[0001] 本发明属于木材改性技术领域，具体涉及一种碳量子点优化糠醇改性材及其制备方法。

[0002] 公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

[0003] 木材作为一种可再生、可循环利用的绿色生态材料，因其优异的物理力学性能与独特的环境学特性，如强重比高，易于加工，纹理美观等，被广泛应用于建筑、家具、装饰等各个领域。但是木材主要成分中存在大量吸湿性基团，导致其尺寸不稳定、变形开裂，引起霉变、腐朽等微生物劣化。因此，为避免出现这些问题，需要对木材进行改性。

[0004] 木材的糠醇改性是以糠醇为改性剂，与催化剂复配后浸渍填充木材细胞腔和细胞壁，经加热后在木材内固化为糠醇树脂，从而提高木材的性能。糠醇改性工艺简单，改性后尺寸稳定性、顺纹抗压强度和抗生物劣化性显著提高，且改性剂由农业剩余物制得，来源广泛，低毒环保，因此受到行业重视，在欧洲部分国家及美国已实现商业化生产。但是，由于糠醇树脂自身的脆性和改性过程中酸性催化剂和加热条件的使用，使改性材韧性大幅度下降。当糠醇改性材的增重率达到70％时，木材的冲击韧性可降低57％。目前，通过脱除木材中的木质素和引入柔性高分子的方法可以一定程度缓解糠醇改性材的韧性下降，但效果不理想，且工艺复杂，难以工业化生产。迄今为止，尚未有研究通过设计催化剂达到提升糠醇改性材韧性的效果。此外，传统的催化剂如硫酸、马来酸酐，反应剧烈，功能单一，这制约着糠醇改性技术在木材改性行业上的推广应用。因此，设计催化温和、一剂多效的催化剂优化木材的糠醇改性技术具有重要的实际应用价值。

[0005] 碳量子点(CQDs)是一种零维碳纳米材料，主要由C、H和O元素组成。它具有粒径小、比表面积大的优势，表面具有许多基团，能够为催化提供丰富的中心活性位点；具有优异的电子转移能力，可作为电子受体和电子供体。此外，CQDs具有良好的亲水性、低毒性并且合成材料广泛、合成方法简单，使其成为一种理想的催化剂。因此，本研究采用碳量子点催化糠醇单体固化，显著提高木材的尺寸稳定性、抗压强度和抗生物劣化性，改善韧性下降问题，实现尺寸稳定性、强度、韧性和抗生物劣化性的整体平衡和优化，并解决材色发黑的问题。

[0027] 下面结合附图以及具体实施例对本发明做出进一步说明，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0028] 如下实施例中，碳量子点改性液的制备，碳量子点可采用现有技术中的方法制备得到，例如，公开号为CN118956387A的中国专利申请中提出的“一种离子基碳量子点及其在树脂固化中的应用”。以多元有机酸和氟硼酸盐为原料，采用超声充分溶解后，放入微波炉中加热3～10min，得到表面离子修饰的碳量子点。然后，将碳量子点、糠醇和水以一定比例混合，获得碳量子点/糠醇改性液。

[0029] 实施例1

[0030] 碳量子点/糠醇改性液的制备：以4份草酸和1份氟硼酸钠为原料，采用超声充分溶解后，放入微波炉中加热5min，得到表面离子修饰的碳量子点。按质量百分比计，采用玻璃棒搅拌，配制碳量子点/糠醇改性液：碳量子点浓度为1.25％，糠醇浓度为15％，获得均一黄色澄清溶液；

[0031] 木材的加工与表征：选用青杨，将木材加工成尺寸分别为20mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)、80mm(轴向)×10mm(弦向)×4mm(径向)、30mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)的试材；

[0032] 木材真空加压浸渍：在真空度‑0.05MPa条件下，真空处理45min，而后导入碳量子点/糠醇改性液，然后在压力0.5MPa条件下，加压处理90min。浸渍后，擦除表面多余改性剂，用锡箔纸将木材包裹起来，在室温下陈化48h，使改性剂更好地进入木材细胞壁中。然后，将木材置于干燥箱中加热固化，先在80℃下处理2h，再在105℃下处理10h。去除铝箔纸，最后在80℃下干燥至恒重状态，从而获得碳量子点优化糠醇改性材。

[0033] 实施例2

[0034] 碳量子点/糠醇改性液的制备：以3份柠檬酸和2份氟硼酸钠为原料，采用超声充分溶解后，放入微波炉中加热8min，得到表面离子修饰的碳量子点。按质量百分比计，采用玻璃棒搅拌，配制碳量子点/糠醇改性液：碳量子点浓度为2.5％，糠醇浓度为30％，获得均一黄色澄清溶液。

