CN104589440A - 集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，充分利用速生材材质松软和多孔性的液体可渗透性的优异特质，通过真空-加压浸渍的方式使含有韧性和键能更高的-B-O-化学键的硼酸改性低分子酚醛树脂浸入到木材细胞，再采用高频热压的方式使木材内树脂快速固化。在木材纹理不受显著影响的条件下，不仅使速生材的密度、韧性、强度和尺寸稳定性得到提高，而且还使材料的阻燃性能和防虫防腐性能得到显著改善。本发明可用作木结构建筑中墙骨、地面龙骨、屋面或楼面的龙骨，以及胶合木的层板。

Description

集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺

技术领域

本发明涉及建筑结构工程技术领域，具体为一种集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺。

背景技术

随着城镇化建设的加快和人们生活水平的提高，木材作为可再生资源，绿色环保贴近自然，在建筑及家具装修等行业中备受青睐。近年来，我国从欧美、日本等发达国家引进现代木结构建筑先进制造技术和设备，进一步推动了我国木结构建筑的发展。然而，第八次全国森林资源清查结果显示，我国的森林覆盖率仅为21.63％，远低于全球31％的平均水平。森林有效供给与日益增长的社会需求矛盾十分突出。尤其是近些年来我国木结构建筑复苏后，木材供需矛盾必将日益加大，除了继续进口一定数量的木材为解燃眉之急外，积极发展速生丰产用材林，保证木材安全供应，节约外汇，是木材供需矛盾的根本办法。根据2002年国家林业局编制的《重点地区速生丰产用材林基地建设工程计划》，总规模为1333万公顷的速生丰产用材林工程建设期为2001～2015年。按每公顷年平均生产量15立方米计算，全部建成后，每年可提供木材13337万立方米，是国内生产用材需求量的40％，加上现有森林资源的采伐利用，届时国内木材供需可望基本趋于平衡。

大量采用优质进口材，材料成本高、代价大，同时不利于我国节约外汇，对我国的木材工业用材安全也是隐患；而我国常见的杨树、杉木、桉树等速生林，由于速生材生长周期短，变异性大，材质疏松，空隙度大，密度低，力学性能低，抗火、防腐性能差，因此速生材一直以来都是做人造板、造纸、包装材料、建筑模板等，而较少用于家具及建筑结构构件中，其应用范围又受到很大的限制。我国目前木材行业面临一方面有大量速生林木材无法高效利用，另一方面却花费大量外汇进口国外的木材。因此，通过木材物理、化学或二者兼而有之的方法对国产速生林木材进行改性处理，提高材料的力学、阻燃滞火和防腐防虫性能，满足市场对材料的功能需要，是解决木材供需矛盾的有效措施。

《一种木材改性方法》(申请号：981142710)采用由松香、合成树脂(SBS)、苯乙烯、汽油、乙醇、二甲脂、防老剂、防氧化剂配制而成的改性剂进行木材加温加压处理，改性后的木材具有防水、防腐、防虫的特性。此方法工艺复杂，处理时间长改性后的木材力学性能差。《一种增强、阻燃改性人工林木材及其制备方法》(专利号：2009100894130)公开了一种采用低分子量水溶性三聚氰胺改性脲醛树脂溶液复配阻燃剂对人工林木材进行浸渍处理，处理后的木材的密度、硬度、强度、尺寸稳定性均有所提高，但是这种改性剂存在稳定性差、难以长期储存、降低木材韧性等缺陷。《合成树脂浸渍木材改性的工艺方法》(申请号：2008100132255)公开了采用酚醛树脂浸渍木材改性的工艺方法，改性后的木材质量稳定，并且具有明显的增强性和加工性，但是该改性液合成时间长，且颜色较深，用于处理木材会严重影响木材本身的色泽和纹理，且在高温环境中使树脂固化的条件会使木材内部产生较大应力而发生开裂、变形，降低材料的利用率。

发明内容

本发明为实现将国产速生材用于木结构工程领域，提高国产低质速生材的产品附加值，以及工程用材的安全性的目的，提出了一种集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺。

本发明采用的技术方案为：一种集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，包括以下步骤：

1、待改性材预处理

待改性材包括力学性能、阻燃性能和天然防腐性能较差的国产速生杉木、杨木、马尾松、桉木，待改性材预处理指木材含水率在10～25％范围内的调整、材料材表刨光加工处理；

2、低分子改性树脂浓度调整

低分子改性树脂为含有-B-O-化学键的硼酸改性低分子酚醛树脂，低分子改性树脂浓度调整通过往树脂内添加蒸馏水稀释实现；

3、木材浸渍改性处理

木材浸渍改性处理为常温常压浸渍或真空加压浸渍；针对于木建筑结构用38mm厚度的规格材：木材的真空加压气压的浸渍工艺为先进行抽真空处理至真空度为-0.08～-0.09MPa，保持20min-60min，再加压至0.4～1.0MPa，保持30～120min；木材的真空加压液压的浸渍工艺为先进行抽真空处理至真空度为-0.08～-0.09MPa，保持10min-30min，再加压至1.4～2.2MPa，保持20～40min；树脂在处理过程中温度不超过50℃，木材始终位于树脂液面以下；

