本發(fā)明屬于生物基材料科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯木基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視、對(duì)林業(yè)的調(diào)整，天然林已經(jīng)禁止采伐，現(xiàn)在乃至將來(lái)，天然林木材將越來(lái)越少。發(fā)展人工林，尤其是速生的人工豐產(chǎn)林，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)木材的需求將是一個(gè)趨勢(shì)。我國(guó)屬于少林國(guó)家，木材資源缺乏，天然林少，人工林逐漸增加。人工林木材具有材質(zhì)疏松、密度低、幼齡材含量高和干燥易開(kāi)裂變形等缺陷，以及我國(guó)對(duì)人工林木材生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的不足等原因，目前人工林木材的應(yīng)用主要集中在木片、紙漿以及衛(wèi)生筷、電線桿、枕木等產(chǎn)品的生產(chǎn)，其中部分產(chǎn)品對(duì)木材的利用率、附加值低。如北方大力發(fā)展的楊樹(shù)木材，材質(zhì)松軟，主要用作紙漿材。我國(guó)的木材消費(fèi)量很大，而又是木材資源相對(duì)短缺的國(guó)家之一，供需矛盾日益突出，為緩解我國(guó)木材消費(fèi)的壓力，人工林木材的合理使用已經(jīng)成為一個(gè)重要的途徑，目前我國(guó)的人工林保存面積為6168萬(wàn)公頃，居世界第一位，其木材在建筑用材、家具用材等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。作為天然林的重要補(bǔ)充資源，我國(guó)人工速生林商品材發(fā)展迅猛，目前我國(guó)主要速生樹(shù)種包括：楊樹(shù)、馬尾松、落葉松、桉樹(shù)、杉木、泡桐、樟子松等。在人工林中，杉木、馬尾松、楊樹(shù)等3個(gè)樹(shù)種面積所占比例達(dá)59.41%。因此，合理利用人工速生林是破解木材需求的剛性增長(zhǎng)與木材供給的制約這對(duì)矛盾的有效途徑。木材是一種三維的天然高分子復(fù)合體，構(gòu)成它的細(xì)胞壁的主要成份--纖維素、半纖維素和木素都含有大量的羥基，羥基和其它吸水性基團(tuán)的存在導(dǎo)致了木材隨含水率的變化尺寸發(fā)生變生。但這些吸水基團(tuán)同樣為木材的功能型改良提供了有效的基點(diǎn)，木材的化學(xué)改性大都是通過(guò)和羥基的反應(yīng)來(lái)完成的。

氧化石墨烯具有單層結(jié)構(gòu)，也被稱(chēng)為功能化石墨烯，可以由氧化石墨剝離制得。它的結(jié)構(gòu)與石墨烯大體相同，但其表面接有大量的氧化官能團(tuán)，如羧基，羥基，環(huán)氧基，羰基等。位于石墨烯表面上的是羥基和環(huán)氧基，而羰基和羧基則位于石墨烯的邊緣處。氧化石墨烯通常為棕色粉末，由于其表面和邊緣被大量的含氧官能團(tuán)以共價(jià)鍵的方式修飾，所以它是sp²和sp³雜化碳原子的混合體。雖然氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)不完整，具有較大的缺陷，但仍保留了較高的力學(xué)性能，其拉伸模量可達(dá)32 GTPa。同時(shí)，氧化石墨烯具有良好的自恢復(fù)能力及抗裂紋擴(kuò)展能力，可廣泛應(yīng)用于自修復(fù)材料及其高抗撕裂材料領(lǐng)域。在氧化石墨烯中，大量含氧基團(tuán)的介入打破了石墨烯完美的共軛結(jié)構(gòu)，使氧化石墨烯成為了一種絕緣無(wú)序的類(lèi)石墨烯材料，但卻賦予了它一定的親水性，易溶于強(qiáng)極性溶劑，如水、醇等。這就為氧化石墨烯水溶膠改性速生材提供了理論基礎(chǔ)。因此，使用氧化石墨烯來(lái)改性速生材使之形成木基復(fù)合材料，會(huì)使其使用性能得到顯著的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能克服有機(jī)樹(shù)脂改性木材毒性大，有特殊異味，易流失的缺陷，顯著提高改性材的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能的氧化石墨烯木基復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的一種氧化石墨烯木基復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

