CN104924388A - 一种用于湿板加工的木材改性工作液及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于湿板加工的木材改性工作液及其使用方法，所述木材改性工作液由以下重量百分比计的组分混合制成：无机主剂:碱性硅溶胶以二氧化硅的重量计为2%-30%，有机主剂: 水溶性尿醛树脂浸渍液以其固含量计为2%-30%，防水剂以其固含量计为0.2%-20%，硅烷偶联剂0.05%-3%，乳化剂0.2%-1%，阻燃防腐剂1%-10%，水余量。本发明的木材改性工作液采用无机组分和有机组分配合，从而使木材具有防腐、防虫、阻燃、防水等功能；所用的组分不会在常温下自聚合，可以适应生产的要求，与木材的结合能力强，抗流失性能强，所得改性木材的稳定性佳，防水性能强，防腐、阻燃性好。

Description

一种用于湿板加工的木材改性工作液及其使用方法

技术领域

本发明涉及木材加工技术领域，特别涉及一种用于湿板加工的木材改性工作液及其使用方法。

背景技术

我国是世界上木材的消费大国，又是全世界人均占有森林（木材）资源最少的国家之一。随着经济快速发展，人民生活水平的提高，我国木材消耗的进一步增加，供需的矛盾进一步加剧。2006年，我国木材总消耗量为3.37亿m³，国内每年供应1.4～1.5亿m³，木材市场供应的缺口达1.6亿m³以上。按照近10年我国木材消费平均年增长率3.71%计算，预计到2020年中国的木材消费量将达到6亿m³左右，供需缺口将进一步加大。因此，有效地使用木材，延长木材的使用寿命，低档木材高档化应用，对我国建设资源节约型社会和环境保护具有重要战略意义。

近年来，随着科技的进步及人类文明的发展,人们开始日益重视环境问题，特别是进入21世纪，降低碳排放已经成为关系到人类生存发展的重大问题。联合国粮食及农业组织（FAO）林业处及一些国家政府部门和组织就气候变化及对策开展了广泛地研究，认为增加木材的利用是减缓气候变化、改善地球大气层碳平衡的简单易行的方法之一。具体措施包括：增加木材的利用比例，尽可能延长木制品的使用寿命，扩大木材和木制品的回收利用和循环利用等。

木材经过几百万年的进化，已形成了能满足多种功能要求和耐受各种环境应力的微观结构和材料组成。更为重要的是，木材具有以蜂窝状孔结构为特征的多级孔结构，这种孔结构形式是现有技术无法制取的。但是，木材特别是人工林木材密度低、力学强度低、表面硬度低、耐磨耗性差、易燃、易腐及生物耐久性差。因此，根据木材独特的化学组成、显微组织结构和多孔级结构体系，对木材进行高性能化、功能化改性成为木材加工业的重要研究课题，对此各国的科学家进行了大量的实验及理论探索。

现有的木材改性剂，主要成分为脲醛树脂或酚醛树脂，制成的产品甲醛释放量高，不环保，脲醛树脂或酚醛树脂还存在着贮藏短、重复使用性差(会逐步自聚合、固化)、生产成本高等缺陷。此外，这样的木材改性剂使用时需要将木材烘干（含水量低于20%）后才能浸渍加工导致能耗和生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于木材湿板加工的木材改性工作液，可以对木材湿板直接进行加工处理，无需进行烘干，大大降低了能耗和生产成本，本发明的木材改性工作液采用无机组分和有机组分配合，木材改性工作液形成的无机加有机胶层包覆木材细胞壁，使木材纤维表面形成隔离层，从而使木材具有防腐、防虫、阻燃、防水等功能；所用的组分不会在常温下自聚合，可以适应生产的要求，与木材的结合能力强，抗流失性能强，所得改性木材的稳定性佳，防水性能强，防腐、阻燃性好。

