CN102975253B

CN102975253B - 一种木材阻燃剂、制备方法及其用途

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Publication number: CN102975253B
Application number: CN201210480273.1A
Authority: CN
Inventors: 周文瑞; 李建章; 张世锋; 高强; 张纪芝
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: CN102975253A

Abstract

本发明涉及一种木材阻燃剂，其原料按重量包括磷酸、尿素、催化剂、水及硅溶胶；本发明还涉及了所述木材阻燃剂的制备方法以及其作为木材尺寸稳定剂的用途。本发明提供的阻燃剂不但阻燃效果显著，而且具有较好的尺寸稳定功能。此外，所述木材阻燃剂还具备甲醛消除功能，用于人造板处理时能够有效提高人造板的环保特性。本发明提供的木材阻燃剂制备方法简单，成本较低，远低于现有国内外木材阻燃剂的价格。

Description

一种木材阻燃剂、制备方法及其用途

技术领域

本发明涉及阻燃材料领域，具体涉及一种木材阻燃剂、制备方法以及其用途。

背景技术

木材及其制品广泛应用于室内装修、家具制造、房屋建筑及外部装饰中，这些材料属于可燃材料，极易引起火灾，且干缩湿胀、尺寸稳定性较差，如何提高材料的阻燃性与尺寸稳定性已成为全世界广泛关注的问题。

目前，防止木材及其制品发生火灾的最常用方法是在这些材料中使用阻燃剂，这些阻燃剂大多基于含磷、氮、硼、铝和卤素等化合物，无机阻燃剂由于具有阻燃性好、不产生有毒性气体（卤素阻燃剂除外）、不析出、不挥发、价格低廉、来源广泛、安全性高等特点而得到广泛应用。

例如，在《精细化工》2000年第2期上发表的文章“木材阻燃处理工艺研究”（作者：李燕芸等）公开了一种磷-氮系无机阻燃剂，其主要是由双氰胺、甲醛、尿素、磷酸二氢铵按一定比例配成的阻燃液。这种无机阻燃剂主要以溶液形态使用，如通过对木材进行浸渍，获得阻燃效果。磷-氮系阻燃剂具有阻燃协同作用，降低分解温度，增加炭的生成，减少可燃性气体的产生以及降低热量等作用。

公开日为2000年4月5日、公开号为CN1249325A的中国专利申请中公开了一种防火阻燃剂，该阻燃剂由尿素、磷酸、硼砂、硼酸等混合而成，适用于棉布、化纤、纸张、木材等易燃物的阻燃。

公开日为2006年7月26日、公开号为CN1807552A的中国专利申请中公开了一种磷氮复合阻燃剂，该阻燃剂是通过尿素和磷酸进行化学反应后再加入中和剂如氨进行中和反应制成的，适用于纺织品和木材制品等易燃物的阻燃，该阻燃剂的制备方法相对较简单，安全环保。

专利号为ZL200710122243.2的中国专利提供了一种用于木材及人造板的具备消纳甲醛作用的阻燃剂及其制备方法，该技术制备的阻燃剂无色、无嗅，本身无毒，具有抑烟性能，且制备成本低。

虽然上述文献中公开的阻燃剂具有制造方法简单成本低等优点，但是其抗流失性较差，对木材的尺寸稳定性没有贡献。

发明内容

为克服现有木材阻燃剂效果单一的技术缺陷，开发新型多功能的阻燃剂材料，本发明的目的是提供一种木材阻燃剂。

本发明的另一目的是提供一种木材阻燃剂的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种木材阻燃剂的用途。

本发明提供的阻燃剂，按重量份包括以下原料：

磷酸: 20～200份；

尿素: 20～100份；

催化剂: 0.1～1.0份；

水: 40～250份；

硅溶胶: 10～100份；

所述催化剂按重量份由以下成分组成：氯化锡0.8～1.2份；硫酸铜1.5～2.5份；氯化钠0.8～1.2份；氯化铁0.8～1.2份；硫酸铝0.8～1.2份；硼酸0.8～1.2份及氯化锌1.5～2.5份。

本发明提供的木材阻燃剂作用于木材时，硅溶胶有助于木材细胞壁的溶胀，提高阻燃成分（磷酸和尿素在催化剂作用下的聚合产物）在细胞壁里的留存。木材干燥时，木材、阻燃成分、纳米二氧化硅之间存在氢键和分子间力的作用，从而使木材的稳定性和抗流失性也得到明显地提高。

优选地，所述阻燃剂按重量份包括以下原料：

磷酸: 50～150份；

尿素: 30～60份；

催化剂: 0.2～0.5份；

水: 50～200份；

硅溶胶: 20～60份。

所述磷酸为质量百分比浓度是80～90%的磷酸水溶液。

所述硅溶胶选用常见的市售产品即可，其中二氧化硅的含量约为20-30wt%。

所述水优选为硬度低于8的软化水。

本发明还提供了所述木材阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）向反应釜中加入磷酸，搅拌并加热，使温度上升至50～60℃；

