CN103358371A

CN103358371A - 一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法

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Publication number: CN103358371A
Application number: CN2013102842993A
Authority: CN
Inventors: 夏燎原; 胡云楚; 陶涛; 吴义强; 张江; 邓凌峰
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103358371B

Abstract

一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法，包括：前驱体溶胶配制、真空加压浸渍、挥发自组装、水热处理等步骤。本发明通过自组装在木材孔道结构中引入了介孔分子筛，它具有增加密度、强度、耐磨等功效。本发明制备的木材与阻燃剂、防腐剂复合，不仅阻燃剂、防腐剂可长期保留在木材内部，不易流失，而且具有高效阻燃抑烟、长效防腐的效果。本发明可广泛用于复合木或实木的阻燃、防腐，该工艺流程易实现，成本低、效果好，值得推广。

Description

一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法

技术领域

本发明涉及木材材性改良、阻燃、防腐等技术领域，具体为一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法及其应用。

背景技术

木材广泛用于家具制造、室内装饰和建筑，深受人们喜爱。然而木材易燃，容易引发火灾，据报道，21%的火灾由木材等纤维材料引起，而70%以上的住宅火灾是由于木质材料易燃而引起，因而木材的阻燃性研究已成为大家共同关注的课题。降低木材的可燃性，抑制燃烧过程中烟雾毒气的产生，有助于火灾中人员的安全疏散，能够最大限度的减少火灾损失。复合阻燃剂是当前阻燃技术研究的重要方向之一。单一的阻燃剂往往存在很大缺陷，如磷-氮阻燃剂虽然阻燃作用明显，但在阻燃过程中易产生大量的烟雾毒气，易导致火灾中人员伤亡。因而，在实际阻燃技术中很少使用单一品种的阻燃剂，而是采用多种阻燃剂复合或添加阻燃增效剂以达到协同阻燃、抑烟减毒的效果。

木材防腐的主要包括防腐、防真菌变色、防霉、防虫蛀等功能性处理, 改善某些木材性质, 延长木材使用寿命。虽然目前大量使用的防腐剂的效果都比较好, 但多数有污染环境问题。为适应今后建筑用木材、人工林木材及不耐久木材、竹材及人造板（胶合板和集成材等）防腐需要, 有必要研制开发多功效的复合防腐剂。所以研制、开发、推广低毒、高效、抗流失、多功能的防腐剂是今后发展木材防腐工业的最重要的技术问题。

目前，木材阻燃、防腐处理主要是将复合木或实木表层涂覆或者浸渍阻燃剂、防腐剂。但是，这些方法处理的木材阻燃效果不佳、防腐时效短，主要由于阻燃剂、防腐剂难以进入木材的孔道结构，且容易流失所致。介孔分子筛不仅具有均匀的孔道结构、高的比表面积和良好的热稳定性，而且表面活性高。这些性质决定了介孔分子筛不仅具有良好的吸附、负载功能，而且具有一定的催化作用。木材具有天然的多孔结构，如果能够在木材的天然孔道中自组装生成介孔分子筛，然后进一步引入阻燃剂或防腐剂，从而实现复合阻燃、多功能防腐。这样，不仅可以提高木材的阻燃抑烟效果、防腐抗虫性能，而且还能有效的减少阻燃剂、防腐剂的流失，可对木材起到长期保护的作用。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种在木材天然多孔结构中自组装生成介孔分子筛的方法，然后利用介孔分子筛的高的吸附、负载功能，引入阻燃剂或防腐剂，从而实现木材的高效阻燃、持久防腐。本发明以表面活性剂为结构导向剂，硅源为前驱体，通过真空加压浸渍过程将前驱液引入到木材的孔道中，借助于溶剂挥发诱导自组装和水热晶化过程，即得到一种在孔道中自组装生成介孔分子筛的木材。该方法制备过程简单、生产成本低，经此方法处理的木材与阻燃剂、防腐剂复合，不仅能够显著提高木材的阻燃、抑烟性能，而且能够有效地杀灭和抑制真菌、蛀虫和白蚁等。与此同时，阻燃剂、防腐剂负载在介孔分子筛的孔道中，不易流失，可对木材起到长期保护的作用。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种在木材孔结构中自组装生成介孔分子筛的方法，包括如下步骤：

