CN102942796B - 阻燃木质复合门芯材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃木质复合门芯材料，由下列重量百分比的原料制成:预处理后的木粉40%～50%、聚合物基体27%～30%、酚醛纤维5%~10%、水玻璃4%~10%、膦酸酯8%~12%和加工助剂1%～3%。本发明还公开了该阻燃木质复合门芯材料的制备方法，采用硬脂酸对木粉表面进行处理，将处理后木粉与聚合物基体、酚醛纤维和水玻璃进行高速热混合，再与膦酸酯、加工助剂熔融复合、压延、冷却成型，制得阻燃木质复合门芯材料，不含甲醛、力学性能优良、尺寸稳定、表观性能好、燃烧等级达到B级，且制备方法操作简单，适于工业化生产。

Description

阻燃木质复合门芯材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种阻燃木质复合门芯材料及其制备方法。

背景技术

在公共场所和居室内设置具有一定阻燃、防火性能的木质门，可切实保障人民的生命财产安全。传统的阻燃木质门用难燃木材或难燃木材制品作门框、门扇骨架、门芯面板，经压制胶合或模压成型为复合门，门芯材料的选择和特殊加工处理在体现整扇复合门阻燃性能上起到至关重要的作用。目前，主要采用浸渍、组合和涂覆的方法，来提升门芯材料的阻燃性能。

木材浸渍可在常压下或真空高压条件下处理，阻燃浸渍液可在(NH₄)₂SO₄、NH₄H₂PO₄、ZnCl₂、Na₂B₄O₇、H₃BO₃、Na₂Cr₂O₇·2H₂O中选取一种或几种，配制成相应的水溶液。木材经过一段时间浸渍干燥后，遇到火焰时表面迅速碳化，在炭层内部形成由不燃性气体组成的多孔结构，形成凝聚相阻燃体系。采用这类材料作为门芯面板，可以明显提升防火效率，减少木质门达到一定耐火极限时的厚度。

组合方法制备的阻燃纤维板可作为门芯材料，阻燃纤维板可采用木屑、氢氧化铝、双季戊四醇、聚磷酸铵、甲醛-三聚氰胺-尿素共聚物进行组合热压成人造板，通过该方法制备的阻燃纤维板中的聚磷酸铵是一种强脱水剂，可协同成炭剂双季戊四醇促使木材表面碳化，而由甲醛-三聚氰胺-尿素共聚物分解产生的氨气起到气相阻隔的作用，从而使材料整体的阻火效果好、自熄时间几乎为零。除此之外，将木材碎片浸渍在含有氢氧化铝、双季戊四醇、聚磷酸铵的三聚氰胺脲醛树脂液中，再经过滤组合热压成型，也可以得到较好阻火性能的纤维板。

采用上述两种方法制备处理木材时，会破坏木材内原有的含水率、韧性和握钉力等，而涂覆法可以在一定程度上解决这些问题。例如，用水玻璃、甲烷基醇钠、羧甲基纤维素、Na₂B₂O₄·H₂O、磷酸铵、烷基苯磺酸盐和水配制的溶液涂覆在木材表面，立刻形成一个疏水层，该层与火焰接触后变成一个保护泡沫层，它可阻止材料进一步燃烧。除了有机涂料可对木材进行涂覆处理外，用氧化镁、二氧化钛、铝酸钙、氯化镁、二氧化硅等配制成的无机胶泥也可以用于木材表面涂覆，经无机阻燃胶泥涂覆后的木材与聚酯织物一起压制，即可制得低烟密度的阻燃层压面板材料。

综上所述，浸渍阻燃木材的方法会破坏木材的含水率及成型稳定性；组合方式制备的阻燃人纤维板内有一定量的甲醛，不利于环境保护；而涂覆法处理木材时，涂层与基材的热膨胀系数匹配不好，且涂层厚度有限，阻燃性能一般。

发明内容

本发明提供了一种阻燃木质复合门芯材料，其具有优良的阻燃性能、韧性、尺寸稳定性及长期表观性能。

本发明还提供了一种阻燃木质复合门芯材料的制备方法，采用硬脂酸对木粉表面进行预处理，将预处理后的木粉、聚合物基体、酚醛纤维、水玻璃、膦酸酯等进行熔融复合压延成型制备阻燃木质复合门芯材料，该制备方法操作简单，适于工业化生产。

