CN107599086A - 一种基于环保树脂增强、阻燃改性木材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种基于环保树脂增强、阻燃改性木材的制备方法，以糠醇、马来酸酐（催化剂）、乙醇和磷酸二氢铵（阻燃剂）为原料，按照一定比例调配出一种有机‑无机复合木材改性液。利用该改性液对人工林木材进行浸渍处理，通过固化、干燥使糠醇树脂和磷酸二氢铵固定于木材内部，最终得到改性木材。本发明能提高木材的尺寸稳定性、密度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度，阻燃剂不易流失、抗流失性强、绿色环保，同时赋予木材良好的阻燃性，尺寸稳定性，具有显著提升人工林木材品质和附加值的优点。
Description
技术领域
本发明属于一种基于环保树脂增强、阻燃改性木材的制备方法。
背景技术
近年来，我国木材资源的有效供给与不断增长的社会需求之间的矛盾日趋突出。在我国天然林全面禁伐以及进口木材管制越来越严的形势下，高效利用我国丰富的人工林木材资源（如杨木、杉木、桉木、马尾松、泡桐等）是缓解木材供求矛盾的根本途径。但人工林木材普遍存在密度小、强度低、尺寸稳定性差、耐久性差等问题，致使其应用受到极大限制。对人工林木材进行改性处理，克服木材各种缺陷，改善木材物理力学性能，是提升人工林木材品质及其利用价值的重要手段。
目前，利用低分子量醛基树脂（如酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂等）浸渍处理木材，可显著提高木材密度、尺寸稳定性、抗弯强度和弹性模量等物理力学性能，是一种有效的木材改性方法，并实现了部分商业化生产。然而，醛基树脂改性剂环保性差，存在游离甲醛、酚类等有害物质释放的问题，对环境及人体健康造成危害。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于环保树脂增强、阻燃改性木材的制备方法，能提高木材的尺寸稳定性、密度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度，阻燃剂不易流失、抗流失性强、绿色环保，同时赋予木材良好的阻燃性，尺寸稳定性，具有显著提升人工林木材品质和附加值的优点。
为此，本发明的方法包括如下步骤：
（1）木材的恒温恒湿处理：将人工林杨木或杉木试样置于恒温恒湿箱中，温度20℃，湿度65%，进行调湿处理，至木材的含水率在9～11%。
（2）改性液的调配：按质量称取20%～40%的糠醇、1%～7%的磷酸二氢铵、1%～5%的马来酸酐、10%的乙醇和38%～68%的蒸馏水。
先将蒸馏水用磁力搅拌器预热至30～40℃，再依次加入马来酸酐和磷酸二氢铵，混合均匀，待溶液降至室温20℃，再加入糠醇和无水乙醇，搅拌30～60分钟，得到糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液。
（3）抽真空处理：将含水率在9～11%的木材放入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内真空度为0.05MPa～0.09MPa，保真空时间为30～60min。
（4）浸渍处理：在负压作用下，将调配的糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液注入处理罐内，并淹没木材，解除真空，开启压力泵，使罐内压力达到1MPa～1.2MPa，保持罐内压力3～4h，解除压力，将处理后的木材移出罐外。
（5）树脂固化：将处理后的木材表面的药剂去除，为避免糠醇挥发，再将处理后的木材用耐热密封材料包覆，置于100℃～120℃烘箱中固化3～4h，在加热和催化剂作用下，使糠醇单体发生原位缩聚反应，生成具有三维网状结构的的糠醇树脂并填充于木材孔隙中，同时糠醇树脂能有效包覆并固定阻燃剂磷酸二氢铵，防止其流失，从而实现木材的尺寸稳定化、增强及阻燃改性。
（6）外理后木材的干燥：待木材中含有的糠醇树脂固化完毕后，去除耐热密封材料，室温晾干至含水率50%以下，然后在40℃～80℃条件下进行梯度干燥，即可得到平衡含水率为5%～8%的环保型糠醇处理材。