本发明还提供了上述木材改性工作液的使用方法，简单易行，适合工业化生产，能耗低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于湿板加工的木材改性工作液，所述木材改性工作液由以下重量百分比计的组分混合制成：

无机主剂:碱性硅溶胶以二氧化硅的重量计为2%-30%，

有机主剂: 水溶性尿醛树脂浸渍液以其固含量计为2%-30%，

防水剂以其固含量计为0.2%-20%，

硅烷偶联剂0.05%-3%，

乳化剂0.2%-1%，

阻燃防腐剂1%-10%，

水余量。

现在常规的木材改性剂均为合成树脂（脲醛树脂、酚醛树脂）或改性的合成树脂。通过浸渍处理和干燥固化后，合成树脂大部分沉积和填充在木材的细胞腔中，只有很少量与细胞壁结合。而细胞壁的性能才是决定木材性能的主要因素。因此，合成树脂物理填充在细胞腔中的处理方法对木材强度和尺寸稳定性的改善是有限的。

本发明的木材改性工作液则与常规的木材改性剂完全不同，本发明的木材改性工作液采用无机组分（碱性硅溶胶）和有机组分（水溶性脲醛树脂、防水剂）配合模式，木材改性工作液在固化过程中能逐步聚合产生致密的网状结构（水溶性脲醛树脂、防水剂及碱性硅溶胶三种树脂配合,形成混合网状结构复合改性效果好）,有较强的防水性及抗流失性能,因此，硬度、强度、阻燃性、防腐性、耐磨性、防水性、韧性等佳。

采用碱性硅溶胶、水溶性脲醛树脂、甲基硅酸钠(或甲基硅酸钾)及硅烷偶联剂配合, 甲基硅酸钠或甲基硅酸钾（防水剂）能在细胞壁处形成防水层，起到较好地防水加强作用，水溶性脲醛树脂能在细胞壁处形成防水层，起到较好地防水加强作用，同时还起到一定的阻燃作用，碱性硅溶胶能起到防水和加强作用，但是单纯的碱性硅溶胶脆性太大，受外力容易断裂，从而大大降低防水性；因此，本发明将甲基硅酸钠或甲基硅酸钾（防水剂）及水溶性脲醛树脂与碱性硅溶胶配合使用，有机无机结合复合起到防水加强作用。二氧化硅能与甲基硅酸钠或甲基硅酸钾产生硅醇健的连接，而改变了胶层（硅溶胶）的脆性, 加强了胶层（硅溶胶）的韧性, 提高了防水性；水溶性脲醛树脂与硅溶胶配合，水溶性脲醛树脂柔韧性好，与硅溶胶配合使用，能很好地改变胶层（硅溶胶）的脆性，加强了胶层（硅溶胶）的韧性, 提高了防水性。同时,硅烷偶联剂的加入增加了细胞壁的纤维素与胶层（硅溶胶）的结合，大大加强了与细胞壁的结合力，提高了抗流失性能。硼砂的加入大大提高了阻燃性能，同时还提高了木材的防腐性能。乳化剂使得各成分分散较均匀，提高产品的性能。

因此，采用此本发明的木材改性工作液改性,木材的综合性能有了较大的提升，并优于同等合成树脂等木材改性剂的改性效果。

本发明的木材改性工作液可以适用于多种木材的改性，如杨木、松木、柞木、水曲柳、橡木、枫木、西南桦、杉木等。

作为优选，所述防水剂为甲基硅酸钠或甲基硅酸钾。

作为优选，所述硅烷偶联剂型号选自KH550、KH560、KH570、KH792、DL-602、DL-171中的一种。

作为优选，所述乳化剂为乳化剂op-10、PEG200或PEG400。

作为优选，所述阻燃防腐剂为硼砂。

所述水溶性脲醛树脂浸渍液的制备方法为：将甲醛100mol和甲醇5-30mol加入反应釜，升温至35-40℃，加磷酸、硫酸或醋酸调pH为1-3，第一次加入尿素15-16.7mol，保持在35-40℃温度下反应30-50min，加入三聚氰胺5-30mol， 35-40℃下反应8-20min，第二次加入尿素，使得第一次加入尿素与第二次加入尿素的总量为90-110mol，35-40℃下反应25-40min，加氢氧化钠调pH值8-10，升温至70-85℃反应40-60min，冷却，出料。

