CN105643742B - 一种阻燃木材复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种阻燃木材复合材料及其制备方法，包括如下步骤：(1)将木材用苯醇抽提，真空干燥后待用；(2)以体积比为4：1的比例配制含有磷酸铵和硼酸铵的溶液，并用氨水调节所述溶液的PH值至6‑7之间，作为前驱液；(3)在真空减压系统中将步骤(1)中所述待用的木材浸渍到步骤(2)中所述制备的前驱液中，使所述前驱液注入到木材基质中；(4)将步骤(3)中浸渍过的木材进行表面水洗处理，之后在温度为65℃、真空度为0.1MPa的条件下真空干燥24小时，即得。应用该方法处理过的木材，提高了阻燃性能及力学性能，扩大了木材的应用范围。

Description

一种阻燃木材复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料生产领域，具体而言涉及一种阻燃木材复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前我国不可再生资源日益枯竭，环境不堪重负，为保证可持续发展，应充分利用可再生、无污染的生物质资源和生物质材料。木材是一种可再生的绿色环保材料，因其具有良好的视觉特性、触觉特性、调温调湿机能和较高的强重比而深受人们喜爱。但木材固有的易燃性也会给人类带来巨大的灾难。统计数字表明，1991-2000年的10年间，平均每年因火灾死亡的人数为2456.4人，直接经济损失达11.6亿元。2000-2007年间，平均每年因火灾死亡的人数为2548.7人，直接经济损失达15.2亿元。而这其中很多火灾都是由易燃的木质材料引发的。因此，对木材进行阻燃改性处理有着非常迫切、重要且现实的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻燃木材复合材料及其制备方法。通过对木材进行阻燃改性处理，降低木材的易燃性、提高木材的阻燃性，从而可以使经过该方法处理过的木材具有更广的应用范围，例如，可用于制作实木家具、实木地板等等，提高了木制品的安全性。
根据本发明的一个方面，提供了一种阻燃木材复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将木材用苯醇抽提，真空干燥后待用；(2)以体积比为4：1的比例配制含有磷酸铵和硼酸铵的溶液，并用氨水调节所述溶液的PH值至6-7之间，作为前驱液；(3)在真空减压系统中将步骤(1)中所述待用的木材浸渍到步骤(2)中所述制备的前驱液中，使所述前驱液注入到所述待用的木材的基质中；(4)将步骤(3)中浸渍过的木材进行表面水洗处理，之后在温度为65℃、真空度为0.1MPa的条件下真空干燥24小时，即得。
在本发明的一个具体实施方式中，所述制备方法的步骤(2)中的前驱液含有1mol·L-1磷酸铵和0.15mol·L-1硼酸铵。
在本发明的一个具体实施方式中，所述制备方法的步骤(3)中的木材至所述前驱液中的浸渍时间为2-5小时。
在本发明的一个具体实施方式中，所述制备方法中的所述木材为山毛榉。
根据本发明的另一方面，提供一种根据所述制备方法所制备得到的阻燃木材复合材料。
根据本发明的第三方面，提供所述阻燃木材复合材料的应用，所述阻燃木材复合材料应用于建筑、装修和家具制造。
根据本发明的第四方面，提供一种提高木材力学性能和阻燃性能的方法，包括如下步骤：(1)将木材用苯醇抽提，真空干燥后待用；(2)以体积比为4：1的比例配制含有磷酸铵和硼酸铵的溶液，并用氨水调节所述溶液的PH值至6-7之间，作为前驱液；(3)在真空减压系统中将步骤(1)中所述待用的木材浸渍到步骤(2)中所述制备的前驱液中，使所述前驱液注入到所述待用的木材的基质中；(4)将步骤(3)中浸渍过的木材进行表面水洗处理，之后在温度为65℃、真空度为0.1MPa的条件下真空干燥24小时。
在一个具体的实施方式中，所述提高木材力学性能和阻燃性能的方法的步骤(2)中的前驱液含有1mol·L-1磷酸铵和0.15mol·L-1硼酸铵。
在一个具体的实施方式中，所述提高木材力学性能和阻燃性能的方法的所述步骤(3)中的木材至前驱液中的浸渍时间为2-5小时。
在一个具体的实施方式中，所述提高木材力学性能和阻燃性能的方法中的所述木材为山毛榉。
根据本发明提供的阻燃木材复合材料的制备方法能够提高了木材的力学性能和阻燃性能，扩大了木材的应用范围，并且提高了使用木制品的安全性。
附图说明
图1A和图1B为根据本发明的经过阻燃改性处理后的阻燃木材复合材料的内部结构光学显微镜图；
图2为根据本发明的经过阻燃改性处理后的阻燃木材复合材料与素材的压力试验对比图；
图3为根据本发明的经过阻燃改性处理后的阻燃木材复合材料与素材的差示扫描量热(DSC)对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步说明。
首先介绍阻燃木材复合材料的制备方法：
步骤一：将木材，例如山毛榉，但不限于此，也可以使用其他的木材用苯醇抽提，并进行真空干燥，以备待用；
步骤二：配制含有1mol·L-1磷酸铵和0.15mol·L-1硼酸铵的溶液，其中磷酸铵和硼酸铵的体积比为4:1；用氨水调节该配制的溶液，使所述配制的溶液的PH值在6-7之间；所述配制而成的溶液将作为前驱液使用。
步骤三：常温下，在真空减压系统中将步骤一中准备好的木材浸渍到步骤二中制备的前驱液中，浸渍时间优选为2-5小时，从而使前驱液能充分注入到木材的基质中。需要说明的是，浸渍的目的是为了让前驱液渗透到木材的基质中去。研究发现，由于树种的不同，例如针叶材或阔叶材，它们的木材内部的孔隙不一样，所以浸渍的难易程度也不一样。越容易浸渍的木材浸渍的时间就可越短，反之，越不容易浸渍的木材，浸渍的时间就要越长。本申请的发明人经多次实验得出，无论何种木材，如果浸渍时间少于2小时，都可能会引起浸渍不充分的问题。但在浸渍的时间多于5小时的情况下，一方面会导致浸渍的成本增加，另一方面发现即使浸渍比5小时更长的时间，浸渍的效果也不会有太大的变化。
