CN103659970B

CN103659970B - 一种木材阻燃改性剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103659970B
Application number: CN201310681583.4A
Authority: CN
Inventors: 张世锋; 李建章; 马林蓉; 李红艳; 高强
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103659970A

Abstract

本发明涉及一种木材阻燃改性剂，由如下重量份组分制备而得：磷酸(浓度为85%)80‑150份；尿素(含量99%)50‑120份；催化剂0.4‑0.8份；水100‑300份；丙三醇三缩水甘油醚2‑30份。所述阻燃改性剂无毒环保，制备成本较低，且处理后的木材抗流失性、阻燃性和尺寸稳定性均显著提高。

Description

一种木材阻燃改性剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种木材阻燃改性剂及其制备方法，属于木材加工领域。

背景技术

木材及其制品是一种性能优良的天然高分子材料，特别是以天然、美丽的纹理、调温调湿等优点，广泛应用于室内装修、家具制造、房屋建筑及外部装饰中。由于木材及其制品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，并逐渐成为研究的热点。

目前，为了防止木材及其制品燃烧，通常在其中加入一定量的含磷、氮、硼、铝和卤素等元素的化合物来提高木制品的阻燃性，使木制品具有良好的阻燃性、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。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。CN1807552A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。CN101121891公开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，且制备成本低。

上述文献虽然公开的阻燃剂具有制造方法简单、成本低、水溶性好等优点，但存在抗流失性较差或甲醛污染环境等问题，而且对木材的尺寸稳定性没有贡献。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于木材、特别用于速生材的具备尺寸稳定作用的阻燃改性剂及其制备方法，该改性剂无色，本身无毒，制备成本较低，且处理后的木材抗流失性和尺寸稳定性显著提高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种木材阻燃改性剂，由如下重量份组分制备而得：

其中，所述催化剂采用由以下重量份配比的原料配制而成：

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；氯化锌1.5-2.5份。

本发明提供的木材阻燃改性剂作用于木材时，交联剂丙三醇三缩水甘油醚上的环氧基团和木材的羟基（-OH）及阻燃剂的胺基（-NH₂，磷酸和尿素在催化剂作用下的聚合产物）间通过架桥并形成化学键，使得阻燃成分在木材内留存，从而使木材的稳定性和抗流失性得到明显地提高。

作为本发明优选的实施方式，所述木材阻燃改性剂由如下重量份组分制备而得：

本发明还提供上述阻燃改性剂的制备方法，包括如下步骤：

1）将磷酸搅拌加热至50-60℃时，加入尿素，得混合物1；

2）继续搅拌加热，混合物1温度升至90-120℃时，加入催化剂，得混合物2；

3）继续搅拌加热，待混合物2温度升至130-140℃时，停止加热；

4）待步骤3）混合物自然降温至40-60℃时，加入丙三醇三缩水甘油醚和水，搅拌均匀；继续降温至30-40℃，出料，得木材改性阻燃剂。

本发明通过控制各阶段反应温度，添加相应的组分，特别是在合成阶段结束冷却至40-60℃后加入丙三醇三缩水甘油醚，可以有效避免凝胶现象，所得木材改性阻燃剂为一种水基型氮磷阻燃改性剂。

本发明上述技术方案的优点体现在以下方面：

1）所得阻燃改性剂的不仅阻燃效果显著，而且具有较好的尺寸稳定作用。当处理木材增重率在15-20%时，氧指数能够达到55%以上，尺寸稳定性ASE能够达到24%以上，抗流失大大提高；

2）所得阻燃改性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，当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），而且胶合强度保持不变。

3）所述阻燃改性剂的制备方法简单，制造成本约为3500～4500元/吨，远低于现有国内外同等或近似性能阻燃剂的价格。

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

本实施例提供一种木材阻燃改性剂，具体方法如下：

A、按以下重量配比进行原料备料：

其中，催化剂为采用本领域常规方法将各原料混合搅拌配制的淡黄绿色粉剂。

B、制备阻燃改性剂：

1）在配有搅拌器、温度计和冷凝管的反应釜中，加入反应原料磷酸，搅拌同时加热，使温度上升至60℃，加入全部尿素，同时对磷酸和尿素的混合物继续进行搅拌加热，使物料分布、受热均匀，得混合物1；

2）使反应釜温度上升至120℃时，向反应釜中缓慢均匀加入催化剂，使混合物进行反应，此时反应物料变成浅绿色，得混合物2；

3）继续加热反应釜，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，待反应釜内温度达到135℃，停止加热，继续搅拌，反应釜内物料依靠自身的放热在剧烈反应，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）待反应釜降温至50℃时，向反应釜中加入丙三醇三缩水甘油醚及水，搅拌均匀；继续降温至30℃，出料，得木材改性阻燃剂。

产品的技术指标：

固体含量（％） 51.5

pH值 5.0-7.0

比重（g/cm³） 1.16

有效期（年） 2。

实施例2

本实施例提供一种木材阻燃改性剂，具体方法如下：

A、按以下重量配比进行原料备料：

催化剂与实施例1中的催化剂相同。

B、制备阻燃改性剂：

1）在配有搅拌器、温度计和冷凝管的反应釜中，加入反应原料中的磷酸，搅拌同时加热，使温度上升至50℃；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，得混合物1；

2）继续加热反应釜使温度上升至115℃时，向反应釜中缓慢均匀加入催化剂，使混合物进行反应，此时反应物料变成浅绿色，得混合物2；

3）继续加热反应釜，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，待反应釜内温度达到140℃，停止加热，继续搅拌，反应釜内物料依靠自身的放热在剧烈反应，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）待反应釜降温至50℃，向反应釜中加入丙三醇三缩水甘油醚及水，搅拌均匀；继续降温至30℃，出料，得木材改性阻燃剂。