本发明采用酸-碱生产工艺制备水溶性脲醛树脂浸渍液，且在酸性阶段采用低温(35-40℃)、强酸性(PH1-3)条件，主要目的是生成部份Uron环(氧杂-3,5-二氮环已基-4-酮)的环状化合物。环状化合物防水性好，稳定性好，且环状化合物容易渗入木材内部。加入甲醇的目的是生成部份含醚键化合物，增加贮存稳定性。加入三聚氰胺的目的是:使三聚氰胺与尿素、甲醛共缩聚，提高树脂的耐水性。

尿素分两次加入，第一次少量加入，第二次大量加入，这样的目的是：第一次少量加入是为了部分形成环状化合物（Uron环），环状化合物防水性好，稳定性好，且环状化合物容易渗入木材内部。第二次加入尿素生成链状化合物，这样生产成本低，时间短。尿素第一次不能大量加入，不能大量产生环状化合物，尿素第一次大量加入会导致能耗高，时间长，生产成本高。

一种木材改性工作液的使用方法，

（1）将木材坯板放入浸渍罐，进行2-5个以下浸渍循环：抽真空至真空度-0.06Mpa至-0.08Mpa之间，保持20-30分钟，然后注入木材改性工作液，加压至0.2-1Mpa，保持1-2小时，最后排出木材改性工作液。

第一个浸渍循环时，抽真空至真空度-0.06Mpa至-0.08Mpa之间，保持20-30分钟，这能能使木材内部存在的空气溢出，便于木材改性工作液进入到木材内部。

加压至0.2-1Mpa，保持1-2小时，能使木材改性工作液与木材中的水份尽可能混溶，尽可能趋向浓度平衡。

根据木材坯板的厚度进行2-5个循环，循环次数少，板太厚，会使木材改性工作液有效成份不能到达板心或到达板心的量太少，会影响产品质量。循环次数太多，影响产量、增加成本。

（2）打开浸渍罐，取出步骤（1）处理完成的木材坯板，放入干燥窑，在饱和蒸汽状态下，升温至100-160℃，保持8-24小时，降温，排出饱和蒸汽，然后升温烘至含水率≤10%。

本发明在木材坯板浸渍完成后，在干燥窑内，饱和蒸汽气氛下，缓慢升温至100-160℃，保持8-24小时，使木材改性工作液中有效成分的活性基团与木材细胞壁的纤维素分子有效结合，使得木材具有较好地防水性、硬度、强度、阻燃性、耐磨性、韧性等。这样处理后再降温，并缓慢升温至80-100℃进行常规的干燥窑干燥工序，能有效防止木材的开裂变形。

作为优选，步骤（1）中所述木材坯板厚度小于30mm，所述木材坯板为含水率20%-80%的湿板。木材坯板的厚度在30mm以上，会使木材改性工作液有效成份不能到达板心或到达板心的量太少，会影响产品质量，要保证木材改性工作液有效成份到达板心且足量，则加工工序会增加，生产成本过高。本发明能有效适用于含水率20%-80%的木材湿板加工使用，无需额外的干燥处理。

作为优选，步骤（2）中降温至35-45℃。降温至35-45℃，排出蒸汽，再缓慢升温进行常规的干燥窑干燥，降温的温度过低，这样下一步常规干燥时能耗会较大，降温的温度过高（超过45℃），则进行下一步常规干燥时，板材容易开裂变形。