步骤四：对步骤三中制备的木材，即充分注入了前驱液的木材进行表面水洗处理。水洗处理的目的是为了减少木材表面附着的前驱溶液，以便后面的加工处理，例如刷漆等；随后在温度为65℃、真空度为0.1MPa的条件下真空干燥24小时。
在上述四个步骤完成后，即得到根据本发明的阻燃木材复合材料。附图1A和1B为经过上述阻燃改性处理后的木材的内部结构图。由图1A和1B中可以看出，经过阻燃改性处理后的木材的内部结构仍然非常完整，没有出现任何损坏现象。
接下来，对经过阻燃改性处理后的木材进行力学性能试验。
图2示出了经过阻燃改性处理后的木材与素材的弦向压力试验图。所谓素材是相对于改性木材而言的，是指仅经过前述的步骤一处理过的木材。
该压力试验方法如下：用砂纸将木材试块表面磨平除去试块表面的沉积物。随后，利用例如，长春试验机厂生产制造的，WDW微机控制万能力学试验机进行力学试验。但能进行该试验的仪器不限于上述一种，任何能够对木材进行力学性能试验的仪器均可使用。作为举例，具体地，将除去表面沉积物的试块放入球面活动支座中心位置，均匀加压，使该木块试样在2分钟内破坏，测试木块的轴向抗压强度、弹性模量以及比例极限，并将试验木块的这些参量与素材的参量对比，得到图2。
由图2中可以明显看出，经过阻燃改性处理后的木材与素材相比，其力学性能没有大的差异，甚至各项参量要优于素材。例如，通过图2可以计算出经过阻燃改性处理后的木材的平均弦向抗压强度、弹性模量以及比例极限与素材的弦向抗压强度、弹性模量以及比例极限分别如下表1所示：
表1
其中，图2中的横坐标为木材的位移量，即位移的长度值；纵坐标为施加到改性木材上的压力值。
抗压强度＝最大压应力(对应图中压力的最大值)/横截面积；
比例极限＝压力(对应图中在满足胡克定律阶段的最大压力值)/横截面积；
弹性模量即为满足胡克定律阶段曲线的斜率。
通过上面的表1可以看出，经过阻燃改性处理后的木材在力学性能方面没有下降，反而略有提升，由此也可以说明，阻燃木材改性处理对木材的力学性能没有负面影响。
下面对经过阻燃改性处理的木材进行热稳定性分析，仍以素材作为对比物。
图3为经过阻燃改性处理的木材和素材的差示扫描量热(DSC)对比图。
热稳定性分析试验采用的是差示扫描量热法(DSC)，其是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。当木材试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，当木材试样吸热时，补偿放大器使木材试样一边的电流立即增大；反之，当木材试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量平衡，温差ΔT消失为止。
从图3中可以看出，素材木材在230℃左右有一个吸热峰，这是由于素材木材中的纤维素分解吸热造成的。而在360℃左右处，有一个明显较大的放热峰，该放热行为是由于木材中的纤维素、半纤维素和木质素的热解以及戊聚糖和有机抽提物等综合表现出来的。经过阻燃改性处理后的木材在200℃左右处有一个很小的吸热峰和一个较大的吸热峰，这主要是由于磷酸铵、硼酸铵和纤维素的分解吸热形成的。相比于素材木材而言，经过阻燃改性处理后的木材没有出现明显的放热峰，即不易燃烧，放热过程很平缓，这主要是由于磷酸铵和硼酸铵受热分解出磷酸、偏磷酸、偏硼酸和H2O等，并促进成炭覆于经过阻燃改性处理的基材的表面起到阻燃的效果。
通过上述试验可以看出，使用本发明的阻燃木材处理的方法获得的木材复合材料，在不降低木材的力学性能的前提下，降低了木材的易燃性，即，显著提高了木材的阻燃性能。扩大了木材的应用范围，例如，可应用于实木家具、实木地板等等，在应用中大大降低火灾的发生率，达到了安全耐用的有益技术效果。而采用真空浸渍制备木材复合材料的方法具有制备工艺简单，成本低，易于大规模生产的有益技术效果。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改型。所述改型均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种阻燃木材复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将木材用苯醇抽提，真空干燥后待用；
(2)以磷酸铵和硼酸铵的体积比为4：1的比例配制含有磷酸铵和硼酸铵的溶液，并用氨水调节所述溶液的pH值至6-7之间，作为前驱液；
(3)在真空减压系统中，将步骤(1)中所述待用的木材浸渍到步骤(2)中所述制备的前驱液中，使所述前驱液注入到所述待用的木材的基质中；
(4)将步骤(3)中浸渍过的木材进行表面水洗处理，之后在温度为65℃、真空度为0.1MPa的条件下真空干燥24小时，即得；
其中，所述步骤(2)中的前驱液由1mol· L-1 磷酸铵和0.15mol· L-1 硼酸铵制成；
所述步骤(3)中的木材在所述前驱液中的浸渍时间为2-5小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述木材为山毛榉。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法所制备得到的阻燃木材复合材料。
4.一种权利要求3所述的阻燃木材复合材料的应用，其特征在于，所述阻燃木材复合材料应用于建筑、装修和家具制造。
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