CN106426451B - 一种人工速生林木材多功能化处理的方法 - Google Patents

一种人工速生林木材多功能化处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于一种人工速生林木材多功能化处理的方法，第一步：以马来酸酐为酯化剂、吡啶为催化剂，混合后在常温条件下对人工林木材进行真空加压浸渍处理，使木材被马来酸酐完全饱和后，通过加热及吡啶的催化作用完成木材细胞壁羟基与马来酸酐的酯化反应，得酯化木材；第二步，制备硅硼复合改性液，用硅硼复合改性液对酯化木材进行真空加压浸渍处理，利用木材内部的酸性环境促进硅溶胶的凝胶。本发明能在保留酯化木材尺寸稳定性和耐腐性好的前提下，再对酯化木材再做改性处理，全面改观和提高人工林木材的物理力学性能、阻燃性和耐腐性，实现人工林木材的多功能化和高附加值的利用，有利于缓解我国木材供需矛盾、促进我国森林资源的可持续发展的优点。

Description

一种人工速生林木材多功能化处理的方法
技术领域
本发明属于一种人工速生林木材多功能化处理的方法。
背景技术
近年来，我国木材资源的有效供给与不断增长的社会需求之间的矛盾日趋突出。我国人工林面积0.69亿公顷，居世界首位。国内丰富的人工林木材资源，以人工林木材替代我国总量严重不足的天然林木材及进口优质木材资源，是解决我国木材供应问题，实现木材利用可持续化发展的有效措施。然而，由于人工林木材（如杨木、杉木、柳杉、樟子松等）大多具有材质疏松、密度和强度低、尺寸不稳定及易霉变腐朽等缺陷，无法满足大量建筑、家具以及中高档木制品的用材要求，应用范围受限，产品附加值低。
采用有机酸酐在一定温度条件和催化作用下对木材进行酯化处理，使大分子链疏水性基团置换木材细胞壁物质中的小分子链亲水性羟基，引起羟基减少和细胞壁增容效应，是一种可有效降低木材吸湿性，提高其尺寸稳定性和耐腐性的环保型化学改性方法。然而，木材酯化后其力学性能降低，且相对未处理材更易燃烧。
当前，如何保留酯化木材尺寸稳定性和耐腐性好的优点，同时进一步提高其密度、力学强度及阻燃性能，是利于实现人工林木材的多功能化和高附加值利用，缓解我国木材供需矛盾、促进我国森林资源的可持续发展，需迫切解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工速生林木材多功能化处理的方法，能在保留酯化木材尺寸稳定性和耐腐性好的前提下，再对酯化木材再做改性处理，全面改观和提高人工林木材的物理力学性能、阻燃性和耐腐性，实现人工林木材的多功能化和高附加值的利用，有利于缓解我国木材供需矛盾、促进我国森林资源的可持续发展的优点。
为此，本发明的方法包括如下步骤：
(1)将含水率8%～30%的人工林速生木材置于耐高温、耐高压的密闭罐体中，通过抽真空，使罐体内部负压为0.08～0.095MPa，保持30～60min。
(2)将马来酸酐与吡啶混合制备成酯化液，酯化液的质量百分比为：马来酸酐95%～99%，吡啶1%～5%，在真空作用下，使酯化液注入罐体并完全淹没木材。
(3)解除罐体内真空状态，向罐体内施加气压，使其内部压力维持在0.6～1.5MPa，浸渍处理木材1～4h，使木材被酯化液完全饱和。
(4)打开排气阀，降低罐体压力至0.2MPa，利用余压将酯化液排出罐体，抽真空至罐体内部达到0.095MPa的负压状态，开启加热装置，使罐体内部温度控制在80℃～120℃，对木材进行真空加热处理2～8h。
(5)将罐体内温度降至35℃～40℃，得到酯化木材。
(6)将制备好的硅硼复合改性液，在罐体内真空条件下注入罐体内，并使硅硼复合改性液完全淹没木材，解除真空，向罐体内施加气压，使其内部压力维持在0.6～2.0MPa，浸渍处理木材1～8h。
(7)打开排气阀，降低罐体内压力至0.2MPa，利用余压将硅硼复合改性液排出罐体，进行回收、循环利用。
(8)罐体内降至常压常温，取出木材，自然存放7～10天，利用木材酯化后其内部的酸性环境，使填充于木材细胞腔内的硅溶胶与硼砂、硼酸锌的硅硼复合改性液完成凝胶。
(9)当木材含水率为45%～50%时，将木材放置到干燥设备内，在50℃～100℃条件下干燥10～15天，得多功能化处理改性材。
所述的人工林速生木材为杨木、杉木、柳杉和樟子松。
所述的步骤(4)中，当罐体内的负压因木材内部酸酐的受热蒸发而降至0.05MPa以下时，继续抽真空，使罐体内部负压恢复至0.095MPa。通过持续加热和吡啶的催化作用，使渗透到木材内部的马来酸酐与木材细胞壁物质发生充分的酯化反应，同时利用间歇式真空加热作用，使木材细胞腔内未反应的酯化液相继从木材及罐体排出，并分离回收、循环利用。
