CN103302708A

CN103302708A - 一种新型疏水性木材的制备方法

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Publication number: CN103302708A
Application number: CN2013101665544A
Authority: CN
Inventors: 吴燕; 张碧莲; 杨蕊; 黄琼涛; 吴智慧; 孙宏南; 关惠元; 杨波; 刘丹丹; 王洁
Original assignee: GUANGDONG PROVINCE YIHUA TIMBER INDUSTRY Co Ltd; Nanjing Forestry University
Current assignee: Yihua life Polytron Technologies Inc
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: CN103302708B

Abstract

本发明所述新型疏水性木材的制备方法，包括以下步骤：先将烷基烯酮二聚体胶粒在40℃-60℃下熔融，然后加入一定量的阳离子淀粉及乳化剂、水，经高压均质器处理制得烷基烯酮二聚体乳液，随后与一定量的纳米纤维素凝胶共混配制成复合乳液；然后将木材和复合乳液在反应罐中进行先抽真空再注入复合乳液的方法处理一段时间后；取出木材，沥干复合乳液，在烘箱中干燥3-8h，即得新型疏水性木材。本发明的方法工艺简单，不改变木材的颜色，不腐蚀设备，能耗低、产品无异味，可广泛用于室内外家具基材和装饰材料。

Description

一种新型疏水性木材的制备方法

技术领域

本发明涉及木材制造及改性领域，特别是一种疏水性木材的制备方法。

背景技术

木材主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成的高分子材料，由于木材自身的组织构造，使木材具有吸湿膨胀的特性，造成在某些环境下木材尺寸稳定性差的缺陷。提高尺寸稳定性的途径有很多，如：外表面涂刷防水材料；用膨胀剂填塞木材细胞壁；用极性较小的基团代替木材纤维素和木质素上的羟基，使木材化学成分发生改变；在木材成份的结构单元间进行化学交联等等，但现有的这些提高木材疏水性的方法大都存在制备工艺复杂、能耗大、产品有异味以及腐蚀设备、成本高等问题。为此中国专利CN201210032886.9公开了一种提高木材整体疏水性的方法，该方法采用将烷基烯酮二聚体（简称AKD）配成一定浓度的正己烷稀释溶液对木材进行浸注改性，以提高木材整体的疏水性能。但该方法仅是通过AKD与木材内的纤维素发生化学反应，在木材内细胞壁上具有疏水性，从而使木材表面及木材内部具有一定的疏水特性。而在木材细胞壁内，有微晶、微纤丝和纤丝之间的间隙构成了木材的微毛细管系统，微毛细管系统的吸水和解吸会引起木材细胞壁的收缩和膨胀，进而导致木材尺寸和体积发生改变。所以降低细胞壁上游离羟基数量及减少细胞壁内间隙才是提高疏水性的根本所在。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种既可以使木材具备了疏水及自清洁功能，还可以提高木材的尺寸稳定性及力学强度，并且工艺简单，不需要加热加压处理、不改变木材的颜色，不腐蚀设备，能耗低，且产品无异味的新型疏水性木材的制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述新型疏水性木材的制备方法，其特点是包括以下步骤：

（一）、烷基烯酮二聚体胶粒在40℃-60℃下熔融，然后加入一定量的阳离子淀粉及乳化剂、水，经高压均质器处理制得质量浓度为0.01%-10%的烷基烯酮二聚体乳液，备用。

（二）、将质量浓度为0.01%-10%的烷基烯酮二聚体乳液与质量浓度为0.5%-20%的纳米纤维素凝胶按(1-5):1的重量配比混合并高速搅拌，制得复合乳液，备用。

（三）、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.13Mpa～-0.09MPa，并保持负压15min～60min。

（四）、在真空状态下向反应罐中注入经步骤（二）中得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，保持真空状态15min-60min后解除真空，恢复常压后继续浸渍30min-120min。

