CN104760102B - 一种有机蒙脱土改性剂乳液、其制备方法及应用 - Google Patents

一种有机蒙脱土改性剂乳液、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种有机蒙脱土改性剂乳液，含有以下重量份的成分：有机蒙脱土湿固体100～180份，油酸60～140份，非离子型表面活性剂15～84，阴离子型表面活性剂5～40,聚乙二醇10～20份，水1300～1500份。本发明还提供有机蒙脱土改性剂乳液的制备和应用方法。本发明采用硅烷对有机蒙脱土进行接枝处理，使其表面接有硅烷长链，另带有氨基的硅烷能够与带有羧基的油酸发生反应，再进行乳化，制得稳定的有机蒙脱土乳液。本发明提出的有机蒙脱土乳液制备方法工艺相对简单，改性剂价格相对便宜，改性处理木材能够有效地降低吸水性，提高尺寸稳定性，力学强度等。

Description

一种有机蒙脱土改性剂乳液、其制备方法及应用
技术领域
本发明属于材料加工领域，具体涉及一种通过浸渍进行木材改性的改性剂、其制备方法和应用。
背景技术
木材是具有多孔结构的生物质材料，其化学组成中含有纤维素、半纤维素等亲水性物质，使木材具有很强的吸水性，容易受到环境以及微生物的侵害而造成生物劣化。另外，木材还存在结构变异性大，材质表面较疏松，以及尺寸稳定性较差等原因，使木材的利用受到了很大程度的限制，人们也在一直研究改善木材性能的方法。
传统的木材改性技术有两种：一种是在高温高湿条件下对木材进行压缩处理，使木材尺寸稳定并达到密实化效果，从而提高木材的尺寸稳定性、表面硬度和强度，但是，采用这种方法进行改性的木材往往具有很大的回弹性，在高温高湿的使用环境中，木材固有的缺陷仍然会表现出来。另一种技术是利用木材固有的渗透性，将无机物或有机低聚物渗透到木材内部，降低木材的吸湿和吸水性能，从而提高木材的尺寸稳定性和耐腐性等。目前，木材的改性技术更倾向于后者。
蒙脱土是一种2:1型的层状硅酸盐类化合物，具有极高的比表面积和层间的可反应性，在我国分布广泛。近几年，我国的研究者尝试将蒙脱土应用于木材领域，制得的蒙脱土/木材复合材料在力学强度、硬度、尺寸稳定性以及阻燃性方面都有很大的提高，同时吸水性明显下降，如北京林业大学姜卸宏的研究“微化蒙脱土悬浮液的制备及其处理材性能和表征(中国博士学位论文，2010-12)”。
使用蒙脱土对木材进行改性处理可以提高木材的力学强度、硬度、尺寸稳定性并且降低其吸水性。然而，由于天然蒙脱土是一种亲水性的粘土，对处理材性能的提高影响较小，甚至提高其吸水率。针对此种情况，有研究者尝试对蒙脱土先进行有机改性，将亲水的无机原土变为亲油的有机蒙脱土，然后用其处理木材。但是有机蒙脱土在水溶液中易沉降，难以形成均匀稳定的乳液，难以浸渍处理木材，需要借助一些中间介质将有机蒙脱土引入到木材中，通常中间介质为高分子聚合物，如北京林业大学吕文华的研究“木材/蒙脱土纳米插层复合材料的制备(中国博士学位论文，2004-10-9)”制备的复合材料是使用酚醛树脂作为中间介质，在木材中引入了有机蒙脱土。由于木材细胞壁中浸渍了大量的高分子聚合物，会大幅度增加木材的重量，并且易造成木材脆化等负面影响。另外，高分子聚合物在成本上相对较贵，浸渍量较大，而蒙脱土在高分子聚合物中的分散浓度通常较小，使得处理材成本明显增加。
考虑到天然蒙脱土能够在水中稳定悬浮以及有机蒙脱土能够改善木材性能的因素，Wang等(Holzforschung,2014,68,29-36)采用两步法将蒙脱土引入到木材内部中，首先使用能在水溶液中均匀稳定悬浮的天然蒙脱土浸渍处理木材，之后使用改性剂对天然蒙脱土浸渍处理材进行有机改性的方法，能够在木材细胞壁中合成有机蒙脱土，因此处理材性能大幅度提高。但是由于木材进行两次浸渍处理，同时需要经过两次干燥处理，工艺相对复杂。
发明内容
针对本领域存在的问题，本发明的目的在于提供一种有机蒙脱土改性剂乳液。
本发明另一目的是提出所述一种有机蒙脱土改性剂乳液的制备方法。
本发明的第三个目的是提出所述一种有机蒙脱土改性剂乳液的应用。
实现本发明上述目的的具体技术方案为：
一种有机蒙脱土改性剂乳液，含有以下重量份的成分：
有机蒙脱土湿固体100～180份，油酸60～140份，非离子型表面活性剂15～84，阴离子型表面活性剂5～40,聚乙二醇10～20份，水1300～1500份；
所述有机蒙脱土湿固体中，含有质量比为1：1-5的有机蒙脱土和硅烷。
其中，所述有机蒙脱土湿固体通过以下方法制备：将硅烷溶于质量分数为85～95％的乙醇水溶液中，加入有机蒙脱土，有机蒙脱土在溶液中的分散浓度为2～15％；使有机蒙脱土完全浸没在溶液中。有机蒙脱土在溶液中的浸泡时间为10～15h；
