CN105367667B - 同时制备不同外形特征乙酰化木质纤维材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及木材加工和保护领域，旨在提供一种同时制备不同外形特征乙酰化木质纤维材料的方法。该方法利用了以隔板间隔且上下互通的两个容器：将较粗大木质纤维材料放置在第一容器中，添加液体乙酸酐直至木质纤维材料被浸没；将较细小木质纤维材料放在第二容器中；加热第一容器使木质纤维材料与液体乙酸酐发生酰化反应，沸腾产生的气体乙酸酐通过中间隔板的小孔扩散，与第二容器中的木质纤维材料发生酰化反应；酰化反应后取出，分别进行真空干燥即可。本发明中的乙酸酐利用率高，能一次性地制备出不同外形特征的酰化木质纤维材料；本发明能降低生产成本，具有很好的工业化前景。

Description

同时制备不同外形特征乙酰化木质纤维材料的方法

技术领域

该发明属于木材加工和保护领域，尤其涉及一种同时制备不同外形特征的乙酰化木质纤维材料的方法。

背景技术

木质纤维材料指组份中主要包含纤维素、半纤维素和木质素等成分的材料，它们结构中都含有大量羟基，亲水能力强，容易吸水，因而给它们的应用带来不便。如木块，由于其容易吸水，因此易发生热胀冷缩，导致木块变形、开裂，并容易滋生细菌；对于木粉和木纤维而言，它们常跟树脂一起被加工成各类材料，如木塑等；但由于它们结构中羟基多、亲水能力强，因此与树脂相容性不好，并最终影响了材料的性能。鉴于此，我们需要对木质纤维材料进行改性，减少其结构中羟基数量，降低其吸水性，增强其抗菌性和与树脂相容性，通过研究发现对木质纤维材料进行乙酰化处理是个很好的解决方法(木质纤维材料乙酰化反应过程如图1所示)。木质纤维材料发生酰化反应时，其结构中羟基被乙酰基取代，由于乙酰基不具有亲水性，因此酰化改性后，木质纤维材料的亲水性和吸水能力会发生降低。同时，由于乙酰基体积大于氢原子，所以酰化改性后，木质纤维材料中细胞壁和细胞壁之间的孔道会被大体积乙酰基所堵塞，这样就更能阻止水分子渗透到木质纤维材料中，从而也能更显著地降低木质纤维材料的吸水能力。

由于乙酰基分子量大于氢，所以木质纤维材料乙酰化后其重量会增加，常用增长比(WPG)来表征，增长比越大说明乙酰化程度越高。增长比(WPG)计算公式为：

WPG＝(W2-W1)/W1×100％

其中，WPG为增重比，W2为酰化后木质纤维材料重量，W1为酰化前木质纤维材料重量。

乙酰化木质纤维材料一般是通过木质纤维材料与液体乙酸酐之间进行反应来制备的，因为液体乙酸酐容易渗透到木质纤维材料内部，能保证制备的酰化材料里外性能一致，这对制备厚块的木质纤维材料尤为重要。但使用液体乙酸酐与木质纤维材料反应时，乙酸酐的用量会很大，这样会造成浪费，同时也增加反应后回收乙酸酐的成本。鉴于此，人们又开始尝试用气体乙酸酐与木质纤维材料发生反应来制备乙酰化木质纤维材料。这种做法首先是对液体乙酸酐进行加热，使其沸腾产生气体乙酸酐，气体乙酸酐再与木质纤维材料发生反应。这种方法能节省乙酸酐用量，能减少乙酸酐回收成本，但气体乙酸酐在木质纤维材料中渗透有限，因此该方法只适合对薄块或薄膜状、纤维状、粉末状木质纤维材料进行酰化处理。当需要同时对多种外形特征的木质纤维材料进行乙酰化处理时，就需要使用至少两种生产装置和生产工艺，操作麻烦且成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种同时制备不同外形特征乙酰化木质纤维材料的装置及方法。通过同时使用液体乙酸酐和气体乙酸酐与不同特征木质纤维材料发生反应，能在同一反应装置中同时完成不同外形特征的酰化木质纤维材料的制备。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种同时制备不同外形特征的乙酰化木质纤维材料的方法，该方法中所用的反应器具备下述结构特征：作为反应器的第一容器，其上方安装了能密闭的第二容器，两者的内部空间互通，以布设了多个小孔的隔板作为间隔；气体和液体能自由通过小孔，粉末状或纤维状的木质纤维材料则会被阻隔不能通过；第一容器外侧套设加热装置，第二容器外侧套设隔热套；