（五）、取出木材，沥干复合乳液，在80-110℃烘箱中干燥3-8h，即得新型疏水性木材。

在本发明中，因AKD是一种不饱和内酯，在常温下是蜡状固体，不溶于水，须制备成乳液才能使用，而乳化剂和阳离子淀粉具有自留着和协同增效作用，因此在AKD熔融液中加入阳离子淀粉及乳化剂，可有效提高AKD乳液的稳定性，减少其使用量，降低生产成本。

其中步骤一中各组份的重量配比为，阳离子淀粉：乳化剂：烷基烯酮二聚体胶粒：水=(2-4.9):(0.1-3):(0.01-10):(85-95)。乳化剂可为二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠或十二烷基磺酸钠等，上述阳离子淀粉为季铵型阳离子淀粉，如季铝盐阳离子淀粉、2-羟基-3-甲基丙烯酸羟丙基三甲基氯化铵等。

上述纳米纤维素凝胶的制备方法为：将微晶纤维素加入到质量浓度为30-70%的硫酸溶液中，在30-60℃温度下搅拌，使微晶纤维素发生水解反应，生成粒径小于100nm的纳米纤维素；将此纳米纤维素溶液经蒸馏水多次洗涤后，经超声波处理10-60min，即制得纳米纤维素凝胶。其中，微晶纤维素与硫酸溶液按重量比（1-10）:100进行混合。

本发明中上述步骤（三）的作用：是将木材中细胞腔及细胞间隙的空气抽出，有利于浸渍液（复合乳液）的浸注；同时也因木材在罐子中处于负压力状况，所以复合乳液能更快、更彻底地进入木材中间去，浸渍效率高。

本发明由于采用将烷基烯酮二聚体（AKD）进行乳化处理后与一定量的纳米纤维素凝胶共混配制成复合乳液，然后利用反应罐在真空及常压的条件下对木材进行复合乳液浸渍处理的方法，充分利用了纳米纤维素凝胶和AKD的特点及协同增效的作用，使制得的木材具备了良好的疏水性能及自清洁功能。因纳米纤维素凝胶的原料来源于生物质材料的纤维素，具有来源广泛、高强度、高韧性、生物可降解性、无毒、无味，是一种新型的环保材料的特点。AKD分子中含有2个基团：疏水基团和反应活性基团。施胶时，反应活性基团与纤维的羰基发生酯化反应，形成共价键结合，在纤维表面形成一层稳定的薄膜，此时疏水基团（长链烷基）转向纤维表面之外，使之获得憎液性能，从而表现出一定的疏水性。所以将反应型的AKD乳液及高性能的纳米纤维素复合乳液引入到木材结构中，一方面利用纳米纤维素凝胶填充木材孔隙，并且其自身表面富含的羟基又可与木材细胞壁中纤维素上游离羟基发生氢键缔合；另一方面，辅以AKD分子亲水端同时与木材纤维素分子上游离羟基的化学反应，疏水端转向表面之外使木材表面获得憎液性，从而表现出一定的疏水性。这样本发明既达到了疏水效果，在一定程度上又利用纳米纤维素的高强度、高韧性的特点，大大提高了木材的力学强度。并且本发明的方法工艺简单，不需要加热加压处理，不改变木材的颜色，不腐蚀设备，能耗低、产品无异味，可广泛用于室内外家具基材和装饰材料，有效地解决了现有的疏水性木材制备工艺复杂、能耗大以及腐蚀设备、产品有异味等问题。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明制备的疏水性木材表面与水接触的结构示意图。

具体实施方式

本发明所述新型疏水性木材的制备方法，包括以下步骤：

（一）、烷基烯酮二聚体胶粒在40℃-60℃下熔融，然后加入一定量阳离子淀粉及乳化剂、水，经高压均质器处理制得质量浓度为0.01%-10%的烷基烯酮二聚体乳液，备用；

（二）、将质量浓度为0.01%-10%的烷基烯酮二聚体乳液与质量浓度为0.5%-20%的纳米纤维素凝胶按(1-5):1的重量配比混合,并高速搅拌制得复合乳液，备用。

（三）、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.13Mpa～-0.09MPa，并保持负压15min-60min。