（1）將氧化石墨烯水溶膠于功率0.1 ~ 1000 kW下超聲分散10 min ~ 20 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.25 ~ 1 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取10% ~ 30%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入木材膨脹劑、酯化反應(yīng)催化劑、固化劑，混合后于功率0.1 ~ 1000 kW下超聲分散10 min ~ 20 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生材生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.001 ~ 0 MPa，壓力為0 ~ 3.0 MPa，抽真空10 min ~ 30 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h ~ 3 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

所述的木材膨脹劑為尿素,且尿素所占氧化石墨烯木材改性劑的質(zhì)量百分比為：10% ~ 30%。

所述的酯化反應(yīng)催化劑為H₂SO₄、SO₄^2-/ TiO₂、SO₄^2-/ ZrO₂、SO₄^2-/ Al₂O₃、SO₄^2-/ Fe₂O₃、SO₄^2-/ TiO₂-SiO₂、Ln ~ SO₄^2-/ TiO₂-SiO₂中的一種。

所述的酯化反應(yīng)催化劑加入量為0.1 ~ 0.3 g。

所述的固化劑為MgCl₂、NH₄Cl中的一種，且固化劑的加入量為步驟二中氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%。

所述的木材生材為楊木、桉木、杉木、樟子松、落葉松中的一種。

所述的浸漬改性材在空氣中晾曬的時(shí)間為36 h ~ 48 h。

所述的木材在干燥窯中升溫干燥，升溫梯度為：50°C ~ 60°C ~ 70°C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105°C。

本發(fā)明通過(guò)使用木材膨脹劑、酯化反應(yīng)催化劑、固化劑等，將氧化石墨烯通過(guò)化學(xué)鍵連接的方式對(duì)木材進(jìn)行化學(xué)改性，增強(qiáng)了改性材的物理力學(xué)性能以及有效避免了改性材有害氣體的釋放問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯在木材功能性改良領(lǐng)域的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下方面：(1) 導(dǎo)熱性能得到顯著提升；（2）無(wú)有害氣體釋放；（3）熱穩(wěn)定性得到有效提升；（4）木材改性工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備技術(shù)要求低；（5）經(jīng)改性劑處理的木材兼具美感與質(zhì)感。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例的素材橫切面的掃描電鏡圖片；

圖2為實(shí)施例的改性材橫切面的掃描電鏡圖片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。該實(shí)施例可以使本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

實(shí)施例1：

（1）將氧化石墨烯水溶膠于功率1 kW下超聲分散10 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.25 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取10%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比10%的尿素作為木材膨脹劑，0.1 g SO₄^2-/ TiO₂作為酯化反應(yīng)催化劑，氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%的MgCl₂作為固化劑，混合后于功率1 kW下超聲分散10 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生楊木生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.1 MPa，壓力為1.5 MPa，抽真空10 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干36 h，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，升溫梯度為：50°C ~ 60°C ~ 70°C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105°C，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

實(shí)施例2：

(1) 將氧化石墨烯水溶膠于功率1 kW下超聲分散15 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.25 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取10%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比10%的尿素作為木材膨脹劑，0.1 g SO₄^2-/ TiO₂作為酯化反應(yīng)催化劑，氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%的MgCl₂作為固化劑，混合后于功率1 kW下超聲分散10 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生楊木生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.1 MPa，壓力為1.5 MPa，抽真空10 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干36 h，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，升溫梯度為：50 °C ~ 60 °C ~ 70 °C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105 °C，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

