機(jī)械性能，主要來(lái)源于木材微孔的結(jié)構(gòu)、木質(zhì)纖維的層次結(jié)構(gòu)以及纖維與木素和半纖維之間的相互作用（gibsonlj.thehierarchicalstructureandmechanicsofplantmaterials[j].journaloftheroyalsocietyinterface,2012,9(76):2749-2766）。纖維素纖維細(xì)胞壁由薄的初級(jí)壁和三個(gè)次級(jí)層（s1，s2和s3）組成。每層主要由納米纖維素纖維組成，并被半纖維素和木質(zhì)素組成的無(wú)定形基質(zhì)包圍。纖維素分子鏈通過(guò)氫鍵平行排列成基原纖，其通過(guò)自主裝定向排列成為原纖聚集體，原先聚合體進(jìn)一步通過(guò)氫鍵組裝成木質(zhì)纖維的細(xì)胞壁。木質(zhì)纖維的層級(jí)結(jié)構(gòu)賦予木材優(yōu)異的力學(xué)性能。此外，木質(zhì)素和半纖維素分布于纖維的細(xì)胞壁中，起到填充和粘結(jié)的作用，能以物理和化學(xué)的方式使纖維素纖維之間粘結(jié)和加固，維持木材的剛性。此外，木素能夠在木材體內(nèi)形成一層疏水外殼，保證水分的正常運(yùn)輸。因此，利用木材的微孔結(jié)構(gòu)，纖維素纖維的層級(jí)結(jié)構(gòu)以及木素的抗水和粘結(jié)特性，制備天然高強(qiáng)度復(fù)合材料具有重要社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
單根納米纖維素的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度最高可以達(dá)到130gpa和1gpa。但是由木質(zhì)纖維組成的紙張的傳統(tǒng)的制漿造紙技術(shù)制備的紙張的機(jī)械性能與納米纖維素相差甚遠(yuǎn)。這主要?dú)w結(jié)于紙張中的隨機(jī)排列的木質(zhì)纖維，而且在制漿的打漿過(guò)程中化學(xué)和機(jī)械處理會(huì)使木質(zhì)纖維的層級(jí)結(jié)構(gòu)受到不同程度的損傷。在造紙過(guò)程中沒(méi)有充分利用存在于木材的結(jié)構(gòu)特性。近年來(lái)，大量的研究利用木材獨(dú)特結(jié)構(gòu)和纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)制備豐富的生物基產(chǎn)品。如從木材中提取的納米纖維素（cnf）和纖維素納米晶體（cnc）由于其優(yōu)異的機(jī)械性能和光學(xué)性能等，在電子器件，能源和一些其他領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景（chenl,wangq,hirthk,etal.tailoringtheyieldandcharacteristicsofwoodcellulosenanocrystals(cnc)usingconcentratedacidhydrolysis[j].cellulose,2015,22(3):1753-1762.）。但是，目前納米纖維素的制備能耗高、效率低，因此，現(xiàn)階段存在工業(yè)化前景不明朗，成本高等問(wèn)題。美國(guó)hu研究團(tuán)隊(duì)和瑞典lars研究團(tuán)隊(duì)等利用木材中天然的微孔結(jié)構(gòu)，將木材中的木質(zhì)素脫除后浸入環(huán)氧樹(shù)脂和甲基丙烯酸甲酯制備出高透明的復(fù)合材料可用于建筑，汽車(chē)等行業(yè)（zhum,songj,lit,etal.highlyanisotropic,highlytransparentwoodcomposites[j].advancedmaterials,2016.）（liy,fuq,yus,etal.opticallytransparentwoodfromananoporouscellulosictemplate:combiningfunctionalandstructuralperformance[j].biomacromolecules,2016,17(4):1358-1364.）。然而，這種透明木頭的強(qiáng)度僅能達(dá)到50-100mpa，而且，在制備過(guò)程中還加入了環(huán)氧樹(shù)脂和甲基丙烯酸甲酯等難以生物降解的物質(zhì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供了一種具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明從纖維素聚合鏈及其對(duì)齊結(jié)構(gòu)增強(qiáng)木材機(jī)械性能特點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)蒸煮的辦法脫除部分木素，軟化木材結(jié)構(gòu)的同時(shí)，保持了木材完整的結(jié)構(gòu)，然后在一定的壓力下加壓干燥，得到該高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
一種具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將木材切成所需特定形狀的木片；
（2）將木片加入含有亞硫酸鈉、氫氧化鈉和甲醇溶液的反應(yīng)釜中，蒸煮，脫除雜質(zhì)和部分木素，使木材發(fā)生軟化，同時(shí)保持木材結(jié)構(gòu)的完整；