所述的耐热密封材料为铝箔纸。
所述的步骤(4)中将处理后的木材移出罐外后，罐内的糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液排出，并可分离回收、循环再利用。
所述的40℃～80℃条件下进行梯度干燥为：
70℃～80℃条件下进行干燥时间为24h；
60℃～70℃条件下进行干燥时间为24h；
50℃～60℃条件下进行干燥时间为24h；
40℃～50℃条件下进行干燥至平衡含水率为5%～8%。
所述的将处理后的木材表面的药剂去除为沥干，或布辊擦干。
所述的人工林木材为杨木、杉木、泡桐等软质木材。
所述的改性液中主剂糠醇来源于玉米秆、甘蔗渣、稻壳等农业废弃物，是一种可再生的天然改性剂。
所述的处理后的木材物理力学性能显著提高，同时磷酸二氢铵赋予木材优良的阻燃抑烟性能，糠醇树脂的包覆作用能有效抑制阻燃剂的流失。
上述方法达到了本发明的目的。
本发明能提高木材的尺寸稳定性、密度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度，阻燃剂不易流失、抗流失性强、绿色环保，同时赋予木材良好的阻燃性，尺寸稳定性，具有显著提升人工林木材品质和附加值的优点。
糠醇又称呋喃甲醇，是一种可再生的天然改性剂，主要来源于玉米秆、甘蔗渣、稻壳等农业废弃物。木材经过糠醇树脂改性可显著改善其尺寸稳定性和生物耐久性等性能；改性木材颜色加深（棕褐色），可模仿珍贵热带阔叶材。糠醇改性木材因其良好的性能可广泛应用于木门窗、室外地板和家具的制造。研究表明，糠醇树脂改性木材在使用及废弃过程中对环境几乎无毒害作用，故木材糠醇树脂改性属于一种环境友好型改性技术，具有良好的推广应用前景。
尽管糠醇树脂改性可以提高木材尺寸稳定性和生物耐久性等性能，但由于糠醇树脂的有机特性，处理木材的阻燃性能并未得到有效改善，限制了糠醇改性木材在特定场合的应用。磷酸二氢铵作为一种常用的无机木材阻燃剂，可有效促进木材脱水炭化，起隔绝氧气的作用，赋予木材良好的阻燃性能。然而，磷酸二氢铵属于水溶性无机盐，不耐水，用其单独处理木材无机盐容易流失。若将木材糠醇树脂改性与水溶性磷酸二氢铵处理相结合，利用糠醇树脂对磷酸二氢铵进行有效包覆，提高其抗流失性，则可以在提高木材尺寸稳定性和生物耐久性的同时，赋予木材良好的阻燃效果，从而提升大幅度改善了人工林木材的综合性能，实现人工林木材的高附加值利用。
本发明以糠醇、马来酸酐、乙醇、磷酸二氢铵为原料，按照一定比例调配出一种环保型有机-无机复合木材改性液，通过真空加压浸渍处理，将其引入人工林杨木、杉木等木材并固定于其中（固化、干燥），从而显著提高木材的尺寸稳定性、密度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度等性能，同时赋予木材良好的阻燃功能；而且由于糠醇树脂对磷酸二氢铵的包覆作用，阻燃剂不易流失。这种改性木材性能优良，且绿色环保，可用于地板、门窗、家具等产品的加工，拓宽了人工林木材的使用范围，实现低质木材的高附加值利用。
具体实施方式
一种基于环保树脂增强、阻燃改性木材的制备方法，包括如下步骤：
（1）木材的恒温恒湿处理：将人工林杨木或杉木试样置于恒温恒湿箱中，温度20℃，湿度65%，进行调湿处理，至木材的含水率在9～11%。
（2）改性液的调配：按质量称取20%～40%的糠醇、1%～7%的磷酸二氢铵（阻燃剂）、1%～5%的马来酸酐（催化剂）、10%的乙醇和38%～68%的蒸馏水。
先将蒸馏水用磁力搅拌器预热至30～40℃，再依次加入马来酸酐和磷酸二氢铵，混合均匀，待溶液降至室温20℃，再加入糠醇和无水乙醇，搅拌30～60分钟，得糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液。
（3）抽真空处理：将含水率在9～11%的木材放入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内真空度为0.05MPa～0.09MPa，保真空时间为30～60min。