（1）溶胶配制：25~40℃下，取适量结构导向剂溶于一定量的乙醇和盐酸混合溶液中，搅拌均匀，然后加入与混合溶液质量比为1：（2~20）的硅源，继续搅拌0.5~3小时，得到前驱体溶胶。

（2）浸渍过程：将木材置于密封的浸渍罐中，抽真空至0.09Mpa以下，然后注入步骤（1）配制的溶胶，将木材完全浸泡1~6小时；缓慢放空，接着向浸渍罐加压0.5~1.5MPa，在25~40℃下继续浸泡2~8小时。

（3）挥发自组装：将经步骤（2）处理过木材在25~40℃下自然挥发除去溶剂，然后60~80℃熟化处理4~8小时。

（4）水热处理：将经步骤（3）处理过木材转移到密封罐中，在60~100℃的热水浴中处理6~48小时，然后烘干，即可得到一种在木材多孔结构中自组装生成介孔分子筛的复合木材。

在本发明中，步骤（1）中所述的结构导向剂与混合溶液的质量比为1：（4～20）；盐酸溶液的摩尔浓度为0.1~1mol/L；盐酸与混合溶液的质量比为1:（6～40）。

在本发明中，步骤（1）中所述的结构导向剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、环氧乙烷-聚环氧丁烷等三嵌段或二嵌段共聚物等非离子表面活性剂中一种或一种以上的混合物，作为优选表面活性剂为EO₂₀PO₇₀EO₂₀（P123）、EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆（F127）中一种。

在本发明中，步骤（1）中所述的硅源为乙氧基硅烷乙酯、甲氧基硅烷乙酯、水玻璃中的一种或一种以上混合物。

在本发明中，通过在木材孔道中自组装生成介孔分子筛对木材具有阻燃、耐磨、增加密度、强度、防腐等功效。将该木材进一步经过阻燃剂、防腐剂浸渍处理，不仅能够显著提高木材的阻燃、抑烟性能，而且能够有效地杀灭和抑制真菌、蛀虫和白蚁等，可对木材起到长期保护的作用。

有益效果：

本发明与现有工艺相比较，（1）本发明以表面活性剂为结构导向剂，硅源为前驱体，通过真空加压浸渍过程将前驱液引入到木材的孔道中，借助于溶剂挥发诱导自组装和水热晶化过程在木材孔道中自组装生成介孔分子筛；（2）经此方法处理的木材与阻燃剂、防腐剂复合，一方面不仅能够提高木材的阻燃抑烟性能，而且能够有效地杀灭和抑制真菌、蛀虫和白蚁等；另一方面阻燃剂、防腐剂可长期保留在木材内部，不易流失，具有长效阻燃、防腐效果；（3）与此同时，由于介孔分子筛在木材孔道中生成，具有增加密度、强度、耐磨等功效；（4）本发明可广泛用于复合木或实木的阻燃、防腐，该工艺流程易实现，成本低、效果好，值得推广。

附图说明

图1为实施例3的孔结构中自组装生成介孔分子筛的杨木试样的截面扫描电镜图。

图2为实施例3的杨木孔结构中自组装生成的介孔分子筛的透射电镜图。

图3为实施例4的空白板和自组装生成介孔分子筛的阻燃板的总热释放量。

图4为实施例4的空白板和自组装生成介孔分子筛的阻燃板的总烟释放量。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面举实例对本发明进行详细描述。

实施例1：

（1）溶胶配制：30℃下，取16克F127溶于120克乙醇和10克0.2mol/kg的盐酸混合溶液中，搅拌1小时，接着加入20.8克的正硅酸乙酯，继续搅拌1小时，得到透明的前驱体溶胶。