一种阻燃木质复合门芯材料，由下列重量百分比的原料制成:

所述的预处理后的木粉的制备方法为：将木粉在130℃~150℃处理3h~6h，再与硬脂酸一起在115℃~120℃混合处理16min~20min，得到预处理后的木粉。所述的木粉的制备方法包括粉碎和研磨，一般为：将木材用粉碎成木块，再经气流磨研磨成木粉。为了后续研磨方便，所述的木块越小越好，一般尺寸为10mm~30mm的木块即可。

所述的硬脂酸即十八烷酸。

由于木粉含有纤维素、半纤维素、木质素及其他小分子酯类物质，材料分子结构中羟基基团的存在不利于木粉与聚合物基体、酚醛纤维的复合，因此本发明先用硬脂酸对木粉进行表面改性处理，得到预处理后的木粉，采用本发明方法预处理后的木粉可明显改善木粉与聚合物基体、酚醛纤维的复合效果。

所述的木粉的粒径优选为40目~80目，更利于采用硬脂酸对木粉进行表面改性处理。

所述的硬脂酸与木粉的质量比优选为0.05～0.1，该用量范围处理的木粉与其它原料的复合效果优良。

所述的聚合物基体选用热塑性聚烯烃，热塑性聚烯烃既来源广泛又可以与预处理后的木粉进行完美的复合，优选为高密度聚乙烯或聚丙烯等。

所述的酚醛纤维优选为圆柱状短切纤维，遇火碳化不收缩，并保持原有形态。进一步优选，所述的酚醛纤维的长度为3mm~5mm，直径为5μm~20μm，纤维过长不利于其在基材中分散，过短不能有效支撑起阻火保护炭层。

所述的水玻璃作为粘接剂，优选钾水玻璃（即硅酸钾），分子式为K₂O·nSiO₂。钾水玻璃一方面提高原材料之间的粘接性，另一方面使保护炭层牢固地粘接在碳化酚醛纤维上，相对其它水玻璃具有更好的耐腐蚀性能，防止木材腐蚀。其中，优选n=3.0~3.4，n值偏低，混合料粘接性能不好；n值偏高，粘接性能较差且不容易制成水溶液体系，不便于使用。所述的水玻璃最好以水玻璃水溶液的形式使用，操作更为方便且性能发挥更好，所述的水玻璃水溶液的质量百分浓度为一般为35%~38%。

所述的膦酸酯可以促进聚合物基体和木粉遇火时脱水碳化，形成保护性炭层，致密的炭层能阻隔氧气和火焰继续侵入底层材料；相比于磷酸酯，具有更好的抗迁移性及热稳定性，保持门芯材料尺寸的稳定。所述的膦酸酯选用甲基膦酸二甲酯、乙基膦酸二乙酯、丙基膦酸二甲脂、N,N-双(2-羟乙基)氨甲基膦酸二乙酯中的一种。

所述的加工助剂可利于材料的加工，可选用润滑剂，添加适量的剂量可减少木粉与聚合物基体树脂、木粉与设备螺杆（料桶）之间的摩擦力，有利于提高混合料的挤出速率。所述的加工助剂优选混合润滑剂乙撑双硬脂酰胺和氧化聚乙烯，乙撑双硬脂酰胺和氧化聚乙烯两者的质量比优选为1:1。所述的氧化聚乙烯可选用任意分子量的产品，优选分子量2000的氧化聚乙烯。

本发明的分子量均指数均分子量。

所述的阻燃木质复合门芯材料的制备方法，包括以下步骤:

将预处理后的木粉、聚合物基体、酚醛纤维和水玻璃一起预混合20min～30min，预混合温度为70℃～100℃，冷却并放置24h~48h后，加入膦酸酯和加工助剂，继续混合5min~10min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出并压延成型板材；将板材干燥，制得阻燃木质复合门芯材料。

将板材干燥的步骤可采用升温分段热处理的方法，干燥效果更好且能够保持板材的形状，包括：在50℃～80℃升温分段热处理至少12h。升温分段热处理为至少两段升温热处理过程。优选在50℃处理至少6h，再在70℃处理至少6h；或者优选在50℃处理至少4h，再在65℃处理至少3h，然后在80℃处理至少3h。