（4）浸渍处理：在负压作用下，将调配的糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液注入处理罐内，并淹没木材，解除真空，开启压力泵，使罐内压力达到1MPa～1.2MPa，保持罐内压力3～4h，解除压力，将处理后的木材移出罐外。
（5）树脂固化：再将处理后的木材表面的药剂擦除，为避免糠醇挥发，将处理后的木材用耐热密封材料包覆，置于100℃～120℃烘箱中固化3～4h，在加热和催化剂作用下，使糠醇单体发生原位缩聚反应，生成具有三维网状结构的糠醇树脂并填充于木材孔隙中，同时糠醇树脂能有效包覆并固定阻燃剂磷酸二氢铵，防止其流失，从而实现木材的尺寸稳定化、增强及阻燃改性。
（6）外理后木材的干燥：待木材中含有的糠醇树脂固化完毕后，去除耐热密封材料，室温晾干至含水率50%以下，然后在40℃～80℃条件下进行梯度干燥，即可得到平衡含水率为5%～8%的环保型糠醇处理材。
所述的耐热密封材料为铝箔纸。
所述的步骤(4)中将处理后的木材移出罐外后，罐内的糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液排出，并可分离回收、循环再利用。
所述的40℃～80℃条件下进行梯度干燥为：
70℃～80℃条件下进行干燥时间为24h；
60℃～70℃条件下进行干燥时间为24h；
50℃～60℃条件下进行干燥时间为24h；
40℃～50℃条件下进行干燥至平衡含水率为5%～8%。
所述的将处理后的木材表面的药剂去除为沥干，或布辊擦干。
所述的人工林木材为杨木、杉木、泡桐等软质木材。
所述的改性液中主剂糠醇来源于玉米秆、甘蔗渣、稻壳等农业废弃物，是一种可再生的天然改性剂。
所述的处理后的木材物理力学性能显著提高，同时磷酸二氢铵赋予木材优良的阻燃抑烟性能，糠醇树脂的包覆作用能有效抑制阻燃剂的流失。
实施例1：
先将53ml蒸馏水预热至40℃，然后将2g马来酸酐和5g磷酸二氢铵，先后溶于其中，混合均匀；待溶液降至室温，缓慢加入30g糠醇和10g乙醇，磁力搅拌30min，得到改性液。
将意大利I-214杨木材加工成尺寸为20mm × 20mm × 300mm的试样，干燥至含水率10%左右，将木材试样规整地摆放在浸渍处理罐内，并浸渍于上述改性液中，先抽真空至0.08MPa，保持真空30min，解除真空，加压至1MPa，保压3h。解除压力，取出试件，用吸水纸擦干表面。将试样用铝箔包好，置于103℃真空干燥箱内固化3h，待糠醇树脂固化后去除铝箔。试样在室温下晾置1天后，在40℃～80℃的温度下进行梯度干燥，得到杨木改性处理材。
按照GB/T 1927~1943-2009《木材物理力学性质试验方法》对杨木改性处理前后的各项物理力学性能指标进行检测。处理后木材增重率达65%以上，平衡含水率约5%，绝干密度由处理前的0.42g/cm3增大到0.64g/cm3；抗胀率（ASE）可达60%以上；抗弯弹性模量（MOE）由11.7GPa增大到15.5GPa；抗弯强度（MOR）基本不变；顺纹抗压强度由49.8 MPa增大到71.3MPa。
按照ISO 5660-1:2002 《热释放量-锥形量热仪测试方法》测试杨木改性处理前后的燃烧性能，结果为：热释放速率由处理前的75.47kw/m2降低到53.78kw/m2，总热释放量由66.8MJ/m2降低到47.8MJ/m2，总生烟量由471.87m2/m2减小到42.15m2/m2。说明改性处理后，杨木的阻燃性能和抑烟性能大幅提高。
按照JIS A9201-1991 《木材防腐剂的性能标准及试验方法》，测定经糠醇/磷酸二氢铵复合处理材和磷酸二氢铵处理材在蒸馏水浸泡过程中磷元素的流失情况，结果为：一次浸泡/干燥循环后，复合处理材的流失率为2.87%，磷酸二氢铵处理材流失率为10.49%。经过7次循环后，磷酸二氢铵处理材中磷元素已基本全部流失，而复合处理材的累计流失率仅为6.69%。说明糠醇树脂对磷酸二氢铵具有明显的包覆和固定作用，使后者在蒸馏水浸泡下不易流失。
