CN106891403A - 一种复合改性的速生木材及其复合改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合改性的速生木材及其复合改性方法。所述复合改性方法，包括以下步骤：1)取速生木材，在甲苯、乙醇和丙酮的混合溶液中抽提后，取出备用；2)将步骤1)处理后的所述速生木材在处理液中真空浸渍，然后常压浸渍，依次交替重复所述真空浸渍和所述常压浸渍2‑3次；其中，所述处理液由铝溶胶、去离子水和糠醇均匀混合而成；3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述速生木材，在80‑120℃的温度下固化，然后去除所述铝箔纸，继续干燥直至恒重，即得。本发明改性方法将物理改性技术和化学改性技术进行有机结合，使改性后的木材具备高档木材颜色深的特点，具有较好的尺寸稳定性、热稳定性和表面防水性，且制备方法简单，成本低。

Description

一种复合改性的速生木材及其复合改性方法

技术领域

本发明涉及木材改性技术领域，特别是涉及一种复合改性的速生木材及其复合改性方法。

背景技术

木材作为天然的高分子材料，拥有许多独特的性能例如多孔性、高强重比、各向异性、易加工性和美观性，但木材的缺点包括吸湿性、尺寸不稳定性、可燃性等限制了木材的实际应用。同时由于我国人工速生林的迅速发展，使得如何将这些材质松软、强度低、尺寸不稳定、材色浅的速生木材利用于需求量大的地板、家具和木制品市场变得尤为重要，因此，改善速生木材的尺寸稳定性、加深材色、提高表面疏水性对速生木材的高效利用具有重要意义。

传统的速生木材的硬化、强化和尺寸稳定化技术包括细胞腔填充改性、细胞壁及细胞腔填充改性以及化学处理。其中通过热改性或化学改性的化学处理是最有效的方法。公开号为CN101007412A的中国专利申请中公开了一种用于改善木材尺寸稳定性和耐久性的木材超高温热处理方法，但改性木材的强度、硬度等力学性能无显著改善。公开号为CN104057507A的中国专利申请中公开了一种室外用木地板木材增强改性处理剂，其包含糠醇组分的改性处理剂在渗透入木材内部后，与木材纤维吸附结合，提高了力学性能和尺寸稳定性，但糠醇单一改性木材在160℃至300℃之间的热稳定性劣于未改性木材。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出的是一种速生木材复合改性方法，所述方法利用速生木材通过复合改性技术处理制备综合性能优良的改性木材。其目的旨在有效改善传统有机聚合物改性木材热稳定性差以及无机化合物难以有效改性木材力学性能的缺点，同时提高速生木材的耐久性、尺寸稳定性以及表面疏水性。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种速生木材的改性方法，包括如下步骤：

1)取速生木材，在甲苯、乙醇和丙酮的混合溶液中抽提8-24小时后取出备用；

2)将步骤1)处理后的所述速生木材在处理液中真空浸渍10-60分钟，然后常压浸渍2-6小时，依次交替重复所述真空浸渍和所述常压浸渍2-3次；

其中，按重量份计，所述处理液包括50-100份铝溶胶、0-50份去离子水和50-100份糠醇；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述速生木材，在80-120℃的温度下固化12-48小时，然后去除所述铝箔纸，继续在100-110℃的温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

优选地，所述速生木材包括但不限于杨木、杉木、泡桐、桉木、松木等；优选为杨木、松木或杉木。

优选地，在抽提前，将所述速生木材加工制成一定规格的木块，以方便后续加工。

优选地，步骤1)的所述混合溶液中，所述甲苯、所述乙醇和所述丙酮的体积比为2-5:0-2:0-2，优选为3-4.5:0.5-1.5:0.5-1.5；更优选为4:1:1。更优选地，所述甲苯为2-5份，优选为3-4.5份；所述乙醇为0-2份，优选为0.5-1.5份；所述丙酮为0-2份，优选为0.5-1.5份。该混合比例下的混合溶液能够较完全地将木材中的抽提物去除。

优选地，所述抽提处理在索氏抽提器中进行，本发明的所述混合溶液相对于所述速生木材的用量为本领域常规用量，在此不作特别限定。

优选地，所述抽提处理后，还包括对处理后的所述速生木材进行干燥处理。优选在鼓风干燥箱中，在100-110℃下干燥10-15小时(优选为12小时)。

本发明通过将所述速生木材在上述混合溶液中抽提，可以将所述速生木材中的抽提物去除，使后续的浸渍处理中，处理液能够充分浸入所述速生木材中，使得浸渍液分布均匀，改性材性能均一，具有提高浸渍和改性效果的优点。