4、浸渍材内部树脂热固化

经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置5-10d，再在40～45℃通风环境中维持6-12小时、最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在120～140℃范围内。

作为优选，所述步骤1中，所述待改性材预处理还包含木材真空加压爆破、机械辊压、平压处理三种处理方式中的任意一种、或任意两种组合或三种，以提高木材的液体可渗透性。

作为优选，所述步骤2中，为保证改性材性能改良的有效性及可控性，所述蒸馏水稀释的低分子改性树脂的浓度调整至15～50％范围内。

作为优选，所述步骤3中，所述木材浸渍改性处理过程中，为更好的提高木材内树脂浸渍的速度和均匀程度，可以有选择性的同时加以超声震荡处理。

作为优选，所述步骤4中，所述热压机热压方式是高频式热压。

本发明根据速生木材材质松软、内部空隙率大、具有液体可渗透性的特点，将具有粘结性能、防腐性能和阻燃滞火功能的硼酸改性低分子酚醛树脂浸渍到木材内部进行复配，树脂的机械填入，以及树脂和木材活性官能团间化学键的生成，使得通过物理、化学二者兼而有之的改性处理，提高材料的力学、阻燃滞火和防腐防虫性能，满足市场、标准规范对材料的功能需要和要求，从根本上有效的解决我国的木材供需矛盾问题。

硼酸改性酚醛树脂改性木建筑结构用材阻燃性能提高原理：酚醛树脂常用作汽车刹车片和航空复合材料耐烧蚀零部件，原因在于固化后的酚醛树脂含有大量的芳香环结构，且高度交联，原子之间键能高，分子链之间存在高的内聚力，因此酚醛树脂显示出显著的耐热和耐高温摩擦性；此外，酚醛树脂高温条件下成炭的残留率高、发烟率低、高温时的强度保持率高。而硼酸具有良好的阻燃滞火功能，在酚醛树脂分子结构中引入硼元素可以使硼改性低分子酚醛树脂分子链中含有键能较高的-B-O-键，该结构能够进一步提高树脂的耐热性。因此，经由硼酸改性的酚醛树脂处理木材后，材料阻燃滞火性能提高效果明显。

硼酸改性酚醛树脂改性木建筑用材的防腐性能改善原理：根据有机化学基本反应原理，浸入到木材内部的低分子树脂，在热的作用下，可与木材内部大量的羟基、羧基等官能团发生反应，形成牢固的化学键结合，形成类似于木质素、半纤维素等结壳类物质从而包裹在纤维素微纤丝周围，可供腐朽菌、虫食用的木材有机成分极少外露，且由于树脂的浸入，极大程度地封闭了菌虫的生存空间，此外，硼酸，以及树脂中的游离未完全参与化学反应的甲醛和苯酚也是非常有效的杀虫剂。因此，经由硼酸改性的酚醛树脂处理木材后，材料防腐防虫性能改善效果明显。

硼酸改性酚醛树脂改性木建筑用材的力学性能提高原理：木材在外载荷作用下，首先发生破坏的不是由于纤维素分子链的断裂，而是纤丝中应力集中部位，即纤丝间联接最薄弱的部位，纤丝间相对滑移增大造成材料的破坏。而浸入到木材内部的低分子树脂，在热的作用下，与木材内部大量的羟基、羧基等官能团发生反应，形成牢固的化学键结合，对木材纤丝起到捆缚作用，外力作用下更好的起到分散和传递应力的作用，使材料在承受外载荷过程中纤维素纤丝间抵抗滑移破坏的能力增强。因此，经树脂浸渍改性处理后，材料的力学性能可得到不同程度的提高，将无机硼酸引入酚醛树脂中，由于柔性较大的-B-O-键的存在，树脂的脆性得到改善，力学性能进一步提高。

综上所述，利用硼酸改性，进一步提高酚醛树脂的阻燃滞火和防腐防虫性能，再由改性树脂处理木材，其防火性能、防腐性能、力学性能均能够得到显著提高，能够满足木建筑结构用材的需求。

本发明中以国产速生材的木材改性技术，充分利用基于速生材材质松软和多孔性的液体可渗透性的优异特质，通过真空-加压浸渍的方式使含有韧性和键能更高的-B-O-化学键的硼酸改性低分子酚醛树脂浸入到木材细胞，再采用高频热压的方式使木材内树脂快速固化。在木材纹理不受显著影响的条件下，不仅使速生材的密度、韧性、强度和尺寸稳定性得到提高，而且还使材料的阻燃性能和防虫防腐性能得到显著改善。产品可用作木结构建筑中墙骨、地面龙骨、屋面或楼面的龙骨，以及胶合木的层板。此方法使速生材的利用率大大提高，拓展了其应用的范围，对我国珍贵的阔叶树种的保护、低质速生木材的高附加值利用、木建筑用材的本土化、木建筑材料安全性的提高和木材资源可持续发展具有重要的意义。有益效果：