作为优选，从第二个循环起：抽真空至真空度-0.06Mpa至-0.08Mpa之间，然后直接注入木材改性工作液，加压至0.2-1.0Mpa，保持1-2小时，最后排出木材改性工作液。第二个循环起，抽真空后无需保持20-30分钟，这是因为在第一个循环时，抽真空后保持一定时间，木材内部的空气已经脱出，第二个循环起就无需保持一定时间，能节约流程，提高效率。

本发明的有益效果是：

1、可以对木材湿板直接进行加工处理，无需进行烘干，大大降低了能耗和生产成本，木材改性工作液成分能快速有效地进入木材内部，且结合稳固。

2、采用无机组分和有机组分配合，使木材改性工作液形成的无机加有机胶层包覆细胞壁，使木材纤维表面形成隔离层，从而使木材具有防腐、防虫、阻燃、防水等功能。

3、所采用的木材改性工作液组分不会在常温下自聚合，可以适应生产的要求，所得改性木材的稳定性佳，抗流失性能强，防水性能强，防腐、阻燃性好，提高了木材的经济价值。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

碱性硅溶胶（二氧化硅含量30%），市售。

甲基硅酸钠、甲基硅酸钾的固含量均为20%，市售。

硅烷偶联剂，市售。

乳化剂op-10、 PEG200、PEG400，市售。

硼砂，市售。

实施例1：

（1）将杨木坯板（含水率20%，厚度20mm）放入浸渍罐，进行3个以下浸渍循环：抽真空至真空度-0.06Mpa，保持30分钟，然后注入木材改性工作液，加压至0.2Mpa，保持2小时，最后排出木材改性工作液（第一个循环）。进行第二个循环起，抽真空后不用保持30分钟，其它与第一个循环相同。

（2）打开浸渍罐，取出步骤（1）处理完成的杨木坯板，叠板放干燥窑，在饱和蒸汽状态下，缓慢升温至160℃，保持8小时，降温至45℃，排出饱和蒸汽，然后缓慢升温至100℃，烘至含水率≤10%。

木材改性工作液配方为（重量百分比）：

无机主剂:碱性硅溶胶以二氧化硅的重量计为10%，

有机主剂: 水溶性尿醛树脂浸渍液以其固含量计为10%，

甲基硅酸钠以其固含量计为5%，

硅烷偶联剂（KH550）1%，

乳化剂（乳化剂op-10）0.5%，

硼砂5%，

水68.5%。

水溶性脲醛树脂浸渍液的制备方法：将甲醛100mol和甲醇5mol加入反应釜，升温至35℃，加醋酸调pH为3，第一次加入尿素15mol，保持在35℃温度下反应50min，加入三聚氰胺5mol， 35℃下反应20min，第二次加入尿素75mol， 35℃下反应40min，加氢氧化钠调pH值10，升温至70℃反应60min，冷却，出料。加水调节所得水溶性脲醛树脂浸渍液的固含量为50%。

实施例2：

（1）将松木坯板（含水率80%，厚度20mm）放入浸渍罐，进行5个以下浸渍循环：抽真空至真空度-0.08Mpa，保持20分钟，然后注入木材改性工作液，加压至1Mpa，保持1小时，最后排出木材改性工作液（第一个循环）。进行第二个循环起，抽真空后不用保持20分钟，其它与第一个循环相同。

（2）、打开浸渍罐，取出步骤（1）处理完成的杨木坯板，叠板放干燥窑，在饱和蒸汽状态下，缓慢升温至100℃，保持24小时，降温至35℃，排出饱和蒸汽，然后缓慢升温至80℃，烘至含水率≤10%。

木材改性工作液配方为（重量百分比）：

无机主剂:碱性硅溶胶以二氧化硅的重量计为2%，

有机主剂: 水溶性尿醛树脂浸渍液以其固含量计为2%，

甲基硅酸钠以其固含量计为20%，

硅烷偶联剂（KH560）0.05%，

乳化剂（PEG200）0.2%，

硼砂10%，

水65.75%。

水溶性脲醛树脂浸渍液的制备方法：将甲醛100mol和甲醇30mol加入反应釜，升温至40℃，加磷酸调pH为1，第一次加入尿素16.7mol，保持在40℃温度下反应30min，加入三聚氰胺30mol， 40℃下反应8min，第二次加入尿素93.3mol， 40℃下反应25min，加氢氧化钠调pH值8，升温至85℃反应40min，冷却，出料。加水调节所得水溶性脲醛树脂浸渍液的固含量为50%。