所述的硅硼复合改性液的制备方法为：将质量百分比浓度为30%、pH值为10～11的硅溶胶加热到40℃～60℃，加入硼砂与硼酸锌粉末，搅拌30～40min，降温至30℃以下，再加入质量百分比浓度为20%的氢氧化钠溶液，调整pH值到12～13，得到硅硼复合改性液。
所述的硅硼复合改性液中硼砂加入量占硅溶胶总质量的2～4%，硼酸锌粉末加入量占硅溶胶总质量的1～3%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的5～8%。
所述的硅硼复合改性液中硼砂加入量占硅溶胶总质量的3%，硼酸锌粉末加入量占硅溶胶总质量的2%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的6%。
所述的步骤(5)中罐体内温度为38℃～40℃。所述的步骤(6)中，罐体内部压力维持在2.0MPa，浸渍处理木材6h。
所述的酯化液中马来酸酐占质量百分比的97～98%，吡啶占质量百分比的2～3%。所述的步骤(9)中，处理材取出后自然存放10天，再放置到干燥设备内，在70℃～90℃条件下干燥15天。
上述方法达到了本发明的目的。
本发明能在保留酯化木材尺寸稳定性和耐腐性好的前提下，再对酯化木材再做改性处理，全面改观和提高人工林木材的物理力学性能、阻燃性和耐腐性，实现人工林木材的多功能化和高附加值的利用，有利于缓解我国木材供需矛盾、促进我国森林资源的可持续发展的优点。
本发明采用两步法对人工林木材进行多功能改性处理，第一步：以马来酸酐为酯化剂、吡啶为催化剂，混合后在常温条件下对人工林木材（杨木、杉木、柳杉、樟子松等）进行真空加压浸渍处理，使木材被马来酸酐完全饱和后，通过加热及吡啶的催化作用完成木材细胞壁羟基与马来酸酐的酯化反应，再通过真空干燥将剩余未反应的酯化剂从木材细胞腔内排出，得到尺寸稳定、耐腐性好的酯化木材；第二步，以硅硼复合改性液对酯化木材进行真空加压浸渍处理，利用木材内部的酸性环境促进硅溶胶的凝胶，再通过干燥、脱水使硅溶胶固化，并连同硼砂、硼酸锌一起沉积于木材细胞腔内，进一步提高酯化木材的密度、力学强度及阻燃性，最终制备出一种密度大、强度、硬度高、耐磨、尺寸稳定、耐腐性与阻燃性优良的多功能一体化的新型木质材料，实现了改性剂对人工林木材从细胞腔填充到细胞壁物质化学交联的细胞水平全方位功能改良，使人工林木材可替代优质天然林木材用于制造室内地热地板、墙体装饰板、高档门窗、家具、木结构房屋、木栈道、木桥梁及户外平台、船舶甲板等高附加值产品，市场前景广阔。
具体实施方式
实施例1
（a）将马来酸酐与吡啶混合制备酯化液，马来酸酐占比（质量百分比）为97%，吡啶3%。
将硅溶胶与硼砂、硼酸锌复合制备硅硼复合改性液，首先将质量百分比浓度为30%、pH值为10～11的硅溶胶加热到50℃，加入硼砂与硼酸锌粉末，搅拌30min，降温至30℃以下，再加入质量百分比浓度为20%的氢氧化钠溶液，调整pH值到12～13，得到一种可稳定存放、无色透明的硅硼复合改性液。其中，硼砂加入量占硅溶胶总质量的3%，硼酸锌加入量占硅溶胶总质量的2%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的6%。
（b）将规格为1000mm×150mm×20mm（纵向×弦向×径向）、含水率为12%的人工林杨木板材规整地码放于耐高温、耐高压的密闭罐体中，并将板材加以固定，关闭处理罐，开始抽真空，使罐体内部达到0.095MPa的负压状态，保持40min。
（c）在真空作用下，使马来酸酐与吡啶混合的酯化液注入罐体并完全淹没木材，解除真空，利用空气压缩机向罐体内施加压力至0.8MPa，浸渍处理木材2h，使木材被酯化液完全饱和。
（d）排出气体，降低压力至0.2MPa，利用余压将酯化液排出罐体，抽真空，使罐体内部达到0.095MPa的负压状态，开启加热装置，使罐体内部温度达到100℃，当罐体内负压因木材内部酸酐的持续受热蒸发而降至0.05MPa以下时，继续抽真空，使罐体内部负压恢复至0.095MPa，如此反复，对木材进行4h的真空加热处理，通过持续加热和吡啶的催化作用，使马来酸酐与木材细胞壁物质发生充分的酯化反应，同时利用间歇式真空加热作用，使木材细胞腔内未反应的酯化液相继从木材及罐体排出，以便分离回收、循环利用。
（e）将罐体内温度降至40℃以下，保持真空，将制备好的硅溶胶与硼砂、硼酸锌的硅硼复合改性液在真空作用下注入罐体，并完全淹没木材，解除真空，向罐体内施加气压，使其内部压力维持在0.8MPa，浸渍处理木材2h，使硅硼复合改性液完全渗透并填充于木材细胞腔内。时间到后，打开排气阀，降低压力至0.2MPa，利用余压将硅硼复合改性液排出罐体，进行回收、循环利用。