其中步骤一中各组份的重量配比为，阳离子淀粉：乳化剂：烷基烯酮二聚体胶粒：水=(2-4.9):(0.1-3):(0.01-10):(85-95)。优选重量配比为，阳离子淀粉:乳化剂: 烷基烯酮二聚体胶粒:水=(3-4.5):(0.5-2.0):10:85。烷基烯酮二聚体胶粒的优选熔融温度为45-55℃。

上述步骤（一）中的乳化剂可为二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠或十二烷基磺酸钠，上述阳离子淀粉为季铵型阳离子淀粉，如季铝盐阳离子淀粉、2-羟基-3-甲基丙烯酸羟丙基三甲基氯化铵等。

本发明中上述烷基烯酮二聚体乳液的优选质量浓度为0.0１%～５%。上述纳米纤维素凝胶的优选质量浓度为1%~15%。

上述步骤（三）中，优选是木材放入反应罐内真空状态需保持３０min~５０min。

上述步骤（四）中优选是木材浸没于复合乳液中保持６０min~９０min。

上述步骤（五）中优选是干燥时间为5~7h。

利用本发明制得的新型疏水性木材，其表面与水的接触角可达130°以上，具有良好的疏水性。

本发明采用将烷基烯酮二聚体（AKD）进行乳化处理后，把木材浸泡在烷基烯酮二聚体乳液/纳米纤维素凝胶的复合乳液中，使烷基烯酮二聚体中的反应活性基团与木材纤维上的羰基发生酯化反应，形成共价键接合，在纤维表面形成一层稳定的薄膜，此时疏水基团（长链烷基）转向纤维表面之外，使木材获得憎液性能，从而表现出一定的疏水性。另外，纳米纤维素凝胶可有效填充木材空隙，并与细胞壁物质产生交联反应，提高了木材的力学强度。这种方法既可以使木材具备了疏水及自清洁功能（不易沾灰尘、污渍和雨水等），还可以提高木材的尺寸稳定性及力学强度。经本发明的方法得到的新型疏水性木材在木材纤维表面聚结疏水基团，同时在木材空隙填充纳米纤维素凝胶，工艺简单，不改变木材的颜色，不腐蚀设备，能耗低，且产品无异味，可广泛用于室内外家具基材和装饰材料。至于本发明中的纳米纤维素凝胶由于是现有的、市场有买的环保材料，所以其具体的来源及制备方法在此不再详述。

以下结合具体的实施例对本发明作进一步详细的描述；

实施一：本实施方式的一种新型超疏水性木材的制备方法按以下步骤进行：

一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在45℃下熔融，然后加入一定量十二烷基磺酸钠或二辛基琥珀酸磺酸钠、季铝盐阳离子淀粉、水，其中重量配比是，季铝盐阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=2:3:10:85，经高压均质器处理制得乳液。二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的质量浓度为0.1%，纳米纤维素凝胶的质量浓度为2%高速搅拌共混配置复合乳液。三、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.09MPa，并保持负压30min；四、在真空状态下注入经步骤一中得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，保持真空状态60min后解除真空，恢复常压后继续浸渍30min。五、取出木材，沥干复合乳液，在80~110℃烘箱中干燥5h，即得新型疏水性木材。

经测试，本实施方式该新型疏水性木材表面与水的接触角为131°，具有疏水性。经本发明的方法得到的新型疏水性木材在木材纤维表面聚结疏水基团，同时在木材空隙填充纳米纤维素凝胶，工艺简单，不改变木材的颜色，不腐蚀设备，能耗低，且产品无异味，可广泛用于室内外家具基材和装饰材料。

实施例二：本实施方式所述新型超疏水性木材的制备方法按以下步骤进行：一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在50℃下熔融，然后加入一定量十二烷基磺酸钠和季铝盐阳离子淀粉、水，其中重量配比是，阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=4.9:0.1:8:87，经高压均质器处理制得乳液；二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的质量浓度为0.2%，纳米纤维素凝胶的质量浓度为1%高速搅拌共混配置复合乳液；三、在真空状态下注入步骤二得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，解除真空恢复常压浸渍60min；四、取出木材，沥干复合乳液，在80℃烘箱中干燥5h，即得新型疏水性木材。