优选地，本发明所述的处理液为以重量份计，由70-80份铝溶胶、20-30份去离子水和70-80份糠醇均匀混合后调节pH值为3.5-4.5而形成。

本发明所述的处理液颜色均一，流动性好，具有较长是贮存稳定性。

优选地，步骤2)中，以甲酸调节所述处理液的pH值，优选调节pH值为4。

优选地，步骤2)中通过搅拌使混合液充分混合均匀。

本发明所述铝溶胶可通过市售购得，或通过常规技术手段制备得到。为了得到更高质量的铝溶胶，以确保速生木材的改性质量，本发明同时提供了铝溶胶的制备方法。

具体地，所述铝溶胶由以下方法制备得到：将异丙醇铝与去离子水按摩尔比1:80-120的比例加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，调节pH值为3.0-5.0，然后在65-90℃下恒温加热6-12小时，即得。

优选地，所述异丙醇铝与所述去离子水的摩尔比为1:90-105，更优选为1:100。该比例下的所述异丙醇铝与所述去离子水能够水解完全，所得铝溶胶贮存稳定。

优选地，所述铝溶胶的制备中，调节pH值为3.5-4.5，优选调节pH值为4，更优选以甲酸作为pH调节剂。在上述操作条件下，能够提高溶胶的贮存稳定性。

优选地，所述浸渍处理中，本发明的所述浸渍处理液相对于所述速生木材的用量为本领域常规用量，在此不作特别限定。

优选地，所述恒温加热在恒温水浴锅中进行。

优选地，步骤2)中，所述真空浸渍的压力为0.08-0.1MPa，优选为0.095MPa。通过在该真空度下进行真空浸渍，能够使得浸渍液完全渗透到木材内部。

优选地，所述真空浸渍在真空干燥箱中进行。

优选地，步骤4)中，所述固化及所述干燥在鼓风干燥箱中进行。

作为更理想的技术方案，本发明的速生木材的复合改性方法包括如下步骤：

1)取速生木材，在体积比为3-4.5:0.5-1.5:0.5-1.5的甲苯、乙醇和丙酮的混合溶液中抽提9-15(优选为10小时)小时后，取出备用；

2)将步骤1)处理后的所述速生木材在处理液中真空浸渍20-40分钟(优选为40分钟)，然后常压浸渍2-6小时(优选为4小时)，依次交替重复所述真空浸渍和所述常压浸渍2-3次；

其中，所述真空浸渍的压力为0.08-0.1Mpa；所述处理液为按重量份计，由70-80份铝溶胶、20-30份去离子水和70-80份糠醇混合均合后调节pH值为3.5-4.5而形成；

所述铝溶胶由以下方法制备得到：将异丙醇铝与去离子水按摩尔比1:90-105的比例加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，调节pH值为3.5-4.5，然后在65-90℃下恒温加热6-12小时，即得；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述速生木材，在90-110℃(优选为110℃)的温度下固化18-24小时(优选为20小时)，然后去除所述铝箔纸，继续在100-110℃(优选为105℃)的温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

本发明同时还提供一种按照上述方法改性得到的速生木材，该改性后的速生木材的热稳定性高、力学性能好，具有优异的耐久性、尺寸稳定性以及表面疏水性。

本发明上述技术方案的优点体现在以下方面：

(1)本发明利用可再生的糠醇作为改性剂的原料，糠醇来源于生物质资源，没有环境污染等问题。

(2)本发明使改性后的速生木材具备高档木材所具有的颜色，且保持了木材本身的自然纹理。

(3)本发明使改性后的速生木材获得了良好的尺寸稳定性，同时提高了木材的表面耐磨性和疏水性。

(4)本发明中经过铝溶胶/糠醇复合改性后的木材相较于糠醇单一改性木材，在160℃至300℃之间表现出较好的热稳定性。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

本发明实施例与对照例中各项指标计算及检测如下：

1)增重率(WPG)测试。计算公式如下：

其中，Wt为改性后试件绝干重量，Wu为未改性试件绝干重量；

2)体积膨胀率(BE)