该方法的具体步骤包括：

(1)将厚度≥2mm的块状、片状或条状的木质纤维材料放置在第一容器中，然后向其中添加液体乙酸酐，直至木质纤维材料被浸没；

(2)将薄膜状、粉末状、纤维状的木质纤维材料，或者是厚度＜2mm的块状、片状、条状的木质纤维材料放置在第二容器中；

(3)加热第一容器使液体乙酸酐沸腾，第一容器中的木质纤维材料与液体乙酸酐发生酰化反应；与此同时，沸腾产生的气体乙酸酐通过隔板的小孔扩散至第二容器中，与第二容器中的木质纤维材料发生酰化反应；加热温度120～180℃，酰化反应时间4～8小时；

(4)酰化反应后取出两个容器中的木质纤维材料，分别在100～150℃的真空干燥箱中干燥4～12小时，除去未反应的乙酸酐和反应副产物乙酸，得到不同外形特征的乙酰化木质纤维材料。

本发明中，所述第一容器和第二容器具有一体式的侧板，所述隔板活动安装在设于侧板内壁中部的卡位部件上。

本发明中，所述第一容器和第二容器是分体的；所述隔板固定于第二容器的底部，或活动搁置于第一容器侧板的上缘；第二容器的底部通过卡装或螺装的方式活动安装在第一容器的侧板上缘。

本发明中，所述第二容器的顶部设有能密封的活动盖板。

本发明中，所述加热装置是油浴加热器、电加热器或微波加热器。

本发明中，所述隔板是聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯材质的隔板。

本发明中，所述木质纤维材料是指组份中包含纤维素、半纤维素和木质素的材料，其来源是松木、杉木或枫木中的任意一种。

本发明中，在酰化反应前，将所述木质纤维材料加热干燥至含水量低于5％。

根据木质纤维材料的用量、外形特征、堆放方式，以及所需要的酰化程度不同，木质纤维材料的酰化反应时间会有不同要求。因为木质纤维材料自身也存在多样性，所以其酰化程度无法实现完全精准地控制。操作人员可根据实际情况调整酰化时间，以最终酰化后产品的WPG数据作为是否满足要求的衡量标准。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中的乙酸酐利用率高，能一次性地制备出不同外形特征的酰化木质纤维材料；本发明能降低生产成本，具有很好的工业化前景。

附图说明

图1为木质纤维材料乙酰化反应过程。

图2为本发明所用乙酰化反应装置的结构示意图。

图中附图标记：第一容器1，第二容器2，隔板3，加热装置4，隔热套5。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实现方式进行详细描述。

本发明所述方法利用了能同时制备不同外形特征的乙酰化木质纤维材料的装置，包括作为反应器的第一容器1和能密闭的第二容器2；第二容器2安装在第一容器1的上方，两者的内部空间互通，以布设了多个小孔的隔板3作为间隔，隔板可选择聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯材质制成。气体和液体能自由通过小孔，粉末状或纤维状的木质纤维材料则会被阻隔不能通过；第一容器1外侧套设加热装置4，加热装置4可以是油浴加热器、电加热器或微波加热器。第二容器2的顶部设有能密封的活动盖板，其外侧套设隔热套5。