實(shí)施例3：

(1) 將氧化石墨烯水溶膠于功率1 kW下超聲分散20 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.25 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取10%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比10%的尿素作為木材膨脹劑，0.1 g SO₄^2-/ TiO₂作為酯化反應(yīng)催化劑，氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%的MgCl₂作為固化劑，混合后于功率1 kW下超聲分散10 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生楊木生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.1 MPa，壓力為1.5 MPa，抽真空10 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干36 h，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，升溫梯度為：50 °C ~ 60 °C ~ 70 °C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105 °C，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

實(shí)施例4：

(1) 將氧化石墨烯水溶膠于功率1 kW下超聲分散15 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.25 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取20%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比10%的尿素作為木材膨脹劑，0.1 g SO₄^2-/ TiO₂作為酯化反應(yīng)催化劑，氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%的MgCl₂作為固化劑，混合后于功率1 kW下超聲分散10 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生楊木生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.1 MPa，壓力為1.5 MPa，抽真空10 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干36 h，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，升溫梯度為：50 °C ~ 60 °C ~ 70 °C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105 °C，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

實(shí)施例5：

(1) 將氧化石墨烯水溶膠于功率1 kW下超聲分散15 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.25 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取20%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比20%的尿素作為木材膨脹劑，0.1 g SO₄^2-/ TiO₂作為酯化反應(yīng)催化劑，氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%的MgCl₂作為固化劑，混合后于功率1 kW下超聲分散10 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生楊木生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.1 MPa，壓力為1.5 MPa，抽真空10 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干36 h，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，升溫梯度為：50 °C ~ 60 °C ~ 70 °C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105 °C，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

實(shí)施例6：

(1) 將氧化石墨烯水溶膠于功率1 kW下超聲分散15 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.25 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取20%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比20%的尿素作為木材膨脹劑，0.1 g SO₄^2-/ TiO₂作為酯化反應(yīng)催化劑，氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%的MgCl₂作為固化劑，混合后于功率1 kW下超聲分散15 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生楊木生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.1 MPa，壓力為2 MPa，抽真空10 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干36 h，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，升溫梯度為：50 °C ~ 60 °C ~ 70 °C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105 °C，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

實(shí)施例7：

(1) 將氧化石墨烯水溶膠于功率1.5 kW下超聲分散15 min，氧化石墨烯水溶膠中氧化石墨烯的固含量為0.5 wt%，wt%表示質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

(2) 按照質(zhì)量百分比稱(chēng)取20%的超聲后的氧化石墨烯水溶膠分散于去離子水中，向上述溶液中加入質(zhì)量百分比20%的尿素作為木材膨脹劑，0.1 g SO₄^2-/ TiO₂作為酯化反應(yīng)催化劑，氧化石墨烯水溶膠質(zhì)量的5%的MgCl₂作為固化劑，混合后于功率1.5 kW下超聲分散20 min，得到氧化石墨烯木材改性劑；

(3) 將速生楊木生材置于真空加壓浸漬裝置中 ，控制真空度為-0.1 MPa，壓力為2 MPa，抽真空10 min，然后將氧化石墨烯木材改性劑脈沖加壓浸漬到木材中，加壓浸漬時(shí)間為2.5 h；

(4) 將步驟（3）反應(yīng)得到的浸漬改性材擦拭除去表面的氧化石墨烯木材改性劑，先置于大氣環(huán)境中自然風(fēng)干36 h，然后置于干燥窯中進(jìn)行梯度升溫干燥，升溫梯度為：50 °C ~ 60 °C ~ 70 °C ~ 80 °C ~ 90 °C ~105 °C，以除去木材中的自由水，使氧化石墨烯分子與木材發(fā)生原位聚合反應(yīng)，即得氧化石墨烯木基復(fù)合材料。

以上已對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同的類(lèi)型變型或替換，這些等同的變型和替換只要在權(quán)利要求限定的精神之內(nèi)，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。