实施例3：

（1）将橡木坯板（含水率50%，厚度20mm）放入浸渍罐，进行4个以下浸渍循环：抽真空至真空度-0.08Mpa，保持30分钟，然后注入木材改性工作液，加压至0.5Mpa，保持1.5小时，最后排出木材改性工作液（第一个循环）。进行第二个循环起，抽真空后不用保持30分钟，其它与第一个循环相同。

（2）打开浸渍罐，取出步骤（1）处理完成的杨木坯板，叠板放干燥窑，在饱和蒸汽状态下，缓慢升温至120℃，保持15小时，降温至40℃，排出饱和蒸汽，然后缓慢升温至90℃（常规干燥），烘至含水率≤10%。

木材改性工作液配方为（重量百分比）：

无机主剂:碱性硅溶胶以二氧化硅的重量计为20%，

有机主剂: 水溶性尿醛树脂浸渍液以其固含量计为20%，

甲基硅酸钾以其固含量计为10%，

硅烷偶联剂（DL-171）2%，

乳化剂（乳化剂op-10）0.8%，

硼砂7%，

水40.2%。

水溶性脲醛树脂浸渍液的制备方法：将甲醛100mol和甲醇15mol加入反应釜，升温至40℃，加硫酸调pH为2，第一次加入尿素16mol，保持在40℃温度下反应40min，加入三聚氰胺15mol， 40℃下反应10min，第二次加入尿素84mol， 40℃下反应30min，加氢氧化钠调pH值9，升温至75℃反应50min，冷却，出料。加水调节所得水溶性脲醛树脂浸渍液的固含量为50%。

实施例4：

（1）将杨木坯板（含水率20%，厚度20mm）放入浸渍罐，进行2个以下浸渍循环：抽真空至真空度-0.08Mpa，保持30分钟，然后注入木材改性工作液，加压至0.4Mpa，保持1.5小时，最后排出木材改性工作液（第一个循环）。进行第二个循环，抽真空后不用保持30分钟，其它与第一个循环相同。

（2）打开浸渍罐，取出步骤（1）处理完成的杨木坯板，叠板放干燥窑，在饱和蒸汽状态下，缓慢升温至120℃，保持15小时，降温至40℃，排出饱和蒸汽，然后缓慢升温至90℃（常规干燥），烘至含水率≤10%。

木材改性工作液配方为（重量百分比）：

无机主剂:碱性硅溶胶以二氧化硅的重量计为30%，

有机主剂: 水溶性尿醛树脂浸渍液以其固含量计为30%，

甲基硅酸钠以其固含量计为0.2%，

硅烷偶联剂（KH560）3%，

乳化剂（PEG200）1%，

硼砂1%，

水34.8%。

水溶性脲醛树脂浸渍液的制备方法：将甲醛100mol和甲醇15mol加入反应釜，升温至40℃，加硫酸调pH为2，第一次加入尿素16mol，保持在40℃温度下反应40min，加入三聚氰胺15mol， 40℃下反应10min，第二次加入尿素84mol， 40℃下反应30min，加氢氧化钠调pH值9，升温至75℃反应50min，冷却，出料。加水调节所得水溶性脲醛树脂浸渍液的固含量为50%。