（f）将处理后的木材取出，自然存放7天，利用木材酯化后其内部的酸性环境，使填充于木材细胞腔内的硅溶胶与硼砂、硼酸锌的复合改性液完成凝胶，当木材含水率降至50%以下时，再将木材放置到干燥设备内，在60℃～90℃条件下干燥15天，使硅溶胶完全固化，并连同硼砂、硼酸锌一起沉积于木材细胞腔内，最终使人工林杨木成为一种密度大、强度、硬度高、耐磨、尺寸稳定、耐腐性与阻燃性优良的多功能化新型木质材料。
按照GB/T 1927~1943-2009《木材物理力学性质试验方法》对该次人工林杨木多功能化处理材的各项物理力学性能指标进行检测，处理后木材含水率7%。密度由处理前的0.38g/cm3增大到0.66g/cm3，抗胀率达70%，抗弯弹性模量比处理前提高65%，抗弯强度提高48%，表面硬度提高185%，耐磨性提高165%；耐腐性能达到国家标准GB/T 13942.1-2009《木材耐久性能第1部分：天然耐腐性实验室试验方法》中所规定的强耐腐等级的要求。
按照GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》测试，人工林杨木多功能化处理材的阻燃性能达到标准要求B1级；根据GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》测试人工林杨木多功能化处理材的氧指数，结果为：氧指数由处理前的26%提高到72%，属于难燃材料；根据国际标准ISO 5660:2002规定进行检测，人工林杨木多功能化处理材燃烧5分钟时的总热释放量≤5 MJ/m2，达到ISO难燃级要求（≤8 MJ/m2）。
实施例2
（a）将马来酸酐与吡啶混合制备酯化液，马来酸酐占比（质量百分比）为98%，吡啶2%。
将硅溶胶与硼砂、硼酸锌复合制备硅硼复合改性液，首先将质量百分比浓度为30%、pH值为10～11的硅溶胶加热到60℃，加入硼砂与硼酸锌粉末，搅拌30min，降温至30℃以下，再加入质量百分比浓度为20%的氢氧化钠溶液，调整pH值到12～13，得到一种可稳定存放、无色透明的复合改性液体。其中，硼砂加入量占硅溶胶总质量的4%，硼酸锌加入量占硅溶胶总质量的1%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的8%。
（b）将规格为1000mm×200mm×30mm（纵向×径向×弦向）、含水率为10%的人工林柳杉板材规整地码放于耐高温、耐高压的密闭罐体中，并将板材加以固定，关闭处理罐，开始抽真空，使罐体内部达到0.095MPa的负压状态，保持60min。
（c）在真空作用下，使马来酸酐与吡啶混合的酯化液注入罐体并完全淹没木材，解除真空，利用空气压缩机向罐体内施加压力至0.6MPa，浸渍处理木材3h，使木材被酯化液完全饱和。
（d）排出气体，降低压力至0.2MPa，利用余压将乙酸酐排出罐体，抽真空，使罐体内部达到0.095MPa的负压状态，开启加热装置，使罐体内部温度达到110℃，当罐体内负压因木材内部乙酸酐的持续受热蒸发而降至0.05MPa以下时，继续抽真空，使罐体内部负压恢复至0.095MPa，如此反复，对木材进行6h的真空加热处理，通过持续加热和吡啶的催化作用，使马来酸酐完成与木材细胞壁物质的酯化反应，同时利用间歇式真空加热作用，使木材细胞腔内未反应的酯化液相继从木材及罐体排出，以便分离回收、循环利用。
（e）将罐体内温度降至40℃以下，保持真空，将制备好的硅溶胶与硼砂、硼酸锌的硅硼复合改性液在真空作用下注入罐体，并完全淹没木材，解除真空，向罐体内施加气压，使其内部压力维持在0.6MPa，浸渍处理木材4h，使硅硼复合改性液完全渗透并填充于木材细胞腔内。时间到后，打开排气阀，降低压力至0.2 MPa，利用余压将硅硼复合改性液排出罐体，进行回收、循环利用。
（f）将处理后的木材取出，自然存放10天，利用木材酯化后其内部的酸性环境，使填充于木材细胞腔内的硅溶胶与硼砂、硼酸锌的复合改性液完成凝胶，当木材含水率降至50%以下时，再将木材放置到干燥设备内，在60℃～90℃条件下干燥10天，使硅溶胶完全固化，并连同硼砂、硼酸锌一起沉积于木材细胞腔内，最终使人工林柳杉成为一种密度大、强度、硬度高、耐磨、尺寸稳定、耐腐性与阻燃性优良的多功能化新型木质材料。