（3）將蒸煮后的木片用清水洗滌，除去殘余蒸煮液后，加壓干燥，得到所述具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料。
進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述木材包括所有的木材原料。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，相對(duì)于絕干木片，所述亞硫酸鈉的添加量為15%-25%。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，相對(duì)于絕干木片，所述氫氧化鈉的添加量為5%-10%。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述甲醇溶液的濃度為20~30vol%。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，進(jìn)行蒸煮的液比為1:10~15。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述蒸煮是在150~170℃保溫2~6h，優(yōu)選為2~4h。
進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述攪拌過(guò)程中不用攪拌，保持木片完整的形狀結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述加壓干燥的壓力為4~10mpa，優(yōu)選為6~10mpa；加壓干燥過(guò)程中，直接將木片壓制成復(fù)合材料，保持了纖維對(duì)齊的排列方向。
進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述加壓干燥的時(shí)間為4~12h。
由上述任一項(xiàng)所述制備方法制得的一種具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料，具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：纖維素纖維之間沿著纖維軸向平行排列（鋼筋），起到力學(xué)支撐的作用；木素均勻分布在纖維素纖維之間的胞間層（混凝土），起到粘結(jié)作用。
所述一種具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料為高強(qiáng)復(fù)合材料，厚度為200-650μm，密度為0.9-1.2g/cm3，拉伸強(qiáng)度為390-810mpa。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：
（1）本發(fā)明制備過(guò)程工藝簡(jiǎn)單，不需要添加任何難生物降解和對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，是一種高效率、環(huán)境友好的制備方法，制備的具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料是一種綠色環(huán)保材料；
（2）本發(fā)明的具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料由于含有疏水物質(zhì)木素，從而具有優(yōu)良的抗水抗溶劑性能；
（3）本發(fā)明的具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料，具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：纖維素纖維之間沿著纖維軸向平行排列（鋼筋），起到力學(xué)支撐的作用；木素均勻分布在纖維素纖維之間的胞間層（混凝土），起到粘結(jié)作用，從而使復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能，抗張強(qiáng)度最高達(dá)810mpa，是原始木片的20倍，是一種高強(qiáng)材料，在建筑、汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。
實(shí)施例1
（1）將杉木段切成50mm×40mm×4mm木片；
（2）將木片加入含有亞硫酸鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為15%）、氫氧化鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為5%）和甲醇溶液（濃度為20vol%）蒸煮液的反應(yīng)釜中，液比為1:10，150℃保溫2h，反應(yīng)過(guò)程中不用攪拌，保持木片完整的形狀結(jié)構(gòu)；
（3）將蒸煮后的木片洗滌除去殘余蒸煮藥液后，在4mpa的壓力下干燥4h，制得具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料，水分為22%。
通過(guò)以上步驟制得的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料的厚度為650μm，密度0.9g/cm3，拉伸強(qiáng)度為390mpa，原始木片拉伸強(qiáng)度為43mpa。
實(shí)施例2