根据木粉的耐热温度及聚合物基体的熔融加工温度，可将熔融挤出或注塑的熔融段温度控制在155℃～200℃。

本发明所用的原料均可采用市售产品。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明阻燃木质复合门芯材料，其不含甲醛，具有优良的阻燃性能、韧性等力学性能优良、尺寸稳定、长期表观性能好且燃烧等级达到B级，非常适用于阻燃木质复合门芯。

本发明阻燃木质复合门芯材料的制备方法，采用硬脂酸对木粉表面进行预处理，将预处理后的木粉、聚合物基体、酚醛纤维、水玻璃、膦酸酯等进行熔融复合压延成型制备阻燃木质复合门芯材料，该制备方法操作简单，适于工业化生产。

具体实施方式

实施例1

将杉木原材料用粉碎机粉碎至10mm木块，再经气流磨研磨成粒径为80目的木粉；木粉在150℃烘箱内处理6h后，放入20000转/分钟的高速混合机内，加入硬脂酸，硬脂酸与木粉的质量比为0.05，在120℃下混合处理16min，得到预处理后的木粉。

酚醛纤维采用圆柱状短切纤维，直径为5μm，长度为3mm。

钾水玻璃分子式为K₂O·nSiO₂，n=3.0~3.4。

将4kg预处理后的木粉、2.7kg聚丙烯、1kg酚醛纤维和质量百分浓度为35%的钾水玻璃水溶液（其中钾水玻璃1kg）一起在20000转/分钟的高速混合机中预混合30min，预混合温度为100℃；待冷却至室温并放置24h后，加入1.2kg甲基膦酸二甲酯、0.05kg乙撑双硬脂酰胺和0.05kg分子量为2000的氧化聚乙烯，继续混合5min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出（一区150℃、二区170℃、三~五区190℃、六区200℃、七区190℃、模头195℃），并压延、水冷成型板材；将板材放入烘箱升温处理12h（50℃，6h；70℃，6h），制得阻燃木质复合门芯材料。

实施例2

将杉木原材料用粉碎机粉碎至10mm木块，再经气流磨研磨成粒径为80目的木粉；木粉在150℃烘箱内处理6h后，放入20000转/分钟的高速混合机内，加入硬脂酸，硬脂酸与木粉的质量比为0.1，在120℃下混合处理16min，得到预处理后的木粉。

酚醛纤维采用圆柱状短切纤维，直径为20μm，长度为5mm。

钾水玻璃分子式为K₂O·nSiO₂，n=3.0~3.4。

将5kg预处理后的木粉、3kg聚丙烯、0.5kg酚醛纤维和质量百分浓度为35%的钾水玻璃水溶液（其中钾水玻璃0.4kg）一起在20000转/分钟的高速混合机中预混合20min，预混合温度为100℃；待冷却至室温并放置24h后，加入0.8kg甲基膦酸二甲酯、0.15kg乙撑双硬脂酰胺和0.15kg分子量为2000的氧化聚乙烯，继续混合10min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出（一区150℃、二区170℃、三~五区190℃、六区200℃、七区190℃、模头195℃），并压延、水冷成型板材；将板材放入烘箱升温处理12h（50℃，6h；70℃，6h），制得阻燃木质复合门芯材料。

实施例3

将杉木原材料用粉碎机粉碎至10mm木块，再经气流磨研磨成粒径为80目的木粉；木粉在150℃烘箱内处理6h后，放入20000转/分钟的高速混合机内，加入硬脂酸，硬脂酸与木粉的质量比为0.1，在120℃下混合处理16min，得到预处理后的木粉。

酚醛纤维采用圆柱状短切纤维，直径为10μm，长度为4mm。

钾水玻璃分子式为K₂O·nSiO₂，n=3.0~3.4。

将4.5kg木粉、2.8kg聚丙烯、0.8kg酚醛纤维和质量百分浓度为35%的钾水玻璃水溶液（其中钾水玻璃0.6kg）一起在20000转/分钟的高速混合机中预混合30min，预混合温度为90℃；待冷却至室温并放置24h后，加入1.1kg甲基膦酸二甲酯、0.1kg乙撑双硬脂酰胺和0.1kg分子量为2000的氧化聚乙烯，继续混合8min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出（一区150℃、二区170℃、三~五区190℃、六区200℃、七区190℃、模头195℃），并压延、水冷成型板材；将板材放入烘箱升温处理12h（50℃，6h；70℃，6h），制得阻燃木质复合门芯材料。