按照GB/T 1927~1943-2009《木材物理力学性质试验方法》对该次人工林柳杉多功能化处理材的各项物理力学性能指标进行检测，处理后木材含水率6%，密度由处理前的0.25g/cm3增大到0.58g/cm3，抗胀率达72%，抗弯弹性模量比处理前提高87%，抗弯强度提高56%，表面硬度提高215%，耐磨性提高190%；耐腐性能达到国家标准GB/T 13942.1-2009《木材耐久性能第1部分：天然耐腐性实验室试验方法》中所规定的强耐腐等级的要求。
按照GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》测试，人工林柳杉多功能化处理材的阻燃性能达到标准要求B1级；根据GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》测试人工林柳杉多功能化处理材的氧指数，结果为：氧指数由处理前的24%提高到69%，属于难燃材料；根据国际标准ISO 5660:2002规定进行检测，人工林柳杉多功能化处理材燃烧5分钟时的总热释放量≤5 MJ/m2，达到ISO难燃级要求（≤8 MJ/m2）。
实施例3
按照实施例1的方法处理人工林杉木，不同的是：
步骤（a）中马来酸酐占比为98%，吡啶2%。
硅硼复合改性液中硼砂加入量占硅溶胶总质量的2.5%，硼酸锌加入量占硅溶胶总质量的1.8%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的5.5%。
步骤（b）中木材规格为1000mm×100mm×30mm（纵向×弦向×径向），含水率为15%，抽真空后保持时间60min。
步骤（c）中罐体内施加压力至1.5MPa，浸渍处理木材4h。
步骤（d）中真空加热处理温度为120℃，时间为6h。
步骤（e）中罐体内部压力维持在1.8MPa，浸渍处理木材8h。
步骤（f）中处理材取出后自然存放10天，再放置到干燥设备内，在80℃～100℃条件下干燥15天。
最终得到的人工林杉木多功能化处理材，含水率5%，密度由处理前的0.32g/cm3增大到0.60g/cm3，抗胀率达75%，抗弯弹性模量比处理前提高57%，抗弯强度提高45%，表面硬度提高164%，耐磨性提高205%；耐腐性能达到强耐腐等级；根据GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》测试人工林杉木多功能化处理材的氧指数，结果为：氧指数由处理前的27%提高到76%，属于难燃材料，阻燃性能分别达到GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》要求的B1级和国际标准ISO 5660:2002规定的难燃级要求。
实施例4
按照实施例1的方法处理人工林樟子松，不同的是：
步骤（a）中马来酸酐占比为99%，吡啶1%。
硅硼复合改性液中硼砂加入量占硅溶胶总质量的1.5%，硼酸锌加入量占硅溶胶总质量的2.5%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的8%。
步骤（b）中木材规格为1000mm×100mm×25mm（纵向×弦向×径向），含水率为10%，抽真空后保持时间50min。
步骤（c）中罐体内施加压力至1.8MPa，浸渍处理木材6h。
步骤（d）中真空加热处理温度为120℃，时间为3h。
步骤（e）中罐体内部压力维持在2.0MPa，浸渍处理木材6h。
步骤（f）中处理材取出后自然存放10天，再放置到干燥设备内，在70℃～90℃条件下干燥15天。
最终得到的人工林樟子松多功能化处理材，含水率7%，密度由处理前的0.48g/cm3增大到0.86g/cm3，抗胀率达80%，抗弯弹性模量比处理前提高78%，抗弯强度提高62%，表面硬度提高252%，耐磨性提高238%；耐腐性能达到强耐腐等级。根据GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》测试人工林樟子松多功能化处理材的氧指数，结果为：氧指数由处理前的26%提高到80%，属于难燃材料，阻燃性能分别达到GB 8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》要求的B1级和国际标准ISO 5660:2002规定的难燃级要求。
总之，采用本发明的多功能改性处理方法，可使人工林软质木材最终成为一种密度大、强度、硬度高、耐磨、尺寸稳定、耐腐性与阻燃性优良的新型木质材料，实现了改性剂对人工林木材从细胞腔填充到细胞壁物质化学交联的细胞水平全方位功能改良，拓展了人工林木材的应用范围，使其可替代优质天然林木材广泛用于室内地热地板、防潮耐水型装饰材料、高档门窗、家具、木结构房屋、木栈道、木桥梁及户外平台、船舶甲板等产品的加工利用，附加值相比未处理木材提高1倍以上，应用前景广阔。

