CN102581900B

CN102581900B - 用二氧化硅改良木材表面性质的方法

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Publication number: CN102581900B
Application number: CN201210072298.8A
Authority: CN
Inventors: 符韵林; 莫引优; 乔梦吉
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2012-03-17
Filing date: 2012-03-17
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2032-03-17
Also published as: CN102581900A

Abstract

一种用二氧化硅改良木材表面性质的方法，二氧化硅以涂料作载体改良木材表面性质，将改性或未改性的纳米粉状二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中，搅拌均匀后涂饰在木材表面。采用本发明的方法对木材表面进行改性处理，木材表面性质得到较明显的改善，且生产工艺简单，反应过程快，产品质量稳定，产品成本明显降低，可用于制备各类木地板、室内装饰及家具等用材，前景极为广阔。

Description

用二氧化硅改良木材表面性质的方法

技术领域

本发明属改良木材表面性质的方法，主要是用二氧化硅改良木材表面性质的方法。

背景技术

为了保护木材的原有特性、提高木制品的装饰作用和使用寿命，需采用一定的表面处理技术来提高其美观特性、力学性能、耐磨性、耐久性，改善木材加工性能及赋予木材表面隔热、耐燃、防蛀、绝缘、导电等新功能，从而提高木材的使用价值，拓宽木材的应用领域。到目前为止，木材表面功能性改良方法主要有木材染色、木材漂白、木材涂饰、防腐处理、表面强化、无电解电镀、表面化学装饰、等离子体聚合、表面活化和珍贵木质超薄贴面装饰等。许多学者对木材表面功能性改良进行了相关研究。

利用二氧化硅对木材进行改性，上世纪90年代开始就有研究。据报道，日本学者Saka等最早采用溶胶-凝胶法在木材内部生成SiO₂凝胶制备木材/无机复合材料，利用调湿材浸渍于四乙氧基硅烷(TEOS)中，木材内部的结合水引发了四乙氧基硅烷的水解反应、缩聚反应，在木材空隙中生成二氧化硅粒子，制备得到多孔性的二氧化硅/木材复合材料，该复合材料保留了木材多孔等良好特性。进一步研究发现，细胞壁内生成的硅凝胶量是有选择性的，含水率越高，生成的凝胶量越多，对生成硅凝胶量不同的复合材料进行评估的结果表明，复合材料内部凝胶含量越高，表现出的尺寸稳定性和滞火效应就越好(《具有多空结构的无机质复合木材》[J].张明华等译吉林建材.1999，80(4)：38～43)。Ogiso等先用超声波处理木材，然后再与四乙氧基硅烷(TEOS)反应制备二氧化硅/木材复合材料，发现超声波处理能影响其增重率，使制备木材-无机质复合材料尺寸稳定性、耐火性和耐蚁性存在着局部化学效应(《超声波处理对制备木材-无机质复合材料的影响》[J].张明华等译吉林建材.2000，8(1)：42～48)。Saka等用3-异氰酸丙酯基三乙氧基硅烷(IPTEOS)对木材进行化学改性后，用四异丙基钛酸酯的异丙醇溶液处理制备了含有TiO₂无机物质的二氧化硅/木材复合材料(《化学改性木材-无机质复合材料》[J].张明华等译吉林建材.2000，82(2)：39～44)。1994年，Ogiso等先用异氰酸盐、环氧树脂、乙烯树脂和甲基丙烯酸树脂类的硅烷偶联剂在无水条件下进行木材化学无机改性，然后用正硅酸乙酯处理制备了化学改性二氧化硅/木材复合材料，实验发现，SiO₂凝胶同与木材物质共价键合的硅烷偶联剂锁具，这对于尺寸稳定性和耐热性更为有效(《木材和无机物质之间的化学键对提高性能的影响》[J]张明华等译.吉林建材.2000，83(3)：38～43)。

在国内，很多学者也进行了研究。1996年，王西成等先将陶瓷前驱体溶液水解获得溶胶，使用盐酸作催化剂，将经干燥的木材试样置于真空处理罐内抽真空，再将溶胶吸入处理罐中的木材，经一定时间后转为正压处理，取出后再陈化、干燥，得到陶瓷化木材(《陶瓷化木材的复合机理》[J].材料研究学报.1996，10(4)：435～439)。1998年，王西成等引入γ-(2.3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷作为偶联剂，偶联剂分子链的一端与木材纤维素中的羟基发生反应，使木材(锻木或杨木)与偶联剂通过C-O-C键连结起来，另一端的烷氧基水解，形成RSi-OH，在催化剂的作用下与TEOS的水解产物发生缩聚反应。这样，木材与二氧化硅间借助于偶联剂在更大程度上通过Si-O-Si及C-O-C醚键连接起来，增强了其界面结合力，进一步提高了木材的综合性能(《木材/二氧化硅原位复合材料的界面研究》[J].材料工程.1998，(5)：16～18)。2003年，陈志林一方面利用TEOS与水在催化剂的作用下发生水解反应制得溶胶，然后再将溶胶注入木材中，制备陶瓷化复合木材；另一方面，采用MTES与TEOS共水解获得改性溶胶，然后再将溶胶注入木材中，制备得MTES改性溶胶陶瓷化复合木材(《陶瓷化复合木材复合方法与性能的基础性研究》[博士学位论文].北京北京工业大学，2003)。2004年，邱坚采用TEOS为前驱体，利用超临界技术，制备了木材-SiO₂气凝胶复合材料(《木材-SiO₂气凝胶纳米复合材的研究》[博士学位论文].哈尔滨东北林业大学，2004)。2006年，符韵林采用TEOS为前驱体制备SiO₂/木材复合材料，并研究SiO₂/木材复合材料的微细构造、物理性能、二氧化硅与木材的结合方式、动态粘弹性等性质，以及二氧化硅凝胶粒子介入木材细胞壁的空间位置(《二氧化硅/木材复合材料的微观结构与物性》[博士学位论文].北京：北京林业大学，2006)。