第一容器1和第二容器2有多种连接方式可选，本领域技术人员可根据实际需要完成设计或选型。举例如下：

(1)第一容器1和第二容器2具有一体式的侧板，隔板3活动安装在设于侧板内壁中部的卡位部件上。

(2)第一容器1和第二容器2是分体的；隔板3固定于第二容器2的底部，或活动搁置于第一容器1侧板的上缘；第二容器2的底部通过卡装或螺装的方式活动安装在第一容器1的侧板上缘。

基于上述装置的使用，本发明所述同时制备不同外形特征的乙酰化木质纤维材料的方法，其具体步骤包括：

(1)将厚度≥2mm的块状、片状或条状的木质纤维材料放置在第一容器中，然后向其中添加液体乙酸酐，直至木质纤维材料被浸没；

(2)将薄膜状、粉末状、纤维状的木质纤维材料，或者是厚度＜2mm的块状、片状、条状的木质纤维材料放置在第二容器中；

(3)加热第一容器使液体乙酸酐沸腾，第一容器中的木质纤维材料与液体乙酸酐发生酰化反应；与此同时，沸腾产生的气体乙酸酐通过隔板的小孔扩散至第二容器中，与第二容器中的木质纤维材料发生酰化反应；加热温度120～180℃，酰化反应时间4～8小时；

(4)酰化反应后取出两个容器中的木质纤维材料，分别在100～150℃的真空干燥箱中干燥4～12小时，除去未反应的乙酸酐和反应副产物乙酸，得到不同外形特征的乙酰化木质纤维材料。

所述木质纤维材料是指组份中包含纤维素、半纤维素和木质素的材料，其来源是松木、杉木或枫木中的任意一种。

在酰化反应前，将所述木质纤维材料加热干燥至含水量低于5％。

实施例1

第一容器1中放松木(长×宽×厚＝100×50×2mm，水分＜5％)，第二容器2中放松木粉(粒径50～100目，水分≤3％)，第一容器1中加热温度120℃，反应时间4h，反应结束后松木在120℃真空烘箱干燥4小时，松木粉在100℃真空干燥箱干燥12小时。酰化后WPG分别为：松木24％，松木粉28％(注：木材在进行酰化处理之前是没有WPG数据的)。

实施例2

第一容器1中放松木(长×宽×厚＝100×50×2mm，水分＜5％)，第二容器2中放松木粉(粒径50～100目，水分≤3％)，第一容器1中加热温度180℃，反应时间4h，反应结束后松木在150℃真空烘箱干燥4小时，松木粉在120℃真空干燥箱干燥8小时。酰化后WPG分别为：松木27％，松木粉28％。

实施例3

第一容器1中放杉木(长×宽×厚＝100×50×2.5mm，水分＜5％)，第二容器2中放杉木粉(粒径30～200目，水分≤3％)，第一容器1中加热温度150℃，反应时间4h，反应结束后杉木在120℃真空烘箱干燥4小时，杉木粉在100℃真空干燥箱干燥8小时。酰化后WPG分别为：杉木25％，杉木粉28％。

实施例4

第一容器1中放杉木(长×宽×厚＝100×50×3mm，水分＜5％)，第二容器2中放杉木纤维(长度1～5mm，径向长度10-50μm，水分≤3％)，第一容器1中加热温度120℃，反应时间5h，反应结束后杉木在150℃真空烘箱干燥10小时，杉木纤维在120℃真空干燥箱干燥4小时。酰化后WPG分别为：杉木20％，杉木纤维27％。

实施例5

第一容器1中放枫木(长×宽×厚＝100×50×2mm，水分＜5％)，第二容器2中放枫木粉(粒径100～200目，水分≤3％)，第一容器1中加热温度140℃，反应时间6h，反应结束后枫木在120℃真空烘箱干燥8小时，枫木粉在150℃真空干燥箱干燥4小时。酰化后WPG分别为：枫木22％，枫木粉28％。