[0035] 木材的加工与表征：选用辐射松，将木材加工成尺寸分别为20mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)、80mm(轴向)×10mm(弦向)×4mm(径向)、30mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)的试材；

[0036] 木材真空加压浸渍：在真空度‑0.1MPa条件下，真空处理60min，而后导入碳量子点/糠醇改性液，然后在压力0.8MPa条件下，加压处理120min。浸渍后，擦除表面多余改性剂，用锡箔纸将木材包裹起来，在室温下陈化36h，使改性剂更好地进入木材细胞壁中。然后，将木材置于干燥箱中加热固化，先在60℃下处理2h，再在110℃下处理10h。去除锡箔纸，最后在60℃下干燥至恒重状态，从而获得碳量子点优化糠醇改性材。

[0037] 实施例3

[0038] 碳量子点/糠醇改性液的制备：以5份柠檬酸和2份氟硼酸铵为原料，采用超声充分溶解后，放入微波炉中加热12min，得到表面离子修饰的碳量子点。按质量百分比计，采用玻璃棒搅拌，配制碳量子点/糠醇改性液：碳量子点浓度为0.5％，糠醇浓度为10％，获得均一黄色澄清溶液。

[0039] 木材的加工与表征：选用樟子松，将木材加工成尺寸分别为20mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)、80mm(轴向)×10mm(弦向)×4mm(径向)、30mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)的试材；

[0040] 木材真空加压浸渍：在真空度‑0.08MPa条件下，真空处理30min，而后导入碳量子点/糠醇改性液，然后在压力0.3MPa条件下，加压处理60min。浸渍后，擦除表面多余改性剂，用硅油纸将木材包裹起来，在室温下陈化72h，使改性剂更好地进入木材细胞壁中。然后，将木材置于干燥箱中加热固化，先在60℃下处理2h，再在120℃下处理15h。去除硅油纸，最后在40℃下干燥至恒重状态，从而获得碳量子点优化糠醇改性材。

[0041] 实施例4

[0042] 碳量子点/糠醇改性液的制备：以2份草酸和1份氟硼酸铵为原料，采用超声充分溶解后，放入微波炉中加热8min，得到表面离子修饰的碳量子点。按质量百分比计，采用玻璃棒搅拌，配制碳量子点/糠醇改性液：碳量子点浓度为5％，糠醇浓度为70％，获得均一黄色澄清溶液。

[0043] 木材的加工与表征：选用桉木，将木材加工成尺寸分别为20mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)、80mm(轴向)×10mm(弦向)×4mm(径向)、30mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)的试材；

[0044] 木材真空加压浸渍：在真空度‑0.1MPa条件下，真空处理120min，而后导入碳量子点/糠醇改性液，然后在压力1.5MPa条件下，加压处理180min。浸渍后，擦除表面多余改性剂，用锡箔纸将木材包裹起来，在室温下陈化72h，使改性剂更好地进入木材细胞壁中。然后，将木材置于干燥箱中加热固化，先在80℃下处理5h，再在110℃下处理20h。去除锡箔纸，最后在50℃下干燥至恒重状态，从而获得碳量子点优化糠醇改性材。

[0045] 实施例5

[0046] 碳量子点/糠醇改性液的制备：以2份草酸和1份氟硼酸铵为原料，采用超声充分溶解后，放入微波炉中加热10min，得到表面离子修饰的碳量子点。按质量百分比计，采用玻璃棒搅拌，配制碳量子点/糠醇改性液：碳量子点浓度为3％，糠醇浓度为50％，获得均一黄色澄清溶液。

[0047] 木材的加工与表征：选用青杨，将木材加工成尺寸分别为20mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)、80mm(轴向)×10mm(弦向)×4mm(径向)、30mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)的试材；

[0048] 木材真空加压浸渍：在真空度‑0.08MPa条件下，真空处理100min，而后导入碳量子点/糠醇改性液，然后在压力1.2MPa条件下，加压处理160min。浸渍后，擦除表面多余改性剂，用硅油纸将木材包裹起来，在室温下陈化60h，使改性剂更好地进入木材细胞壁中。然后，将木材置于干燥箱中加热固化，先在70℃下处理4h，再在120℃下处理15h。去除硅油纸，最后在70℃下干燥至恒重状态，从而获得碳量子点优化糠醇改性材。