本实施方式中步骤二中所述的木材为黑胡桃。

经测试，本实施方式该新型疏水性木材表面与水的接触角为135°，具有疏水性。

实施例三：本实施方式所述新型超疏水性木材的制备方法按以下步骤进行：

一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在60℃下熔融，然后加入一定量十二烷基磺酸钠和季铝盐阳离子淀粉、水，其中重量配比是，阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=3:2:6:89，经高压均质器处理制得乳液。二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的质量浓度为0.4%，纳米纤维素凝胶的质量浓度为5%高速搅拌共混配置复合乳液。三、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.09MPa，并保持30min；四、在真空状态下注入步骤二得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，解除真空恢复常压浸渍30min。四、取出木材，沥干复合乳液，在80℃烘箱中干燥5h，即得新型疏水性木材。

本实施方式中步骤二中所述的木材为番龙眼。

经测试，本实施方式该新型疏水性木材表面与水的接触角为130°，具有疏水性。

实施例四：本实施方式所述新型超疏水性木材的制备方法按以下步骤进行：

一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在50℃下熔融，然后加入一定量十二烷基磺酸钠和季铝盐阳离子淀粉、水，其中各组份的重量配比，阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=2.5:2.49:0.01:95，经高压均质器处理制得乳液。二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的质量浓度为5%，纳米纤维素凝胶的质量浓度为1%高速搅拌共混配置复合乳液；三、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.09MPa，并保持30min。四、在真空状态下注入步骤二得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，解除真空恢复常压浸渍120min；四、取出木材，沥干复合乳液，在80℃烘箱中干燥5h，即得新型疏水性木材。

本实施方式中步骤二中所述的木材为木荚豆。

经测试，本实施方式该新型疏水性木材表面与水的接触角为134°，具有疏水性。

实施例五：本实施方式所述新型超疏水性木材的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在60℃下熔融，然后加入一定量十二烷基磺酸钠和季铝盐阳离子淀粉、水，其中重量配比为，阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=4:1:10:85，经高压均质器处理制得乳液。二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的浓度为0.1%（质量），纳米纤维素凝胶的浓度为8%（质量）高速搅拌共混配置复合乳液。三、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.10MPa，并保持30min；四、在真空状态下注入步骤二得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，解除真空恢复常压浸渍90min。四、取出木材，沥干复合乳液，在80℃烘箱中干燥5h，即得新型疏水性木材。

本实施方式中步骤二中所述的木材为龙脑香。

经测试，本实施方式该新型疏水性木材表面与水的接触角为131°，具有疏水性。

实施例六：本实施方式所述新型超疏水性木材的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在50℃下熔融，然后加入一定量二辛基琥珀酸磺酸钠和2-羟基-3-甲基丙烯酸羟丙基三甲基氯化铵阳离子淀粉、水，其中，重量配比是，阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=2.9:2.1:10:85，经高压均质器处理制得乳液；二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的浓度为0.05%（质量），纳米纤维素凝胶的浓度为10%（质量）高速搅拌共混配置复合乳液；三、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.13MPa，并保持40min；四、在真空状态下注入步骤二得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，解除真空恢复常压浸渍90min；四、取出木材，沥干复合乳液，在80℃烘箱中干燥5h，即得新型疏水性木材。

本实施方式中步骤二中所述的木材为龙脑香。

实施例七：本实施方式所述新型超疏水性木材的制备方法按以下步骤进行：

一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在50℃下熔融，然后加入一定量2-羟基-3-甲基丙烯酸羟丙基三甲基氯化铵阳离子淀粉及甘胆酸钠、水，其中重量配比是，阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=3.5:1.5:10:85，经高压均质器处理制得乳液；二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的浓度为8%（质量），纳米纤维素凝胶的浓度为2%（质量）高速搅拌共混配置复合乳液；三、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.09MPa，并保持30min；四、在真空状态下注入步骤二得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，解除真空恢复常压浸渍120min；四、取出木材，沥干复合乳液，在80℃烘箱中干燥5h，即得新型疏水性木材。