综上所述，目前国内外专家学者的研究都是以二氧化硅进入木材内部为改性目的，使二氧化硅凝胶生成于木材内部固有空隙中，从结果来看，制造得到的二氧化硅/木材复合材料的硬度、吸湿性等物理力学性能都有了一定的提高。但从溶胶-凝胶制备方法及反应机理看，反应前驱体——正硅酸乙酯进入木材内部后水解生成溶胶，然后转变成凝胶，此过程发生在木材内部细胞空隙中，由于木材细胞空隙空间较小，前驱体进入时遇到较大的阻力，导致生成的二氧化硅粒子易发生团聚，生成的二氧化硅粒子未达到纳米尺寸大小，所以制造出来的二氧化硅/木材复合材料未表现出纳米材料的奇特性质。

另外，纳米二氧化硅运用于涂料中，可赋予涂料屏蔽作用，达到抗紫外光老化及热老化的目的，同时提高了涂料的隔热、光洁度、附着力、自清洁能力以及颜料的悬浮性，确保涂料颜色长期不变色。国内外学者作了许多相关研究。张卫国等在机械搅拌和超声场共同作用下，将纳米二氧化硅均匀分散到聚氨酯清漆中，制得纳米二氧化硅复合涂料，改性纳米二氧化硅含量为0.7％(质量)时的复合漆防腐能力最佳，且漆膜附着力最强(《纳米二氧化硅复合涂料的制备及其性能》化工学报，2006，57(11)：2746～2749)。张克杰等研究纳米二氧化硅水性塑料涂料研制，采用苯丙乳液与纳米二氧化硅复合，得到高性能的水性纳米复合塑料涂料，该涂料涂膜硬度达到3H以上，耐热在100℃沸水中不回粘，耐水性好，丰满度高(《纳米二氧化硅水性塑料涂料的研制》中国涂料，2006，21(5)：18～20)。王振希等研究了纳米二氧化硅用于苯丙白色涂料中，发现在苯丙涂料中添加5‰纳米二氧化硅能提高涂膜4倍以上的抗老化性能(《纳米二氧化硅对苯丙涂料性能的影响》南昌大学学报(工科版)，2004，26(3)：48～50)。金祝年应用纳米二氧化硅改进外墙涂料性能，发现纳米SiO₂能有效降低涂料因紫外线和红外光照射造成的色差值，提高外墙涂料的抗老化性(《应用纳米二氧化硅改进外墙涂料性能的研究》化工新型材料，2004，32(5)：42～43)。

可见，纳米二氧化硅在涂料中应用广泛，获得较好的改善效果。但是，关于纳米二氧化硅在木材及家具涂料中的应用，仍少有报道。

根据现有技术中存在的一些问题，如采用溶胶-凝胶法，使二氧化硅介入木材内部细胞空隙以达到功能改良的目的，造成二氧化硅易团聚，功能改良效果不理想；纳米二氧化硅已广泛应用于墙体涂料、金属涂料、塑料涂料等领域，且具有良好的改善作用，但关于纳米二氧化硅在木材及家具涂料中的应用，仍少有报道。因此，本申请提出用二氧化硅以涂料作载体对木材进行改性，使二氧化硅仅分散分布于木材表面，实现对木材表面性质改良的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制备工艺简单、产品质量好、生产成本降低的用二氧化硅改良木材表面性质的方法。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

二氧化硅以涂料作载体改良木材表面性质；将质量为涂料质量1％-2％的改性或未改性的纳米粉状二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中，搅拌均匀后涂饰在木材表面，涂刷3遍，然后将试件在室温下放置10d，最后得到表面改良材。

所述纳米粉状二氧化硅直径为50纳米。

所述涂料是油性的聚氨酯漆涂料。

二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中的方法是：将改性或未改性的粉状二氧化硅添加入按聚氨酯漆∶固化剂∶稀释剂＝1∶0.5∶1配好的聚氨酯漆涂料中，搅拌均匀得所需含SiO₂的涂料。