浸泡后将混合溶液离心分离，去除清液，取下层固体(固含量为25-50％)。
优选地，有机蒙脱土在溶液中的分散浓度为5～10％。
其中，所述硅烷为3-氨基丙基三甲氧基硅烷(KH-540)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)中的一种或多种；硅烷与有机蒙脱土的质量比为1：1～2；
所述非离子型表面活性剂选自壬基酚聚氧乙烯醚或辛基酚聚氧乙烯醚；所述阴离子型表面活性剂选自阴离子聚丙烯酰胺、油酰胺基多肽羧酸钠(雷米邦A)中的一种或多种。
其中，所述聚乙二醇数均分子量为400～8000，优选为400～2000。
所述的有机蒙脱土改性剂乳液，采用以下方法制备：
1)将硅烷溶于质量分数为85～95％的乙醇水溶液中，加入有机蒙脱土，使有机蒙脱土完全浸没在溶液中；有机蒙脱土在溶液中的浸泡时间为10～15h,使用离心机溶液中进行高速离心，去除上层清液，取下层固体为硅烷化的有机蒙脱土湿固体；
2)有机蒙脱土湿固体、油酸、非离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂、聚乙二醇混合，然后加入水；使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。
3)将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质次数为1～3次，即得到有机蒙脱土乳液。
优选地，步骤3)中均质的压力为20～80MPa
本发明所述的有机蒙脱土改性剂乳液在木材改性中的应用。
一种使用本发明所述的有机蒙脱土改性剂乳液进行木材改性的方法，其是用水将有机蒙脱土改性剂乳液配制成4～10％固含量的乳液；
将木材置于浸注罐内先进行真空处理(浸注罐内没有水)，真空度为0.01～0.05MPa，真空处理20～40min，然后停止真空并向浸渍罐内加入4～10％固含量的有机蒙脱土乳液，在1～3MPa的条件下加压50～100min。
其中，真空加压完成后，将木材从浸渍罐内取出，在50～80℃下干燥20～40h.
本发明为了性能测试，进一步在103℃下干燥至恒重。
本发明的有益效果在于：
本发明采用硅烷对有机蒙脱土进行接枝处理，使其表面接有硅烷长链，另带有氨基的硅烷能够与带有羧基的油酸发生反应，使其溶于油酸中。再将含有有机蒙脱土的油酸进行乳化，制得稳定的有机蒙脱土乳液。
本发明使用的有机蒙脱土乳液制备方法工艺相对简单，改性剂价格相对便宜，改性处理木材能够有效地降低吸水性，提高尺寸稳定性，力学强度等。
本发明所制备的有机蒙脱土乳液可以用于单板、木纤维等浸渍及喷洒改性处理。
另外，本发明所制备的有机蒙脱土乳液也可以与其他木材改性剂进行复配处理，如石蜡防水剂、CCA木材防腐剂等。
附图说明
图1：实施例1-4和对照例1的木材吸水性测定结果。
图2：实施例1-4和对照例1的吸水膨胀率测定结果。
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。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
有机蒙脱土，200目，BK-100型，浙江华特实业集团有限公司；3-氨基丙基三甲氧基硅烷(KH-540)，山东曲阜晨光化工有限公司；油酸、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、聚乙二醇-400(PEG-400)，均为市购。
(1)有机蒙脱土改性剂乳液的制备
将120gKH-540溶于1400g 90％乙醇/水溶液中，加入80g有机蒙脱土，搅匀并浸泡12h。将含有有机蒙脱土的硅烷乙醇水溶液通过离心机离心出湿有机蒙脱土固体，取160g湿固体，加入140g油酸，60gNP-10，20g SDBS，10g PEG-400，并加水至1700g。
使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为40MPa，均质次数为2次，即得到有机蒙脱土乳液，固含量为14.9％。
(2)浸注处理改性木材
将木材置于浸注罐内先进行真空处理，真空度为0.01MPa，真空30min，随后停止真空；向浸渍罐内加入6％固含量(用水稀释，水与乳液的质量比为1.48：1)的有机蒙脱土乳液，并在2MPa的条件下加压60min。真空加压完成后，将木材从浸渍罐内取出，在60℃下干燥24h，随后在103℃下干燥至恒重。
实施例2
分散剂为PEG-600以外，其余试剂和配比与实施例1相同。