实施例4

将杉木原材料用粉碎机粉碎至10mm木块，再经气流磨研磨成粒径为80目的木粉；木粉在150℃烘箱内处理6h后，放入20000转/分钟的高速混合机内，加入硬脂酸，硬脂酸与木粉的质量比为0.1，在120℃下混合处理16min，得到预处理后的木粉。

酚醛纤维采用圆柱状短切纤维，直径为10μm，长度为4mm。

钾水玻璃分子式为K₂O·nSiO₂，n=3.0~3.4。

将4.5kg木粉、2.8kg聚丙烯、0.8kg酚醛纤维和质量百分浓度为35%的钾水玻璃水溶液（其中钾水玻璃0.6kg）一起在20000转/分钟的高速混合机中预混合30min，预混合温度为90℃；待冷却至室温并放置24h后，加入1.1kg乙基膦酸二乙酯、0.1kg乙撑双硬脂酰胺和0.1kg分子量为2000的氧化聚乙烯，继续混合8min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出（一区150℃、二区170℃、三~五区190℃、六区200℃、七区190℃、模头195℃），并压延、水冷成型板材；将板材放入烘箱升温处理12h（50℃，6h；70℃，6h），制得阻燃木质复合门芯材料。

实施例5

将杉木原材料用粉碎机粉碎至10mm木块，再经气流磨研磨成粒径为80目的木粉；木粉在130℃烘箱内处理6h后，放入20000转/分钟的高速混合机内，加入硬脂酸，硬脂酸与木粉的质量比为0.1，在115℃下混合处理16min，得到预处理后的木粉。

酚醛纤维采用圆柱状短切纤维，直径为10μm，长度为4mm。

钾水玻璃分子式为K₂O·nSiO₂，n=3.0~3.4。

将4.5kg木粉、2.8kg聚丙烯、0.8kg酚醛纤维和质量百分浓度为35%的钾水玻璃水溶液（其中钾水玻璃0.6kg）一起在20000转/分钟的高速混合机中预混合30min，预混合温度为70℃；待冷却至室温并放置48h后，加入1.1kg丙基膦酸二甲脂、0.1kg乙撑双硬脂酰胺和0.1kg分子量为2000的氧化聚乙烯，继续混合8min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出（一区150℃、二区170℃、三~五区190℃、六区200℃、七区190℃、模头195℃），并压延、水冷成型板材；将板材放入烘箱升温处理12h（50℃，6h；70℃，6h），制得阻燃木质复合门芯材料。

实施例6

将杉木原材料用粉碎机粉碎至10mm木块，再经气流磨研磨成粒径为80目的木粉；木粉在150℃烘箱内处理3h后，放入20000转/分钟的高速混合机内，加入硬脂酸，硬脂酸与木粉的质量比为0.1，在120℃下混合处理16min，得到预处理后的木粉。

酚醛纤维采用圆柱状短切纤维，直径为10μm，长度为4mm。

钾水玻璃分子式为K₂O·nSiO₂，n=3.0~3.4。

将4.5kg木粉、2.8kg聚丙烯、0.8kg酚醛纤维和质量百分浓度为35%的钾水玻璃水溶液（其中钾水玻璃0.6kg）一起在20000转/分钟的高速混合机中预混合30min，预混合温度为90℃；待冷却至室温并放置24h后，加入1.1kgN,N-双(2-羟乙基)氨甲基膦酸二乙酯、0.1kg乙撑双硬脂酰胺和0.1kg分子量为2000的氧化聚乙烯，继续混合8min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出（一区150℃、二区170℃、三~五区190℃、六区200℃、七区190℃、模头195℃），并压延、水冷成型板材；将板材放入烘箱升温处理12h（50℃，6h；70℃，6h），制得阻燃木质复合门芯材料。

实施例7

将杉木原材料用粉碎机粉碎至10mm木块，再经气流磨研磨成粒径为40目的木粉；木粉在150℃烘箱内处理6h后，放入20000转/分钟的高速混合机内，加入硬脂酸，硬脂酸与木粉的质量比为0.1，在120℃下混合处理16min，得到预处理后的木粉。