其中，Vt为改性后试件绝干体积，Vu为未改性试件绝干体积；

3)尺寸稳定性(ASE)测试。计算公式如下：

其中，ASE为抗涨缩系数，St为改性试件在水中浸泡24小时体积变化率，Su为未改性试件体积变化率。连续测试3次即得三循环抗涨缩系数；

实施例1

本实施例提供了一种速生木材的复合改性方法。所述速生木材的复合改性方法包括以下步骤：

1)将窑干的低密度速生木材杨木制成尺寸20*20*20mm的木块后，在甲苯、乙醇和丙酮(体积比为4:1:1)的混合溶液中用索氏抽提器抽提10小时，并在鼓风干燥箱中100℃下干燥12小时，取出备用；

2)将步骤1)中抽提处理后的所述木块浸渍于处理液中，并放入真空干燥箱中真空浸渍30分钟，然后常压浸渍2小时，如此过程重复3次；其中，处理液为50g铝溶胶、50g去离子水和100g份糠醇混合均合而成，利用甲酸调节pH值为4；铝溶胶由以下方法制备得到：将20.42g异丙醇铝与180g去离子水加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，利用甲酸调节pH值为4，然后在85℃下恒温加热6小时，即得；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述木块，然后放入鼓风干燥箱中，在100℃的温度下固化20小时，随后将所述铝箔纸去掉，继续在105℃温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

本实施例经铝溶胶/糠醇复合改性后制得的速生木材经检测各项性能指标如下：增重率：55.97％，体积膨胀率：7.50％，240℃热失重率为11％。

实施例2

本实施例提供了一种速生木材的复合改性方法。所述速生木材的复合改性方法包括以下步骤：

1)将窑干的低密度速生木材松木制成尺寸20*20*20mm的木块后，在甲苯、乙醇和丙酮(体积比为4:2:2)的混合溶液中用索氏抽提器抽提8小时，并在鼓风干燥箱中100℃下干燥10小时，取出备用；

2)将步骤1)中抽提处理后的所述木块浸渍于处理液中，并放入真空干燥箱中真空浸渍40分钟，然后常压浸渍3小时，如此过程重复3次；其中，处理液为100g铝溶胶和100g份糠醇混合均合而成，利用甲酸调节pH值为4.5；铝溶胶由以下方法制备得到：将20.42g异丙醇铝与144g去离子水加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，利用甲酸调节pH值为4.5，然后在90℃下恒温加热6小时，即得；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述木块，然后放入鼓风干燥箱中，在120℃的温度下固化18小时，随后将所述铝箔纸去掉，继续100℃温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

本实施例经铝溶胶/糠醇复合改性后制得的速生木材经检测各项性能指标如下：增重率：49.44％，体积膨胀率：5.27％，240℃热失重率为8％。

实施例3

本实施例提供了一种速生木材的复合改性方法。所述速生木材的复合改性方法包括以下步骤：

1)将窑干的低密度速生木材杉木制成尺寸20*20*20mm的木块后，在甲苯、乙醇和丙酮(体积比为2:1:1)的混合溶液中用索氏抽提器抽提15小时，并在鼓风干燥箱中105℃下干燥15小时，取出备用；

2)将步骤1)中抽提处理后的所述木块浸渍于处理液中，并放入真空干燥箱中真空浸渍20分钟，然后常压浸渍5小时，如此过程重复2次；其中，处理液为80g铝溶胶、30g去离子水和80g糠醇混合均合而成，利用甲酸调节pH值为3.5；铝溶胶由以下方法制备得到：将20.42g异丙醇铝与216g去离子水加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，利用甲酸调节pH值为3.5，然后在65℃下恒温加热12小时，即得；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述木块，然后放入鼓风干燥箱中，在80℃的温度下固化48小时，随后将所述铝箔纸去掉，继续110℃温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

本实施例经铝溶胶/糠醇复合改性后制得的速生木材经检测各项性能指标如下：增重率：26.68％，体积膨胀率：3.26％，表面硬度：50.23Shore D，240℃热失重率为13％。

实施例4

本实施例提供了一种速生木材的复合改性方法。所述速生木材的复合改性方法包括以下步骤：

1)将窑干的低密度速生木材杨木制成尺寸20*20*20mm的木块后，在甲苯、乙醇和丙酮(体积比为4:2:1)的混合溶液中用索氏抽提器抽提24小时，并在鼓风干燥箱中110℃下干燥15小时，取出备用；