（1）將杉木段切成50mm×40mm×4mm木片；
（2）將木片加入含有亞硫酸鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為15%）、氫氧化鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為5%）和甲醇溶液（濃度為20vol%）蒸煮液的反應(yīng)釜中，液比為1:10，150℃保溫2h，反應(yīng)過(guò)程中不用攪拌，保持木片完整的形狀結(jié)構(gòu)；
（3）將蒸煮后的木片洗滌除去殘余蒸煮藥液后，在4mpa的壓力下干燥12h，制得具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料，水分為14%。
通過(guò)以上步驟制得的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料的厚度為590μm，密度1g/cm3，拉伸強(qiáng)度為487mpa，原始木片拉伸強(qiáng)度為43mpa。
實(shí)施例3
（1）將杉木段切成70mm×50mm×4mm木片；
（2）將木片加入含有亞硫酸鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為25%）、氫氧化鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為10%）和甲醇溶液（濃度為30vol%）蒸煮液的反應(yīng)釜中，液比為1:15，170℃保溫6h，反應(yīng)過(guò)程中不用攪拌，保持木片完整的形狀結(jié)構(gòu)；
（3）將蒸煮后的木片洗滌除去殘余蒸煮藥液后，在6mpa壓力下干燥7h，制得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的纖維素/木素復(fù)材料，水分為16%。
通過(guò)以上步驟制得的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)復(fù)合材料的厚度為200μm，密度1.1g/cm3，拉伸強(qiáng)度為590mpa，原始木片拉伸強(qiáng)度為43mpa。
實(shí)施例4
（1）將楊木段切成200mm×100mm×4mm木片；
（2）將木片加入含有亞硫酸鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為20%）、氫氧化鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為5%）和甲醇溶液（濃度為20vol%）蒸煮液的反應(yīng)釜中，液比為1:15，170℃保溫5h，反應(yīng)過(guò)程中不用攪拌，保持木片完整的形狀結(jié)構(gòu)；
（3）將蒸煮后的木片洗滌除去殘余蒸煮藥液后，在6mpa壓力下干燥9h，制得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的纖維素/木素復(fù)材料，水分為13%。
通過(guò)以上步驟制得的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料的厚度為310μm，密度1.0g/cm3，拉伸強(qiáng)度為712mpa，原始木片拉伸強(qiáng)度為43mpa。
實(shí)施例5
（1）將桉木段切成50mm×40mm×4mm木片；
（2）將木片加入含有亞硫酸鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為22%）、氫氧化鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為7%）和甲醇溶液（濃度為25vol%）蒸煮液的反應(yīng)釜中，液比為1:13，160℃保溫4h，反應(yīng)過(guò)程中不用攪拌，保持木片完整的形狀結(jié)構(gòu)；
（3）將蒸煮后的木片洗滌除去殘余蒸煮藥液后，在5mpa壓力下干燥7h，制得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的纖維素/木素復(fù)材料，水分為15%。
通過(guò)以上步驟制得的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)合材料的厚度為510μm，密度1.0g/cm3，拉伸強(qiáng)度為665mpa，原始木片拉伸強(qiáng)度為43mpa。
實(shí)施例6
（1）將杉木段切成50mm×40mm×4mm木片；
（2）將木片加入含有亞硫酸鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為20%）、氫氧化鈉（相對(duì)絕干木片，添加量為5%）和甲醇溶液（濃度為20vol%）蒸煮液的反應(yīng)釜中，液比為1:10，170℃保溫4h，反應(yīng)過(guò)程中不用攪拌，保持木片完整的形狀結(jié)構(gòu)；
（3）將蒸煮后的木片洗滌除去殘余蒸煮藥液后，在10mpa壓力下干燥11h，制得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的纖維素/木素復(fù)材料，水分為10%。
通過(guò)以上步驟制得的高強(qiáng)纖維素/木素復(fù)復(fù)合材料的厚度為256μm，密度1.2g/cm3，拉伸強(qiáng)度為810mpa，原始木片拉伸強(qiáng)度為43mpa。