1.本发明所制备的集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用国产速生改性材，产品制备工艺简单，生产周期短，且可重复性好，有利于工业化的生产和推广。

2.基于国产低质速生材材质松软、密度低、内部空隙率大，其力学性能、天然防腐性能、阻燃滞火性能能够通过有效成份不同质量百分含量的低分子树脂浸渍处理得到，材料材质改良程度可根据使用要求可控。

3.本发明针对国产低质速生杨木、杉木、马尾松、桉木等力学性能低，阻燃滞火和天然防腐性能差的不足，通过专利方法进行处理，改性处理后材料的力学强度等级自处理前TB15级及以下提高至TB20级或TC13级及以下到TC17级、防腐性能等级自处理前不耐腐IV级提高到强耐腐I级、阻燃性能等级自处理前易燃性B3级提高到难燃性B1级范围内可控，材料改良效果显著。

4.本发明所述的速生改性材保留了原有木材的纹理，不显著改变原有木材的色调，贴近自然，且改性处理不影响油漆、防护油的涂饰，具有良好的视觉效果。

5.本发明所述的速生材改性方法不影响材料的粘结性能，能够通过胶粘剂粘结的方式获得尺寸规格更大的构件。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，包括以下步骤：

1、待改性材预处理

待改性材包括力学性能、阻燃性能和天然防腐性能较差的国产速生杉木、杨木、马尾松、桉木，待改性材预处理指木材含水率在10～25％范围内的调整、材料材表刨光加工处理；所述待改性材预处理还包含木材真空加压爆破、机械辊压或平压处理，以提高木材的液体可渗透性。

2、低分子改性树脂浓度调整

低分子改性树脂为含有-B-O-化学键的硼酸改性低分子酚醛树脂，低分子改性树脂浓度调整通过往树脂内添加蒸馏水稀释实现；为保证改性材性能改良的有效性及可控性，所述蒸馏水稀释的低分子改性树脂的浓度调整至15～50％范围内。

3、木材浸渍改性处理

木材浸渍改性处理为常温常压浸渍或真空加压浸渍；针对于木建筑结构用38mm厚度的规格材：木材的真空加压气压的浸渍工艺为先进行抽真空处理至真空度为-0.08～-0.09MPa，保持20min-60min，再加压至0.4～1.0MPa，保持30～120min；木材的真空加压液压的浸渍工艺为先进行抽真空处理至真空度为-0.08～-0.09MPa，保持10min-30min，再加压至1.4～2.2MPa，保持20～40min；树脂在处理过程中温度不超过50℃，木材始终位于树脂液面以下；所述木材浸渍改性处理过程中，为更好的提高木材内树脂浸渍的速度和均匀程度，可以有选择性的同时加以超声震荡处理。

4、浸渍材内部树脂热固化

经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置5-10d，再在40～45℃通风环境中维持6-12小时、最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在120～140℃范围内。所述热压机热压方式可为接触式。所述热压机热压是高频式热压。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1）、待改性材预处理

待改性材包括力学性能、阻燃性能和天然防腐性能差的国产速生杉木、杨木、马尾松、桉木，待改性材预处理指木材含水率在10~25%范围内的调整、材料材表刨光加工处理；

2）、低分子改性树脂浓度调整

低分子改性树脂为含有-B-O-化学键的硼酸改性低分子酚醛树脂，低分子改性树脂浓度调整通过往树脂内添加蒸馏水稀释实现；

3）、木材浸渍改性处理

木材浸渍改性处理为常温常压浸渍或真空加压浸渍；针对于木建筑结构用38mm厚度的规格材：木材的真空加压气压的浸渍工艺为先进行抽真空处理至真空度为-0.08~-0.09MPa，保持20min-60min，再加压至0.4~1.0MPa，保持30~120min；木材的真空加压液压的浸渍工艺为先进行抽真空处理至真空度为-0.08~-0.09MPa，保持10min-30min，再加压至1.4~2.2MPa，保持20~40min；树脂在处理过程中温度不超过50℃，木材始终位于树脂液面以下；

4）、浸渍材内部树脂热固化

经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置5-10d，再在40~45℃通风环境中维持6-12小时、最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在120~140℃范围内。

2.根据权利要求1所述的集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，其特征在于：所述步骤1中，所述待改性材预处理还包含木材真空加压爆破、机械辊压、平压处理三种处理方式中的任意一种、或任意两种组合或三种。

3.根据权利要求1所述的集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，其特征在于：所述步骤2中，所述蒸馏水稀释的低分子改性树脂的浓度调整至15~50%范围内。

4.根据权利要求1所述的集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，其特征在于：所述步骤3中，所述木材浸渍改性处理过程中，同时加以超声震荡处理。

5.根据权利要求1所述的集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用速生改性材的制备工艺，其特征在于：所述步骤4中，所述热压机热压方式为高频式热压。