产品的技术指标：

固体含量（％） 50.5

pH值 5.0-7.0

比重（g/cm³） 1.16

有效期（年） 2。

实施例3

本实施例提供一种木材阻燃改性剂，具体方法如下：

A、按以下重量配比进行原料备料：

其中，催化剂同实施例1。

B、制备阻燃改性剂：

1）在配有搅拌机、温度和压力显示器以及冷凝管的反应釜中，加入反应原料中的磷酸，搅拌同时加热，使温度上升至60℃；向反应釜内加入尿素，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，得混合物1；

2）继续加热使温度上升至110℃时，向反应釜中缓慢均匀加入催化剂，使混合物进行反应，此时反应物料变成浅绿色，得混合物2；

3）继续加热，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，主要为氨气和水蒸气，用水吸收,待反应釜内温度达到130℃，停止加热，继续搅拌，反应釜内物料依靠自身的放热在剧烈反应，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；

产品的技术指标：

固体含量（％） 46.5

pH值 5.0-7.0

比重（g/cm³） 1.16

有效期（年） 2。

实施例4

本实施例提供一种木材阻燃改性剂，具体方法如下：

A、按以下重量配比进行原料备料：

其中的催化剂同实施例1。

B、制备阻燃改性剂：

1）在配有搅拌机、温度和压力显示器以及冷凝管的反应釜中，加入反应原料中的磷酸，搅拌同时加热，使温度上升至60℃；3)向反应釜内加入尿素，继续加热，得混合物1；

2）继续加热使温度上升至110℃时，向反应釜中缓慢均匀加入催化剂，使混合物进行反应；此时反应物料变成浅绿色，得混合物2；

产品的技术指标：

固体含量（％）： 50.5

pH值 5.0-7.0

比重（g/cm³） 1.17

有效期（年） 2。

实验例1

分别采用本发明实施例1-4的产品制备胶合板。

1、实验材料

单板：杨木单板，厚度1.5mm，含水率7%-10%，幅面450×450mm；

胶粘剂：自制改性脲醛树脂（摩尔比1.1），产品的性能指标如下：

2、具体实验步骤：

1）将本发明实施例1-4的木材阻燃改性剂配成浓度为15%的水溶液，对单板进行浸渍处理30分钟；

2）使用鼓风干燥箱，在80℃条件下下对处理过的单板进行干燥，使其最终含水率达到在8%左右；

3）调胶：在胶粘剂中加入15-20％的面粉及1％的氯化铵，搅拌均匀；

4）对单板进行涂胶，涂胶量为双面涂280-300g/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1.2MPa，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。

对照例1

同样制备胶合板作为对照，除不用本发明改性剂浸渍以外，其他制备步骤与实验例1相同。

对照例2

采用市购的一种氮－磷系水基型阻燃剂（聚磷酸铵阻燃剂，聚合度小于20）作为对照，除用该阻燃剂10%浓度水溶液对单板进行浸渍处理外，其他制备步骤与实验例1相同。

表1胶合板性能

试件	甲醛释放量（mg/L）	胶合强度（MPa）	氧指数（%）
				实施例1	0.08	1.25±0.15	55.5
实施例2	0.10	1.14±0.21	58.1
				实施例3	0.10	1.07±0.16	56.9
实施例4	0.08	1.09±0.13	55.0
				对照例1	3.32	1.21±0.12	25.8
对照例2	1.98	1.16±0.18	45.7

表1中的实验结果表明，本发明阻燃改性剂不但阻燃效果显著，而且具有明显的甲醛消除效果。用本发明阻燃改性剂浸渍处理的胶合板，其阻燃胶合板氧指数在55％以上，阻燃效果显著，同时甲醛释放量可稳定在E₀级（≤0.5mg/L）。

实验例2

分别采用本发明实施例1-4的产品处理杨木木材。

杨木：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的改性剂分别配成10%浓度水溶液。

杨木试件在使用前用苯醇混合液(2:1)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改性剂的烧杯中，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。结果见表2。

对照例3

采用市购的上述阻燃剂，配成10%水溶液，对杨木进行处理，步骤与实验例4相同。

表2处理试件性能

实验结果表明，本发明改性剂处理后的木材，表现出一定的尺寸稳定作用，且具有较好的抗流失性。

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

1.一种木材阻燃改性剂，其特征在于，由如下重量份组分制备而得：

其中所述磷酸的浓度为85％，所述尿素的含量为99％。

2.根据权利要求1所述木材阻燃改性剂，其特征在于，其中，所述催化剂采用由以下重量份配比的原料配制而成：

3.根据权利要求1所述木材阻燃改性剂，其特征在于，由如下重量份组分制备而得：

其中所述磷酸的浓度为85％，所述尿素的含量为99％。

4.权利要求1-3任一所述阻燃改性剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将磷酸搅拌加热至50-60℃时，加入尿素，得混合物1；

2)继续搅拌加热，混合物1温度升至90-120℃时，加入催化剂，得混合物2；

3)继续搅拌加热，待混合物2温度升至130-140℃时，停止加热；

4)待步骤3)的混合物自然降温一定温度时，加入丙三醇三缩水甘油醚和水，搅拌均匀；继续降温至30-40℃，出料，得木材改性阻燃剂。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，降温至40-60℃时，加入丙三醇三缩水甘油醚和水。