酚醛纤维采用圆柱状短切纤维，直径为10μm，长度为4mm。

钾水玻璃分子式为K₂O·nSiO₂，n=3.0~3.4。

将4.5kg木粉、2.8kg聚丙烯、0.8kg酚醛纤维和质量百分浓度为35%的钾水玻璃水溶液（其中钾水玻璃0.6kg）一起在20000转/分钟的高速混合机中预混合30min，预混合温度为90℃；待冷却至室温并放置48h后，加入1.1kgN,N-双(2-羟乙基)氨甲基膦酸二乙酯、0.1kg乙撑双硬脂酰胺和0.1kg分子量为2000的氧化聚乙烯，继续混合8min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出（一区150℃、二区170℃、三~五区190℃、六区200℃、七区190℃、模头195℃），并压延、水冷成型板材；将板材放入烘箱升温处理12h（50℃，4h；65℃，3h；80℃，3h），制得阻燃木质复合门芯材料。

对实施例1～7制备的阻燃木质复合门芯材料进行性能测试，测试结果如下：

本发明制得的阻燃木质复合门芯材料采用如下方法进行测试及表征：

1.弯曲性能测试：按照GB/T 9341-2000标准，微机控制电子万能试验机（RG2000-10，深圳瑞格尔仪器有限公司）。

2.冲击性能测试：按照GB/T 1843-2008标准，悬臂梁缺口冲击测试，Ceast Resil冲击测试仪（意大利Ceast公司）。

3.燃烧性能分级测试：按照GB 8624-2006标准。

4.氧指数测试：按照GB/T 2406-2009标准。

本发明实施例1～7制备的阻燃木质复合门芯材料，其不含甲醛，具有优良的阻燃性能、韧性等力学性能优良以及燃烧等级达到B级；长期放置6个月后，尺寸稳定且长期表观性能良好。非常适用于阻燃木质复合门芯。

本发明所述范围内的配方及制备方法均可实现本发明，因此，本发明所述用量范围及参数范围的任意组合均可实现本发明并达到本发明预期的效果，在此不再赘述。

Claims (8)

1.一种阻燃木质复合门芯材料，其特征在于，由下列重量百分比的原料制成:

所述的预处理后的木粉的制备方法为：将木粉在130℃～150℃处理3h～6h，再与硬脂酸一起在115℃～120℃混合处理16min～20min，得到预处理后的木粉；

所述的酚醛纤维为圆柱状短切纤维，长度为3mm～5mm，直径为5μm～20μm；

所述的水玻璃为钾水玻璃，分子式为K₂O·nSiO₂，n＝3.0～3.4。

2.如权利要求1所述的阻燃木质复合门芯材料，其特征在于，所述的木粉的粒径为40目～80目。

3.如权利要求1所述的阻燃木质复合门芯材料，其特征在于，所述的硬脂酸与木粉的质量比为0.05～0.1。

4.如权利要求1所述的阻燃木质复合门芯材料，其特征在于，所述的水玻璃以水玻璃水溶液的形式使用，所述的水玻璃水溶液的质量百分浓度为35％～38％。

5.如权利要求1所述的阻燃木质复合门芯材料，其特征在于，所述的膦酸酯为甲基膦酸二甲酯、乙基膦酸二乙酯、丙基膦酸二甲脂、N,N-双(2-羟乙基)氨甲基膦酸二乙酯中的一种。

6.如权利要求1所述的阻燃木质复合门芯材料，其特征在于，所述的聚合物基体为热塑性聚烯烃；

所述的加工助剂为乙撑双硬脂酰胺和氧化聚乙烯，乙撑双硬脂酰胺和氧化聚乙烯两者的质量比为1:1。

7.如权利要求1～6任一项所述的阻燃木质复合门芯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

将预处理后的木粉、聚合物基体、酚醛纤维和水玻璃一起预混合20min～30min，预混合温度为70℃～100℃，冷却并放置24h～48h后，加入膦酸酯和加工助剂，继续混合5min～10min，再在双螺杆挤出机中熔融共混挤出并压延成型板材；将板材干燥，制得阻燃木质复合门芯材料。

8.如权利要求7所述的阻燃木质复合门芯材料的制备方法，其特征在于，将板材干燥的步骤采用升温分段热处理的方法，包括：在50℃～80℃升温分段热处理至少12h。