2)将步骤1)中抽提处理后的所述木块浸渍于处理液中，并放入真空干燥箱中真空浸渍60分钟，然后常压浸渍6小时，如此过程重复2次；其中，处理液为70g铝溶胶、20g去离子水和70g糠醇混合均合而成，利用甲酸调节pH值为4；铝溶胶由以下方法制备得到：将20.42g异丙醇铝与162g去离子水加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，利用甲酸调节pH值为4，然后在80℃下恒温加热8小时，即得；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述木块，然后放入鼓风干燥箱中，在110℃的温度下固化24小时，随后将所述铝箔纸去掉，继续105℃温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

本实施例经铝溶胶/糠醇复合改性后制得的速生木材经检测各项性能指标如下：增重率：35.47％，体积膨胀率：4.25％，表面硬度：52.32Shore D，240℃热失重率为13％。

对照例1

本对照例提供了一种速生木材的改性方法。与实施例1相比，本对照例所述改性方法的区别点仅在于：本对照例使用的处理液的不同，具体由以下方法制备得到：

将100g去离子水和100g糠醇混合，利用甲酸调节pH值为4，并在搅拌器下混合均匀，即得所述处理液(未使用铝溶胶)。

上述经糠醇改性后的速生木材经检测各项性能指标如下：增重率：90.03％，体积膨胀率：8.54％，240℃热失重率为14％。

由此可见，经本发明的所述方法复合改性后的速生木材的热稳定性得到明显改善，具有良好的尺寸稳定性以及疏水性；同时，本发明所述方法对环境友好，方法简单，具有广阔的市场前景。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种速生木材复合改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)取速生木材，在甲苯、乙醇和丙酮的混合溶液中抽提8-24小时后取出备用；

2)将步骤1)处理后的所述速生木材在处理液中真空浸渍10-60分钟，然后常压浸渍2-6小时，依次交替重复所述真空浸渍和所述常压浸渍2-3次；

其中，按重量份计，所述处理液包括50-100份铝溶胶、0-50份去离子水和50-100份糠醇；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述速生木材，在80-120℃的温度下固化12-48小时，然后去除所述铝箔纸，继续在100-110℃的温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的速生木材选自杨木、杉木、泡桐、桉木或松木，优选杨木、松木或杉木。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1)的所述混合溶液中，所述甲苯、所述乙醇和所述丙酮的体积比为2-5:0-2:0-2，优选为3-4.5:0.5-1.5:0.5-1.5。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述处理液为按重量份计，由70-80份铝溶胶、20-30份去离子水和70-80份糠醇均匀混合后调节pH值为3.5-4.5而形成。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述铝溶胶由以下方法制备得到：将异丙醇铝与去离子水按摩尔比1:80-120的比例加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，调节pH值为3.0-5.0，然后在65-90℃下恒温加热6-12小时，即得；优选调节pH值为3.5-4.5。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述异丙醇铝与所述去离子水的摩尔比为1:90-105。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述铝溶胶的制备中，以甲酸作为pH调节剂。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述真空浸渍的压力为0.08-0.1MPa。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)取速生木材，在体积比为3-4.5:0.5-1.5:0.5-1.5的甲苯、乙醇和丙酮的混合溶液中抽提9-15小时后取出备用；

2)将步骤1)处理后的所述速生木材在处理液中在真空条件下真空浸渍20-40分钟，然后在常压下常压浸渍2-6小时，依次交替重复所述真空浸渍和所述常压浸渍2-3次；所述真空浸渍的压力为0.08-0.1MPa；

其中，所述处理液为按重量份计，由70-80份铝溶胶、20-30份去离子水和70-80份糠醇混合均合后调节pH值为3.5-4.5而形成；

所述铝溶胶由以下方法制备得到：将异丙醇铝与去离子水按摩尔比1:90-105的比例加入带冷凝回流装置的反应器中，搅拌，调节pH值为3.5-4.5，然后在65-90℃下恒温加热6-12小时，即得；

3)利用铝箔纸包裹已浸渍处理的所述速生木材，在90-110℃的温度下固化18-24小时，然后去除所述铝箔纸，继续在100-10℃的温度下干燥直至恒重，即得改性后的速生木材。

10.权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到的改性后的速生木材。