总之，本发明能提高木材的尺寸稳定性、密度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度，阻燃剂抗流失性强、绿色环保，同时赋予木材良好的阻燃性，尺寸稳定性，有大幅度提高了人工林木材的多功能化化和高附加值的优点，拓展了人工林木材的应用范围，使其可替代优质天然林木材广泛用于室内地热地板、防潮耐水型装饰材料、高档门窗、家具、木结构房屋、木栈道、木桥梁及户外平台、船舶甲板等产品的加工利用，附加值相比未处理木材提高1倍以上，应用前景广阔。
Claims (8)
1.一种基于环保树脂增强、阻燃改性木材的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：
（1）木材的恒温恒湿处理：将人工林杨木或杉木试样置于恒温恒湿箱中，温度20℃，湿度65%，进行调湿处理，至木材的含水率在9～11%；
（2）改性液的调配：按质量称取20%～40%的糠醇、1%～7%的磷酸二氢铵、1%～5%的马来酸酐、10%的乙醇和38%～68%的蒸馏水；
先将蒸馏水用磁力搅拌器预热至30～40℃，再依次加入马来酸酐和磷酸二氢铵，混合均匀，待溶液降至室温20℃，再加入糠醇和无水乙醇，搅拌30～60分钟，得糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液；
（3）抽真空处理：将含水率在9～11%的木材放入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内真空度为0.05MPa～0.09MPa，保真空时间为30～60min；
（4）浸渍处理：在负压作用下，将调配的糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液注入处理罐内，并淹没木材，解除真空，开启压力泵，使罐内压力达到1MPa～1.2MPa，保持罐内压力3～4h，解除压力，将处理后的木材移出罐外；
（5）树脂固化：将处理后的木材表面的药剂去除，为避免糠醇挥发，再将处理后的木材用耐热密封材料包覆，置于100℃～120℃烘箱中固化3～4h，在加热和催化剂作用下，使糠醇单体发生原位缩聚反应，生成具有三维网状结构的的糠醇树脂并填充于木材孔隙中，同时糠醇树脂能有效包覆并固定阻燃剂磷酸二氢铵，防止其流失，从而实现木材的尺寸稳定化、增强及阻燃改性；
（6）外理后木材的干燥：待木材中的糠醇树脂固化完毕后，去除耐热密封材料，室温晾干至含水率50%以下，然后在40℃～80℃条件下进行梯度干燥，即可得到平衡含水率为5%～8%的环保型糠醇处理材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的耐热密封材料为铝箔纸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中将处理后的木材移出罐外后，罐内的糠醇磷酸二氢铵增强、阻燃处理液排出，并可分离回收、循环再利用。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的40℃～80℃条件下进行梯度干燥为：
70℃～80℃条件下进行干燥时间为24h；
60℃～70℃条件下进行干燥时间为24h；
50℃～60℃条件下进行干燥时间为24h；
40℃～50℃条件下进行干燥至木材平衡含水率为5%～8%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的将处理后的木材表面的药剂去除为沥干，或布辊擦干。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的人工林木材为杨木、杉木、泡桐。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的改性液中主剂糠醇来源于玉米秆、甘蔗渣、稻壳。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的处理后的木材物理力学性能显著提高，同时磷酸二氢铵赋予木材优良的阻燃抑烟性能，糠醇树脂的包覆作用能有效抑制阻燃剂的流失。
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