对SiO₂进行改性处理时，将SiO₂和硅烷偶联剂KH-570(添加量为SiO₂质量的15％)共同分散于甲苯溶液中，加热回流搅拌处理即得所需改性SiO₂。

采用本发明的方法对木材表面进行改性处理，木材表面性质得到较明显的改善。木材表面涂层的耐磨性、附着力、耐冲击性、硬度、耐老化性能均得到改善。直接将未改性二氧化硅加入聚氨酯漆涂料中，木材表面涂层的附着力等级由2级上升到1级；涂层最大抗冲击能力由10mm提高到100mm；经过6个老化周期后涂层抗老化能力提高了1.3倍。将改性二氧化硅加入聚氨酯漆涂料中，木材表面涂层的磨耗量由0.301g下降到0.193g；涂层附着力等级由2级上升到1级；涂层最大抗冲击能力由10mm提高到200mm；涂层硬度等级由H上升到2H；经过8个老化周期后，涂层抗老化能力提高了1.6倍左右。且生产工艺简单，反应过程快，产品质量稳定，产品成本明显降低，可用于制备各类木地板、室内装饰及家具等用材，前景极为广阔。

具体实施方式

本发明是以二氧化硅为增强体，利用二氧化硅对木材表面进行处理，以达到改良木材表面疏水性、耐光性、耐久性、耐磨性等性质。用二氧化硅以涂料作载体对木材进行改性可以使二氧化硅仅分布于木材表面，实现对木材表面性质改良的作用。

实施例1

1.将1g粉状纳米二氧化硅(直径为50纳米，以下同)直接加入100g市售的华润佳缘聚氨酯漆涂料，按聚氨酯漆(成膜物是聚氨(基甲酸)酯树脂)∶固化剂(异氰酸酯基)∶稀释剂(天那水)＝1∶0.5∶1配制，搅拌至均匀；

2、按照木材纹理涂刷木材表面，每个试件涂3遍，使木材对二氧化硅聚氨酯漆涂料充分的吸收。涂刷完成后将试件常温下放置10d；

3、经过改良的木材表面漆膜耐磨性减低，磨耗量由0.301g增加到0.299g；附着力由2级提高到1级；最大抗冲击能力由10mm提高到50mm；光泽度由48％降低到18.67％；经过6个周期的老化试验，抗老化能力提高了1.07倍。

实施例2

1、将2g粉状纳米二氧化硅直接加入100g市售的华润佳缘聚氨酯漆涂料，按实施例1的方法配制，搅拌至均匀；

2、涂刷木材表面的方法和试件常温下放置同实施例1；

3、经过改良的木材表面漆膜耐磨性减低，磨耗量由0.301g增加到0.423g；附着力由2级提高到1级；最大抗冲击能力由10mm提高到100mm；光泽度由48％降低到5.86％；经过6个周期的老化试验，抗老化能力提高了1.3倍。

实施例3

1、首先把粉状纳米SiO₂在200℃条件下烘干3h，然后取5g烘干后的SiO₂和0.75ml的KH-570共同分散于装有150ml的甲苯溶液的玻璃反应釜中，加热回流搅拌5h，控制加热温度为110℃左右，转速为150转/分。反应结束后，停止反应并冷却，利用旋转蒸发器离心处理，用无水乙醇洗涤数次，直至将甲苯溶液洗掉，然后干燥，最后得到改性SiO₂；

2、将1.5g改性粉状纳米二氧化硅加入100g聚氨酯漆涂料中，按实施例1的方法配制，搅拌至均匀；

3、涂刷木材表面的方法和试件常温下放置同实施例1；

4、经过改良的木材表面漆膜耐磨性得到改善，磨耗量0.301g降低为0.193g；最大抗冲击能力由10mm提高到200mm；光泽度由48％降低到8.73％；硬度由H提高到2H；经过8个周期的老化试验，抗老化能力提高了1.55倍。

实施例4

1、首先按照实施例3的方法对粉状纳米SiO₂进行改性，得到改性SiO₂；

2、将2g改性粉状纳米二氧化硅加入100g聚氨酯漆涂料中，按实施例1的方法配制，搅拌至均匀；

3、涂刷木材表面的方法和试件常温下放置同实施例1；

4、经过改良的木材表面漆膜耐磨性得到改善，磨耗量0.301g降低为0.214g；附着力由2级提高到1级；最大抗冲击能力由10mm提高到200mm；光泽度由48％降低到7.55％；硬度由H提高到2H；经过8个周期的老化试验，抗老化能力提高了1.67倍。

Claims

1.一种用二氧化硅改良木材表面性质的方法，将二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中，搅拌均匀后涂饰在木材表面，涂刷3遍后将试件在室温下放置10d，最后得到表面改良材；

其特征是：

二氧化硅为直径50纳米的改性纳米粉状二氧化硅，加入二氧化硅的质量为聚氨酯漆涂料质量的1％-2％；

二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中的方法是：将改性的粉状二氧化硅添加入按聚氨酯漆∶固化剂∶稀释剂＝1∶0.5∶1配好的聚氨酯漆涂料中，搅拌均匀得所需含SiO₂的涂料；

对SiO₂进行改性处理时，将SiO₂和添加量为SiO₂质量15％的硅烷偶联剂KH-570共同分散于甲苯溶液中，加热回流搅拌处理即得所需改性SiO₂。