将80g KH-540溶于1840g 90％乙醇/水溶液中，加入80g有机蒙脱土，搅匀并浸泡12h以上。将含有有机蒙脱土的硅烷乙醇水溶液通过离心机离心出湿有机蒙脱土固体，取140g湿固体，加入110g油酸，84g NP-10，25g SDBS，6g PEG-400，并加水至1700g。使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为40MPa，均质次数为2次，即得到有机蒙脱土乳液。
木材的浸注处理方法中除所用有机蒙脱土乳液固含量为4％以外，其余条件均相同。
实施例3
除所用分散剂为PEG-2000以外，其余试剂、试件与实施例1相同。
将160gKH-540溶于960g 90％乙醇/水溶液中，加入80g有机蒙脱土，搅匀并浸泡12h以上。将含有有机蒙脱土的硅烷乙醇水溶液通过离心机离心出湿有机蒙脱土固体，取120g湿固体，加入130g油酸，72gNP-10，40g SDBS，14g PEG-2000，并加水至1700g。使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为40MPa，均质次数为2次，即得到有机蒙脱土乳液。
木材的浸注处理方法中除所用有机蒙脱土乳液固含量为10％以外，其余条件均相同。
实施例4
除所用分散剂为PEG-1000以外，其余试剂、试件与实施例1相同。
将100gKH-540溶于575g 90％乙醇/水溶液中，加入75g有机蒙脱土，搅匀并浸泡12h以上。将含有有机蒙脱土的硅烷乙醇水溶液通过离心机离心出湿有机蒙脱土固体，取180g湿固体，加入120g油酸，48g NP-10，35g SDBS，18g PEG-1000，并加水至1700g。使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为40MPa，均质次数为2次，即得到有机蒙脱土乳液。
木材的浸注处理方法中除所用有机蒙脱土乳液固含量为8％以外，其余条件均相同。
实施例5
除选用非离子型表面活性剂为NP-15，阴离子型表面活性剂为十二烷基硫酸钠，分散剂为聚乙二醇-4000以外，其余试剂与实施例1相同。
将120gKH-540溶于420g 90％乙醇/水溶液中，加入60g有机蒙脱土，搅匀并浸泡12h以上。将含有有机蒙脱土的硅烷乙醇水溶液通过离心机离心出湿有机蒙脱土固体，取108g湿固体，加入66g油酸，24g NP-15，18g SDS，18g PEG-4000，并加水至1700g。使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为20MPa，均质次数为1次，即得到有机蒙脱土乳液。
实施例6
除选用非离子型表面活性剂为NP-20，阴离子型表面活性剂为质量比为1：1的十二烷基硫酸钠(SDS)和磺基琥珀酸单酯二钠(A-501)，分散剂为聚乙二醇-8000以外，其余试剂与实施例1相同。
将120gKH-540溶于420g 90％乙醇/水溶液中，加入60g有机蒙脱土，搅匀并浸泡12h以上。将含有有机蒙脱土的硅烷乙醇水溶液通过离心机离心出湿有机蒙脱土固体，取108g湿固体，加入60g油酸，20g NP-20，6g SDS，6g A-501，20g PEG-8000，并加水至1700g。使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为80MPa，均质次数为2次，即得到有机蒙脱土乳液。
实施例7
除选用非离子型表面活性剂为NP-10，阴离子型表面活性剂为磺基琥珀酸单酯二钠(A-501)，分散剂为聚乙二醇-800以外，其余试剂与实施例1相同。
将120gKH-540溶于420g 90％乙醇/水溶液中，加入60g有机蒙脱土，搅匀并浸泡12h以上。将含有有机蒙脱土的硅烷乙醇水溶液通过离心机离心出湿有机蒙脱土固体，取130g湿固体，加入62g油酸，15g NP-10，12g A-501，18g PEG-800，并加水至1700g。使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为60MPa，均质次数为2次，即得到有机蒙脱土乳液。
对照例1
实验过程中除了使用去离子水浸注处理木材以外，其余条件与实施例1相同。
实验例1 有机蒙脱土乳液性能检测
从外观、固含量、平均粒径、贮存稳定性、水稀释性5个方面检测实施例1～7的有机蒙脱土乳液，各项结果如表1所示。
其中，固含量的测定方法为：分别取实施例1～7中乳液各20g，放入103℃烘箱内烘至恒重，计算烘干后剩余部分占总量的质量百分数得固含量。
平均粒径使用Delsa Nano C型激光粒度仪进行测量。