（2）向所述反应釜中加入尿素，搅拌均匀；

（3）温度上升至90～120℃时，向所述反应釜中加入催化剂，温度上升至130～140℃后，停止加热；

（4）将所述反应釜降温至60～80℃，加入水，搅拌均匀；

（5）反应釜降温至20～30℃时，加入无机碱至pH值为8.5～9.5，再向所述反应釜中加入硅溶胶，搅拌均匀即得。

其中，所述催化剂的各个组分可以预先以任意添加顺序进行混合，然后作为整体添加至所述反应釜中。

其中，所述无机碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

其中，所述无机碱为质量百分比浓度为30～50%的水溶液。

上述制备过程中，所述搅拌的转速为50～70转/分。

所述步骤（3）中，在温度上升至130～140℃后，所述反应釜内反应物体积增至原体积的2～3倍时停止加热。

本发明还提供了上述技术方案任一项所述木材阻燃剂作为木材尺寸稳定剂的用途。本发明的木材阻燃剂不仅能起到优良的阻燃作用，还能明显提高木材的尺寸稳定性，具有多重复合功能。

本发明技术方案具有如下优点

（1）本发明提供的木材阻燃剂不但阻燃效果显著，而且具有较好的尺寸稳定功能。处理木材增重率在20%时，氧指数能够达到45%以上，尺寸稳定性ASE能够达到20%以上。

（2）本发明提供的阻燃剂具有甲醛消除功能，用于胶合板等人造板处理，能够有效提高人造板环保特性，处理胶合板增重率在10%时，E₂级胶合板环保性能可稳定在E₀级（≤0.5mg/L）。

（3）本发明提供的木材阻燃剂制备方法简单，成本较低，1吨固体含量40%左右的本发明液体阻燃剂制造成本约为3000元/吨，远远低于现有国内外木材阻燃剂的价格。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

1、按以下重量配比进行原料备料：

软化水（硬度低于8度）： 100kg；

磷酸（质量浓度为85%的水溶液）： 100kg；

尿素（氮含量约为46.4%）： 50kg；

催化剂： 0.35kg；

硅溶胶（二氧化硅质量分数约为25%）：20kg。

其中，催化剂为北京林业大学材料科学与技术学院环保阻燃技术中心自行配制的淡黄绿色粉剂，制备过程如下：按重量计将氯化锡1.0份、硫酸铜2.0份、氯化钠0.9份、氯化铁1.1份、硫酸铝0.8份、硼酸1.2份及氯化锌1.8份研磨后混合均匀即得。

2、制备过程如下：

1）、在配有搅拌器、温度计和冷凝管的反应釜中，加入磷酸溶液，搅拌同时加热，使温度上升直至约60℃；

2）、向反应釜内加入尿素，同时对磷酸和尿素的混合物继续进行搅拌，使物料分布、受热均匀；

3）、温度上升至120℃时，向反应釜中缓慢地、均匀地加入催化剂使混合物进行反应，此时反应物料变成浅绿色；继续加热使温度达到135℃左右，加热的同时观察反应现象，随着温度升高，浅绿色液体逐渐变成乳白色粘稠物，泡沫急剧增多，温度上升速度明显加快，物料的体积迅速膨胀，冷凝管有大量气体排出，待反应釜内反应物的体积增加至原来体积的两倍左右时停止加热，继续搅拌，反应釜内物料依靠自身的放热继续剧烈反应，温度继续上升，待反应趋于平稳，温度开始下降时，表明反应完毕；

4）降温至70℃左右时，向反应釜中加入温度为50℃的软化水，搅拌均匀；

5）降温至30℃左右时，用氢氧化钠溶液（质量浓度40%）调节pH值在8.5-9.5之间，最后向反应釜中加入硅溶胶，搅拌均匀即可；

6）将所得产品倒入容器中储存备用。

产品的技术指标：

外观：透明液体

固体含量（wt%）： 42

pH值： 8.5-9.5

粘度（涂-4杯）（25℃，S）：10.2

比重（g/cm³）： 1.20

有效期（年）： 2

实施例2

1、按以下重量配比进行原料备料：

软化水： 180kg；

磷酸（质量浓度为85%的水溶液）： 150kg；

尿素（氮含量约为46.4%）： 54kg；

催化剂： 0.48kg；

硅溶胶（二氧化硅质量分数约为20%）： 60kg。

其中，催化剂为北京林业大学材料科学与技术学院环保阻燃技术中心自行配制的淡黄绿色粉剂，制备过程如下：按重量计将氯化锡0.9份、硫酸铜1.6份、氯化钠1.0份、氯化铁1.0份、硫酸铝1.2份、硼酸1.1份及氯化锌2.0份研磨后混合均匀即得。