1、经本发明的方法生产出的改性板达到阻燃B1级：

a)按GB/T 8626进行测试，其燃烧性能达到GB/T 8626所规定的指标且不允许有燃烧滴落物引燃滤纸的现象；

b)按GB/T 8625进行测试，每组试件的平均剩余长度≥15cm（其中任一试件的剩余长度>0cm)，且每次测试的平均烟气温度峰值≤200℃；

c)按GB/T 8627进行测试，其烟密度等级(SDR) ≤75．。

2、经本发明的方法生产出的改性板达到防腐C3级，即在室外环境中使用，且暴露在各种气侯中，包括淋湿，但避免长期浸泡在水中。

3、经本发明的方法生产出的改性板：耐热尺寸稳定性(收缩率)：长≤0.3%，宽≤0.4%；耐湿尺寸稳定性(膨胀率)：长≤0.2%，宽≤0.3%。

4、依据欧洲标准EN 120:1992穿孔法检测甲醛释放量，甲醛释放量≤0.3mg/L，达E0级。

5、表面耐湿热性能:无裂纹、无鼓泡、无变色。表面耐龟裂:无裂纹。表面耐冷热循环:无裂纹、无鼓泡。(中华人民共和国林业行业标准LY/T 1700-2007)。

6、室温冷水浸泡24h，流失率≤5%；70℃热水浸泡24h，流失率≤10%，抗流失性能好。流失率计算为：板材浸泡后干燥至浸泡前的含水率所得板材的重量除以浸泡前板材的重量。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种用于湿板加工的木材改性工作液，其特征在于：所述木材改性工作液由以下重量百分比计的组分混合制成：

无机主剂:碱性硅溶胶以二氧化硅的重量计为2%-30%，

有机主剂: 水溶性尿醛树脂浸渍液以其固含量计为2%-30%，

防水剂以其固含量计为0.2%-20%，

硅烷偶联剂0.05%-3%，

乳化剂0.2%-1%，

阻燃防腐剂1%-10%，

水余量。

2.根据权利要求1所述的木材改性工作液，其特征在于：所述防水剂为甲基硅酸钠或甲基硅酸钾。

3.根据权利要求1或2所述的木材改性工作液，其特征在于：所述硅烷偶联剂型号选自KH550、KH560、KH570、KH792、DL-602、DL-171中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的木材改性工作液，其特征在于：所述乳化剂为乳化剂op-10、 PEG200或PEG400。

5.根据权利要求1或2所述的木材改性工作液，其特征在于：所述阻燃防腐剂为硼砂。

6.根据权利要求1或2所述的木材改性工作液，其特征在于：所述水溶性脲醛树脂浸渍液的制备方法为：将甲醛100mol和甲醇5-30mol加入反应釜，升温至35-40℃，加磷酸、硫酸或醋酸调pH为1-3，第一次加入尿素15-16.7mol，保持在35-40℃温度下反应30-50min，加入三聚氰胺5-30mol， 35-40℃下反应8-20min，第二次加入尿素，使得第一次加入尿素与第二次加入尿素的总量为90-110mol，35-40℃下反应25-40min，加氢氧化钠调pH值8-10，升温至70-85℃反应40-60min，冷却，出料。

7.如权利要求1所述的木材改性工作液的使用方法，其特征在于：

（1）将木材坯板放入浸渍罐，进行2-5个以下浸渍循环：抽真空至真空度-0.06Mpa至-0.08Mpa之间，保持20-30分钟，然后注入木材改性工作液，加压至0.2-1Mpa，保持1-2小时，最后排出木材改性工作液；

（2）打开浸渍罐，取出步骤（1）处理完成的木材坯板，放入干燥窑，在饱和蒸汽状态下，升温至100-160℃，保持8-24小时，降温，排出饱和蒸汽，然后升温至80-100℃，烘至含水率≤10%。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：步骤（1）中所述木材坯板厚度小于30mm，所述木材坯板为含水率20%-80%的湿板。

9.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：步骤（2）中降温至35-45℃。

10.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：从第二个循环起：抽真空至真空度-0.06Mpa至-0.08Mpa之间，然后直接注入木材改性工作液，加压至0.2-1.0Mpa，保持1-2小时，最后排出木材改性工作液。