（2）浸渍过程：将20×20×10mm的杨木边材置于密封的浸渍罐中，抽真空至0.095Mpa，然后注入步骤（1）配制的溶胶，将木材完全浸泡3小时；缓慢放空，接着向浸渍罐加压1.5MPa，在30℃下继续浸泡4小时。

（3）挥发自组装：将经步骤（2）处理过木材在40℃下自然挥发除去溶剂，然后熟化4小时。

（4）水热处理：将经步骤（3）处理过杨木转移到密封罐中，在100℃水浴中热处理24小时，然后干燥处理，即可得到一种在木材多孔结构中自组装生成介孔分子筛的杨木复合材料。

实施例2：

（1）溶胶配制：30℃下，取10克P123溶于115克乙醇和6克0.5mol/kg的盐酸混合溶液中，搅拌1小时，接着加入20.8克的四甲氧基硅酸乙酯，继续搅拌2小时，得到透明的前驱体溶胶。

（2）浸渍过程：将100×100×10mm的杨木板置于密封的浸渍罐中，抽真空至0.001Mpa，然后注入步骤（1）配制的溶胶，将杨木板完全浸泡2小时；缓慢放空，接着向浸渍罐加压1MPa，在40℃下继续浸泡6小时。

（3）挥发自组装：将经步骤（2）处理过杨木板在40℃下自然挥发除去溶剂，然后熟化6小时。

（4）水热处理：将经步骤（3）处理过杨木板转移到密封罐中，在100℃水浴中热处理36小时，然后干燥处理，即可得到一种在木材多孔结构中自组装生成介孔分子筛的杨木复合板。

实施例3：

（1）溶胶配制：30℃下，取10克P123溶于100克乙醇和10克0.2mol/kg的盐酸混合溶液中，搅拌2小时，接着加入20.8克的正硅酸乙酯，继续搅拌1小时，得到透明的前驱体溶胶。

（2）浸渍过程：将100×100×10mm的杨木单板置于密封的浸渍罐中，抽真空至0.09Mpa以下，然后注入步骤（1）配制的溶胶，将木材完全浸泡1小时；缓慢放空，接着向浸渍罐加压0.5MPa，在30℃下继续浸泡2小时。

（3）挥发自组装：将经步骤（2）处理过木材在30℃下自然挥发除去溶剂，然后熟化8小时。

（4）水热处理：将经步骤（3）处理过木材转移到密封罐中，在80℃水浴中热处理48小时，然后干燥处理，即可得到一种在木材多孔结构中自组装生成介孔分子筛的复合木质材料。

在本实施例中，参见图1为实施例3的孔结构中自组装生成介孔分子筛的杨木试样的截面扫描电镜图。可以看出杨木的孔道变小，不同程度的填充和涂覆有二氧化硅层。

在本实施例中，参见图2为实施例3的杨木孔结构中自组装生成的介孔分子筛的透射电镜图。测试结果表明，在杨木孔结构中自组装生成的介孔分子筛具有有序的介观结构。

实施例4：

（1）溶胶配制：30℃下，取50克F127溶于500克乙醇和50克0.2mol/kg的盐酸混合溶液中，搅拌2小时，接着加入104克的正硅酸乙酯，继续搅拌1小时，得到透明的前驱体溶胶。

（2）浸渍过程：将100×100×10mm的杨木板置于密封的浸渍罐中，抽真空至0.095Mpa，然后注入步骤（1）配制的溶胶，将杨木板完全浸泡3小时；缓慢放空，接着向浸渍罐加压1.5MPa，在30℃下继续浸泡4小时。

（3）挥发自组装：将经步骤（2）处理过杨木板在40℃下自然晾干除去溶剂，然后熟化4小时。

（4）水热处理：将经步骤（3）处理过木材转移到密封罐中，在80℃水浴中热处理24小时，然后干燥处理，即可得到一种在木材多孔结构中自组装生成介孔分子筛的复合木质材料。