经测试，本实施方式该新型疏水性木材与水的接触角为134°，具有疏水性。

实施例八：本实施方式所述新型超疏水性木材的制备方法按以下步骤进行：

一、按照烷基烯酮二聚体（AKD）胶粒在45℃下熔融，然后加入一定量2-羟基-3-甲基丙烯酸羟丙基三甲基氯化铵阳离子淀粉及甘胆酸钠、水，其中重量配比是，阳离子淀粉：乳化剂：AKD胶粒：水=3.9:1.1:10:85，经高压均质器处理制得乳液。二、按照烷基烯酮二聚体（AKD）的浓度为5%（质量），纳米纤维素凝胶的浓度为20%（质量）高速搅拌共混配置复合乳液。三、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.13MPa，并保持30min；四、在真空状态下注入步骤二得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，解除真空恢复常压浸渍120min。四、取出木材，沥干复合乳液，在90℃烘箱中干燥4h，即得新型疏水性木材。

尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种新型疏水性木材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（一）、烷基烯酮二聚体胶粒在40℃-60℃下熔融，然后加入一定量的阳离子淀粉及乳化剂、水，经高压均质器处理制得质量浓度为0.01%-10%的烷基烯酮二聚体乳液，备用.

（二）、将质量浓度为0.01%-10%的烷基烯酮二聚体乳液与质量浓度为0.5%-20%的纳米纤维素凝胶按(1-5):1的重量配比混合并高速搅拌，制得复合乳液，备用.

（三）、将木材放到反应罐中，将反应罐密闭后抽真空至-0.13Mpa～-0.09MPa，并保持负压15min-60min.

（四）、在真空状态下向反应罐中注入经步骤（二）中得到的复合乳液，并使木材浸没于复合乳液中，保持真空状态15min-60min后解除真空，恢复常压后继续浸渍30min-120min；

2.根据权利要求1所述的新型疏水性木材的制备方法，其特征在于在上述步骤（一）中，各组份的重量配比为，阳离子淀粉:乳化剂: 烷基烯酮二聚体胶粒:水=(2-4.9):(0.1-3):(0.01-10):(85-95)。

3.根据权利要求2所述的新型疏水性木材的制备方法，其特征在于在上述步骤（一）中，各组份的重量配比为，阳离子淀粉:乳化剂: 烷基烯酮二聚体胶粒:水=(3-4.5):(0.5-2.0):10:85。

4.根据权利要求1所述的新型疏水性木材的制备方法，其特征在于上述纳米纤维素凝胶的制备方法为：将微晶纤维素加入到质量浓度为30-70%的硫酸溶液中，在30-60℃温度下搅拌，使微晶纤维素发生水解反应，生成粒径小于100nm的纳米纤维素；将此纳米纤维素溶液经蒸馏水多次洗涤后，经超声波处理10-60min，即制得纳米纤维素凝胶，其中，微晶纤维素与硫酸溶液按重量比（1-10）:100进行混合。

5.根据权利要求1所述的新型疏水性木材的制备方法，其特征在于在上述步骤（一）中，烷基烯酮二聚体胶粒的熔融温度为45-55℃。

6.根据权利要求1所述的新型疏水性木材的制备方法，其特征在于上述步骤（一）中的乳化剂为二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠或十二烷基磺酸钠，阳离子淀粉为季铵型阳离子淀粉。

7.根据权利要求1所述的新型疏水性木材的制备方法，其特征在于上述步骤（二）中烷基烯酮二聚体乳液的质量浓度为0.0１%～５%。

8.根据权利要求1所述的新型疏水性木材的制备方法，其特征在于上述步骤（二）中纳米纤维素凝胶的质量浓度为1%～5%。

9.根据权利要求1所述新型疏水性木材的制备方法，其特征在于上述步骤（三）中，木材放入反应罐内真空状态需保持３０min～５０min。

10.根据权利要求1所述新型疏水性木材的制备方法，其特征在于上述步骤（四）中木材浸没于复合乳液中保持６０min～９０min,上述步骤（五）中干燥时间为5～7h。