Claims (10)

1.一种人工速生林木材多功能化处理的方法,其特征在于：该处理方法包括如下步骤：
(1)将含水率8%～30%的人工林速生木材置于耐高温、耐高压的密闭罐体中，通过抽真空，使罐体内部负压为0.08～0.095MPa，保持30～60min；
(2)将马来酸酐与吡啶混合制备成酯化液，酯化液的质量百分比为：马来酸酐95%～99%，吡啶1%～5%，在真空作用下，使酯化液注入罐体并完全淹没木材；
(3)解除罐体内真空状态，向罐体内施加气压，使其内部压力维持在0.6～1.5MPa，浸渍处理木材1～4h，使木材被酯化液完全饱和；
(4)打开排气阀，降低罐体压力至0.2MPa，利用余压将酯化液排出罐体，抽真空至罐体内部达到0.095MPa的负压状态，开启加热装置，使罐体内部温度控制在80℃～120℃，对木材进行真空加热处理2～8h；
(5)将罐体内温度降至35℃～40℃，得到酯化木材；
(6)将制备好的硅硼复合改性液，在罐体内真空条件下注入罐体内，并使硅硼复合改性液完全淹没木材，解除真空，向罐体内施加气压，使其内部压力维持在0.6～2.0MPa，浸渍处理木材1～8h；
(7)打开排气阀，降低罐体内压力至0.2MPa，利用余压将硅硼复合改性液排出罐体，进行回收、循环利用；
(8)罐体内降至常压常温，取出木材，自然存放7～10天，利用木材酯化后其内部的酸性环境，使填充于木材细胞腔内的硅溶胶与硼砂、硼酸锌的硅硼复合改性液完成凝胶；
(9)当木材含水率为45%～50%时，将木材放置到干燥设备内，在50℃～100℃条件下干燥10～15天，得多功能化处理改性材。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：所述的人工林速生木材为杨木、杉木、柳杉和樟子松。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：所述的步骤(4)中，当罐体内的负压因木材内部酸酐的受热蒸发而降至0.05MPa以下时，继续抽真空，使罐体内部负压恢复至0.095MPa；通过持续加热和吡啶的催化作用，使渗透到木材内部的马来酸酐与木材细胞壁物质发生充分的酯化反应，同时利用间歇式真空加热作用，使木材细胞腔内未反应的酯化液相继从木材及罐体排出，并分离回收、循环利用。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：所述的硅硼复合改性液的制备方法为：将质量百分比浓度为30%、pH值为10～11的硅溶胶加热到40℃～60℃，加入硼砂与硼酸锌粉末，搅拌30～40min，降温至30℃以下，再加入质量百分比浓度为20%的氢氧化钠溶液，调整pH值到12～13，得到硅硼复合改性液。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于：所述的硅硼复合改性液中硼砂加入量占硅溶胶总质量的2～4%，硼酸锌粉末加入量占硅溶胶总质量的1～3%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的5～8%。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于：所述的硅硼复合改性液中硼砂加入量占硅溶胶总质量的3%，硼酸锌粉末加入量占硅溶胶总质量的2%，氢氧化钠溶液加入量占硅溶胶总质量的6%。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：所述的步骤(5)中罐体内温度为38℃～40℃。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：所述的酯化液中马来酸酐占质量百分比的97～98%，吡啶占质量百分比的2～3%。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：所述的步骤(6)中，罐体内部压力维持在2.0MPa，浸渍处理木材6h。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于：所述的步骤(9)中，处理材取出后自然存放10天，再放置到干燥设备内，在70℃～90℃条件下干燥15天。
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