阻燃应用：

在本实施例中，实验所用杨木试材取其边材加工，试样的气干密度为0.437kg/m³，含水率约10%。参照ISO5660-1标准，准备试样，阻燃试样的尺寸为100mm×100mm×10mm。锥形量热仪的辐射强度为水平样品垂直方向上50kw/m²（材料表面温度约为760℃），电弧点燃。

阻燃处理：（1）取3组步骤（4）处理的试样,在80℃下干燥6小时，称重，记为A1；（2）然后将试件放于浸注罐体中，抽真空，注入聚磷酸铵溶液（20wt%），浸泡1小时；接着加压至1.0 MPa，保持2小时；（3）处理完毕后，取出杨木板试样，在80℃下干燥至恒重，称重,记为A2。经过阻燃剂浸渍处理，该杨木单板的密度为0.509g/cm³，乙炔焰3分钟点不燃。参见图3、图4所示为在木材的孔结构中自组装生成介孔分子筛的杨木单板的锥形量热实验中的总热释放量、总烟释放量对照图。测试结果表明，该阻燃人造板的阻燃、抑烟效果非常好，总热释放降低84.3%，总烟释放降低78.1%。

防腐应用：

本实施例中，实验所用杨木取其边材加工试件，试样的气干密度为0.437kg/m³，含水率约10%。试件的加工以及各项指标的测定按照国家标准GB 1927-40-91来进行。耐腐性试件尺寸为20mm×20mm×10mm,抗流失试件为20mm×20mm×10mm。采用白腐采绒革盖菌培养体进行耐腐测试。

防腐处理：（1）取5组步骤（4）处理的试样，在40℃下干燥至恒重，称出单重，记为B1；（2）接着将试件放于浸注罐体中，抽真空，注入防腐剂（0.75wt%的二癸基二甲基氯化铵）溶液，浸泡30 min。然后加压至0.8 MPa，保持1小时；（3）处理完毕后立即取出，用滤纸轻擦表面，称重，记为B2。然后将试件置于通风良好的橱窗自然晾干，以利防腐剂的固定。

表1. 防腐处理杨木试样板的保持量、质量损失量和耐腐等级之间的关系

保持量（kg/m³）	质量损失率(%)	耐腐等级
			0.6	8.75	耐腐
3.6	3.93	强耐腐
			7.2	2.21	强耐腐

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）溶胶配制：25~40℃下，取适量结构导向剂溶于一定量的乙醇和盐酸混合溶液中，搅拌均匀，接着加入与混合溶液质量比为1：（2~20）的硅源，继续搅拌0.5~3小时，得到前驱体溶胶；

（2）浸渍过程：将木材置于密封的浸渍罐中，抽真空至0.09Mpa以下，然后注入步骤（1）配制的溶胶，将木材完全浸泡1~6小时，缓慢放空，接着向浸渍罐加压0.5~1.5MPa，在25~40℃下继续浸泡2~8小时；

（3）挥发自组装：将经步骤（2）处理过木材在25~40℃下自然挥发除去溶剂，然后60~80℃熟化处理4~8小时；

（4）水热处理：将经步骤（3）处理过木材转移到密封罐中，在热水浴中处理6~48小时，然后烘干，即可得到一种在木材多孔结构中自组装生成介孔分子筛的复合木材。

2.根据权利要求1所述的一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的结构导向剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、环氧乙烷-聚环氧丁烷等三嵌段或二嵌段共聚物等非离子表面活性剂中一种或一种以上的混合物，作为优选表面活性剂为EO₂₀PO₇₀EO₂₀（P123）、EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆（F127）中一种。

3.根据权利要求1所述的一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的结构导向剂与混合溶液的质量比为1：（4～20）。

4.根据权利要求1所述的一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的盐酸溶液的摩尔浓度为0.2~1.0mol/L；盐酸与混合溶液的质量比为1：（6～40）。

5.根据权利要求1所述的一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的硅源为正硅酸乙酯、四甲氧基硅酸乙酯、水玻璃中的一种，作为优选为正硅酸乙酯。

6.根据权利要求1所述的一种在木材中自组装生成介孔分子筛的方法，其特征在于，步骤（4）所述的热水浴温度为60~100℃。