[0049] 实施例6

[0050] 碳量子点/糠醇改性液的制备：以4份草酸和1份氟硼酸铵为原料，采用超声充分溶解后，放入微波炉中加热10min，得到表面离子修饰的碳量子点。按质量百分比计，采用玻璃棒搅拌，配制碳量子点/糠醇改性液：碳量子点浓度为1.5％，糠醇浓度为20％，获得均一黄色澄清溶液。

[0051] 木材的加工与表征：选用辐射松，将木材加工成尺寸分别为20mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)、80mm(轴向)×10mm(弦向)×4mm(径向)、30mm(轴向)×20mm(弦向)×20mm(径向)的试材；

[0052] 木材真空加压浸渍：在真空度‑0.1MPa条件下，真空处理30min，而后导入碳量子点/糠醇改性液，然后在压力1.5MPa条件下，加压处理60min。浸渍后，擦除表面多余改性剂，用硅油纸将木材包裹起来，在室温下陈化12h，使改性剂更好地进入木材细胞壁中。然后，将木材置于干燥箱中加热固化，先在80℃下处理4h，再在100℃下处理9h。去除硅油纸，最后在50℃下干燥至恒重状态，从而获得碳量子点优化糠醇改性材。

[0053] 需要说明的是，木材的加工与表征，可以选用不含树皮的木材，如果是心材树种，尽量选择边材部位，将木材锯切成一定尺寸的试件。可以选择阔叶材，如青杨、橡木、桉木等，也包括针叶材，如杉木、辐射松、樟子松等。

[0054] 上述实施例中，木材真空加压浸渍时，可以将碳量子点/糠醇改性液通过真空加压浸渍方法处理木材。浸渍后，用纸巾擦拭表面多余改性剂。并在室温下陈化，使改性剂更好地进入木材细胞壁中。然后，将木材置于干燥箱中加热固化处理，从而获得碳量子点优化糠醇改性材。改性材的物理力学性能包括冲击韧性、抗弯强度与弹性模量、抗压强度、尺寸稳定性和耐腐性均有所改善。

[0055] 对比例1

[0056] 未处理木材，103℃条件下干燥至恒重，制备上述尺寸的物理力学测试试件。

[0057] 对比例2

[0058] 按质量百分比计，马来酸酐浓度为1.25％，糠醇浓度为15％，获得均一淡黄色澄清溶液；然后如实施例1的方式进行木材真空加压浸渍。

[0059] 对比例3

[0060] 按质量百分比计，马来酸酐浓度为2.5％，糠醇浓度为30％，获得均一淡黄色澄清溶液；然后如实施例2的方式进行木材真空加压浸渍。

[0061] 经过改性处理，实施例1、2和对比例2、3的增重率、增容率与密度变化率如表1所示，从表中可以看出，以碳量子点为催化剂的实施例2的增重率及增容率均大于以传统催化剂的对比例3，密度变化率表明了两者的密度变化基本一致。同样实施例1和对比例2也呈现出类似的变化。这说明碳量子点催化剂可成功使糠醇在木材内部固化，并对细胞壁起到较强的润胀作用。表1对实施例1、2和对比例2、3的增重率、增容率与密度变化率

[0062] 图1是对比例1、3及实施例2的材色示意图，从图1中可以看出，对比例2呈现出黑色，颜色较深，而以碳量子点为催化剂的实施例2，呈现出棕色，改善了糠醇改性材材色发黑的问题。

[0063] 图2是对比例1、2及实施例1的抗弯强度与弹性模量示意图，从图2中可以看出，以碳量子点为催化剂的实施例1的抗弯强度与弹性模量均大于对比例2。

[0064] 图3是对比例1、2及实施例1的顺纹抗压强度示意图，从图3中可以看出，以碳量子点为催化剂的实施例1的顺纹抗压强度大于对比例2。

[0065] 图4是对比例1、3及实施例2的冲击韧性示意图，从图4中可以看出，对比例3韧性下降35％，而以碳量子点为催化剂的实施例2，与对比例3相比提升了38％，甚至超过了未处理材的韧性，这主要得益于碳量子点与木材的相互作用。

[0066] 图5是对比例1、3及实施例2的耐腐性示意图，从图5中可以看出，对比例3有一定的耐腐性，而以碳量子点为催化剂的实施例2，耐腐性优良，达到了杀菌的效果。

[0067] 图6是对比例3及实施例2的尺寸稳定性示意图，从图6中可以看出，与对比例2相比，以碳量子点为催化剂的实施例2的抗湿胀率增加了22％，抗湿胀率达到80％，这说明碳量子点优化糠醇改性材具有良好的尺寸稳定性。