表1 乳液性能测量结果
测试结果表明，实施例1～7的粒径在300～500nm之间，且贮存稳定性、水稀释性仍保持良好，其中实施例3的平均粒径最小，稳定好，容易分散。
实验例2 处理材吸水性以及吸水膨胀率测定
参照国家标准《木材吸水性测定方法》(GB/T 1934.1-2009)，对实施例1～4和对照例1进行木材吸水性以及吸水膨胀率的测量。吸水性测定结果如图1所示，吸水膨胀率测定结果如图2所示。
结果表明，和对照例1相比，实施例1～4的吸水率和吸水膨胀率均有所下降，尤其是实施例3，对木材尺寸稳定性的提高最为明显。其他各组在弦向以及体积吸水膨胀率方面也有所下降，表明有机蒙脱土乳液可以降低木材的吸水率并且提高尺寸稳定性。
实验例3 处理材顺纹以及横纹抗压强度测定
参照国家标准《木材顺纹抗压强度实验方法》(GB1935-91)和《木材横纹抗压实验方法》(GB1939-91)对实施例1～4和对照例1进行顺纹以及横纹抗压实验。结果如表2所示。
表2 木材的顺纹和横纹抗压强度
结果表明，相比对照例1，实施例1～4的顺纹以及横纹抗压强度均有所提高，由于有机蒙脱土进入到木材中，能够作为增强材料提高木材的顺纹以及横纹抗压强度。
实验例4：处理材表面硬度测试
使用邵氏硬度计测试实施例1～4和对照例1试材的弦切面硬度。结果如表3所示。
表3 木材的表面硬度
结果表明，和对照例1相比，实施例1～4木材的表面硬度有显著提高，表面硬度值平均在55-70HD之间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，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。

Claims (9)

1.一种有机蒙脱土改性剂乳液，其特征在于，含有以下重量份的成分：
有机蒙脱土湿固体100～180份，油酸60～140份，非离子型表面活性剂15～84，阴离子型表面活性剂5～40,聚乙二醇10～20份，水1300～1500份；
所述有机蒙脱土湿固体中，含有质量比为1：1～2的有机蒙脱土和硅烷；
所述的有机蒙脱土改性剂乳液采用以下方法制备：
1)将硅烷溶于质量分数为85～95％的乙醇水溶液中，加入有机蒙脱土，使有机蒙脱土完全浸没在溶液中；有机蒙脱土在溶液中的浸泡时间为10～15h,使用离心机对溶液进行高速离心，去除上层清液，取下层固体为有机蒙脱土湿固体；所述硅烷为3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或两种，硅烷与有机蒙脱土的质量比为1：1～2；
2)有机蒙脱土湿固体、油酸、非离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂、聚乙二醇混合，然后加入水；使用高速搅拌机将各组分混合均匀，制得初乳液；所述非离子型表面活性剂选自壬基酚聚氧乙烯醚或辛基酚聚氧乙烯醚；所述阴离子型表面活性剂选自阴离子聚丙烯酰胺、油酰胺基多肽羧酸钠中的一种或多种；
3)将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质次数为1～3次，即得到有机蒙脱土改性剂乳液。
2.根据权利要求1所述的有机蒙脱土改性剂乳液，其特征在于，所述有机蒙脱土在溶液中的分散浓度为2～15％。
3.根据权利要求2所述的有机蒙脱土改性剂乳液，其特征在于，所述有机蒙脱土在溶液中的分散浓度为5～10％。
4.根据权利要求1所述的有机蒙脱土改性剂乳液，其特征在于，所述聚乙二醇数均分子量为400～8000。
5.根据权利要求4所述的有机蒙脱土改性剂乳液，其特征在于，所述聚乙二醇数均分子量为400～2000。
6.根据权利要求1所述的有机蒙脱土改性剂乳液，其特征在于，均质的压力为20～80MPa。
7.权利要求1～6任一所述的有机蒙脱土改性剂乳液在木材改性中的应用。
8.一种使用权利要求1～6任一所述的有机蒙脱土改性剂乳液进行木材改性的方法，其特征在于，用水将有机蒙脱土改性剂乳液配制成4～10％固含量的乳液；
将木材置于浸注罐内先进行真空处理，真空度为0.01～0.05MPa，真空处理20～40min，然后停止真空并向浸渍罐内加入4～10％固含量的有机蒙脱土改性剂乳液，在1～3MPa的条件下加压50～100min。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，真空加压完成后，将木材从浸渍罐内取出，在50～80℃下干燥20～40h。
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