实施例6

第一容器1中放枫木(长×宽×厚＝100×50×5mm，水分＜5％)，第二容器2中放枫木纤维(长度1～5mm，径向长度10-50μm，水分≤3％)，第一容器1中加热温度160℃，反应时间5h，反应结束后枫木在150℃真空烘箱干燥12小时，枫木纤维在100℃真空干燥箱干燥5小时。酰化后WPG分别为：枫木15％，枫木纤维28％。

实施例7

第一容器1中放松木(长×宽×厚＝100×50×2.5mm，水分＜5％)，第二容器2中分开放松木粉(粒径30～100目，水分≤3％)和枫木纤维(长度1～5mm，径向长度10-50μm，水分≤3％)，第一容器1中加热温度150℃，反应时间8h，反应结束后松木在120℃真空烘箱干燥4小时，松木粉和枫木纤维在120℃真空干燥箱干燥8小时。酰化后WPG分别为：松木24％，松木粉26％，枫木纤维27％。

实施例8

第一容器1中放杉木(长×宽×厚＝100×50×4mm，水分＜5％)，第二容器2中分开放松木粉(粒径30～100目，水分≤3％)和枫木纤维(长度1～5mm，径向长度10-50μm，水分≤3％)，第一容器1中加热温度180℃，反应时间6h，反应结束后松木在100℃真空烘箱干燥8小时，松木粉和枫木纤维在100℃真空干燥箱干燥6小时。酰化后WPG分别为：杉木20％，松木粉26％，枫木纤维27％。

实施例9

第一容器1中放杉木(长×宽×厚＝100×50×4mm，水分＜5％)，第二容器2中放杉木(长×宽×厚＝100×50×1.5mm，水分＜5％)，第一容器1中加热温度150℃，反应时间6h，反应结束后两种杉木在130℃真空烘箱干燥8小时。酰化后WPG分别为：第一容器1中杉木22％，第二容器2中杉木28％。

Claims (8)

1.同时制备不同外形特征的乙酰化木质纤维材料的方法，其特征在于，该方法中所用的反应器具备下述结构特征：作为反应器的第一容器，其上方安装了能密闭的第二容器，两者的内部空间互通，以布设了多个小孔的隔板作为间隔；气体和液体能自由通过小孔，粉末状或纤维状的木质纤维材料则会被阻隔不能通过；第一容器外侧套设加热装置，第二容器外侧套设隔热套；

该方法的具体步骤包括：

(1)将厚度≥2mm的块状、片状或条状的木质纤维材料放置在第一容器中，然后向其中添加液体乙酸酐，直至木质纤维材料被浸没；

(2)将薄膜状、粉末状、纤维状的木质纤维材料，或者是厚度＜2mm的块状、片状、条状的木质纤维材料放置在第二容器中；

(3)加热第一容器使液体乙酸酐沸腾，第一容器中的木质纤维材料与液体乙酸酐发生酰化反应；与此同时，沸腾产生的气体乙酸酐通过隔板的小孔扩散至第二容器中，与第二容器中的木质纤维材料发生酰化反应；加热温度120～180℃，酰化反应时间4～8小时；

(4)酰化反应后取出两个容器中的木质纤维材料，分别在100～150℃的真空干燥箱中干燥4～12小时，除去未反应的乙酸酐和反应副产物乙酸，得到不同外形特征的乙酰化木质纤维材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一容器和第二容器具有一体式的侧板，所述隔板活动安装在设于侧板内壁中部的卡位部件上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一容器和第二容器是分体的；所述隔板固定于第二容器的底部，或活动搁置于第一容器侧板的上缘；第二容器的底部通过卡装或螺装的方式活动安装在第一容器的侧板上缘。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，所述第二容器的顶部设有能密封的活动盖板。

5.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，所述加热装置是油浴加热器、电加热器或微波加热器。

6.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，所述隔板是聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯材质的隔板。

7.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，所述木质纤维材料是指组份中包含纤维素、半纤维素和木质素的材料，其来源是松木、杉木或枫木中的任意一种。

8.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，在将木质纤维材料放入第一容器和第二容器中进行酰化反应之前，将所述木质纤维材料加热干燥至含水量低于5％。