2、制备过程如下：

1）、在配有搅拌器、温度计和冷凝管的反应釜中，加入磷酸，搅拌同时加热，使温度上升直至50℃；

3）、继续加热使温度上升至115℃时，向反应釜中缓慢地、均匀地加入催化剂使混合物进行反应；继续加热使温度达到130℃左右，继续加热的同时观察反应现象，随着温度升高，浅绿色液体逐渐变成乳白色粘稠物，泡沫急剧增多，温度上升速度明显加快，物料的体积迅速膨胀，冷凝管有大量气体排出，待反应釜内反应物的体积增加至原来体积的2.5倍时停止加热，继续搅拌，反应釜内物料依靠自身的放热继续剧烈反应，温度继续上升，待反应趋于平稳则温度不再上升，温度开始下降时，表明反应完毕；

4）、降温至65℃左右时，向反应釜中加入温度为40℃的软化水，搅拌均匀；

5）、降温至20℃左右时，用氢氧化钠调溶液（质量浓度45%）调节pH值在8.5-9.5之间，最后向反应釜中加入硅溶胶，搅拌均匀即可；

6）、将所得产品倒入容器储存备用。

产品的技术指标：

外观：透明液体

固体含量（wt%）： 45

pH值： 8.5-9.5

粘度（涂-4杯）（25℃，S）： 10.1

比重（g/cm³）： 1.21

有效期（年）： 2

实施例3

1、按以下重量配比进行原料备料：

软化水： 100kg；

磷酸（质量浓度为80%的水溶液）： 65kg；

尿素（氮含量约为46.4%）： 38kg；

催化剂： 0.28kg；

硅溶胶（二氧化硅质量分数约为30%）：30kg；

其中，催化剂同实施例1。

2、制备过程同实施例1。

所得产品的技术指标：

外观：透明液体

固体含量（wt%）： 45

pH值： 8.5-9.5

粘度（涂-4杯）（25℃，S）： 10.4

比重（g/cm³）： 1.22

有效期（年）： 2

实施例4

1、按以下重量配比进行原料备料：

软化水： 70kg；

磷酸（质量浓度为90%的水溶液）： 50kg；

尿素：（氮含量约为46.4%） 32kg；

催化剂： 0.25kg；

硅溶胶（二氧化硅质量分数约为25%）： 50kg；

其中，催化剂同实施例2。

2、制备过程同实施例2。

所得产品的技术指标：

外观：透明液体

固体含量（wt％）： 46

pH值： 8.5-9.5

粘度（涂-4杯）（25℃，S）： 10.5

比重（g/cm³）： 1.22

有效期（年）： 2

实验例1

分别采用本发明实施例1-4的阻燃剂产品制备胶合板。

1、实验材料：

单板：杨木单板，厚度1.4-1.5mm，含水率7%-9%，幅面450×450mm；

胶粘剂：市售改性脲醛树脂胶粘剂（三聚氰胺改性，其用量与尿醛树脂用量的摩尔比为1.1），产品的性能指标如下：

固体含量（wt%）： 56

pH值： 7.5

粘度（mPa·S）（20℃）： 300

固化速度(s)： 47

游离甲醛含量（%）： 0.24

贮存期（天）： 20

2、具体实验步骤：

1）将本发明实施例1-4的阻燃剂配成固含量为10wt%的水溶液，分别对单板进行浸渍处理30分钟；

2）使用除湿干燥箱，在干燥温度为80℃下对处理过的单板进行干燥处理，使其最终含水率达到在6～8%；

3）调胶：按重量在胶粘剂中加入15%的面粉、1%的氯化铵，搅拌均匀；

4）对单板进行涂胶，涂胶量为双面涂280g/m²；

5）对由五层单板组坯的板材依次进行冷压、热压、冷却和裁边。其中冷压压力为1-1.2MPa，冷压时间为30min；热压压力为1.0-1.2MPa，热压温度为120℃，热压时间为60s/mm。

3、胶合板性能检测

按GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对制备的胶合板产品进行性能检测，检测结果见表1。

参照GB/T2406-93《塑料燃烧性试验方法氧指数法》测定制备的胶合板产品的氧指数指标。GB50222-95《建筑内部装修设计防火规范》规定的B1级的氧指数是≥48%。

按照日本JAS标准中规定的II类板进行检测，具体方法：将胶合板产品在70±3℃的热水中浸泡3小时，再在60±3℃的烘箱中烘3小时，接着检测其胶层情况，符合JAS标准中有关浸渍剥离性能。

依照GB/T8627-1999《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》进行烟密度检测，烟密度等级SDR≤75为合格。

对照例1

除不采用本发明阻燃剂浸渍以外，其它步骤与实验例1相同，制备同样的胶合板作为对照。

对照例2

采用市购的氮-磷系水基型阻燃剂（CAS No.：68333-79-9，上海新华阻燃剂总厂，聚合度小于20）代替本发明的木材阻燃剂进行浸渍（固含量浓度、浸渍时间等都与实验例1相同），其它步骤也与实验例1相同，制备同样的胶合板作为对照。

实验例1及对照例1、2的结果如表1所示：

表1胶合板性能测试结果

表1中的结果表明，本发明阻燃剂不但阻燃效果显著，而且具有明显的甲醛消除效果。用本发明阻燃剂浸渍处理的胶合板，其阻燃胶合板氧指数在58%以上，甲醛释放量可稳定在E₀级（≤0.5mg/L），优于现有的阻燃剂产品。

实验例2

将浸渍处理时间变为10分钟，干燥温度变为60℃，终含水率为10-12%，其它步骤与实验例1相同，测试实施例1-4、对照例1胶合板的性能，结果如表2所示：

表2胶合板性能测试结果

表2中的结果表明，本发明阻燃剂不但阻燃效果显著，而且具有明显的甲醛消除与抑烟效果。用本发明阻燃剂处理胶合板，胶合板氧指数在56％以上，甲醛释放量可稳定在E₀级（≤0.5mg/L），且显示出很好的抑烟性能。

实验例3

分别采用本发明实施例1-4的阻燃剂产品处理杨木木材。

杨木试件：树龄十年，边材，尺寸（径向×弦向×轴向）30×30×5mm；

按以下工艺处理杨木试件：

将本发明实施例1-4的阻燃剂分别配成固含量为10wt%的水溶液。

杨木试件在使用前用苯和乙醇的混合液（2∶1）（V/V）抽提12小时，放入105℃鼓风干燥箱中12小时，称量绝干试件的重量并测量其尺寸。

将试件放于盛有上述阻燃剂的烧杯中，用石块压住试件。将烧杯放入真空箱，在真空度0.02MPa常温状态下保持0.5小时；恢复至常压，保持24小时。取出试件，将表面拭净；放入105℃鼓风干燥箱12小时，测量其重量与尺寸。

将处理过的试件放入盛有清水的烧杯中，保证水面覆盖试件。将烧杯放入真空干箱中，真空度0.02MPa，保持0.5小时，常压保持24小时，测量其重量与尺寸。再将试件放入105℃鼓风干燥箱中12小时，称量绝干试件的重量并测量其尺寸。

对照例3

采用对照例2的氮-磷系水基型阻燃剂，配成固含量为10wt%的水溶液，对杨木试件进行处理，步骤与实验例3相同。

实验例3及对照例3的结果如表3所示：

表3试件性能测试结果

表3中的结果表明，采用本发明阻燃剂处理的木材，表现出了尺寸稳定作用，且具有较好的抗流失性，是现有阻燃剂不具备的功能。

实验例1-3及对照例1-3的结果表明：本发明提供的阻燃剂不仅阻燃效果理想、而且还具有明显的尺寸稳定作用，是一种新型、多功能的阻燃剂产品。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种木材阻燃剂，其特征在于，按重量份包括以下原料：

所述催化剂按重量份由以下成分组成：氯化锡0.8～1.2份；硫酸铜1.5～2.5份；氯化钠0.8～1.2份；氯化铁0.8～1.2份；硫酸铝0.8～1.2份；硼酸0.8～1.2份及氯化锌1.5～2.5份；

所述硅溶胶二氧化硅的含量为20-30wt％；

所述木材阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)向反应釜中加入磷酸，搅拌并加热，使温度上升至50～60℃；

(2)向所述反应釜中加入尿素，搅拌均匀；

(3)温度上升至90～120℃时，向所述反应釜中加入催化剂，温度上升至130～140℃后，所述反应釜内反应物体积增至原体积的2～3倍时停止加热；

(4)将所述反应釜降温至60～80℃，加入水，搅拌均匀；

(5)反应釜降温至20～30℃时，加入无机碱至pH值为8.5～9.5，再向所述反应釜中加入硅溶胶，搅拌均匀即得。

2.根据权利要求1所述的阻燃剂，其特征在于，按重量份包括以下原料：

3.根据权利要求1或2所述的阻燃剂，其特征在于，所述磷酸为质量百分比浓度是80～90％的磷酸水溶液。

4.权利要求1-3任一项所述阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)向所述反应釜中加入尿素，搅拌均匀；

(4)将所述反应釜降温至60～80℃，加入水，搅拌均匀；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述无机碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述无机碱为质量百分比浓度为30～50％的水溶液。

7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的转速为50～70转/分。

8.权利要求1-3任一项所述阻燃剂作为木材尺寸稳定剂的用途。