CN107775759B - 木质材料结合气凝胶的防火材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木质材料结合气凝胶的防火材制造方法，包括有下列步骤：A.于一前驱物与一有机溶剂的混合溶液中加入一酸触媒，使其产生水解反应而成为一气凝胶溶液。B.于该气凝胶溶液中加入一碱触媒水溶液，使其产生缩合反应而形成一气凝胶水溶液。C.将一木质材料含浸于该气凝胶水溶液，经凝胶化而产生一气凝胶包覆该木质材料。D.使该木质材料干燥后成型为一防火材。本发明还公开了一种利用上述步骤所制造而成的木质材料结合气凝胶的防火材。借以能具有优异的防火功效，并能通过燃烧最低含氧量测试。

Description

木质材料结合气凝胶的防火材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种木质材料结合气凝胶的防火材及其制造方法。

背景技术

气凝胶拥有许多的特殊性质，如低密度、高孔隙率、高比表面积以及低热传导系数。目前针对气凝胶的制造方法以溶胶凝胶合成法，由烷氧基硅烷类(Alkoxysilane)或正硅酸甲酯等前驱物与含水有机溶剂进行混合后，添加酸触媒，进行水解反应(Hydrolysis)。水解一定时间后，再添加碱触媒，进行缩合反应(Condensation)，在缩合反应期间称为溶胶溶液。在溶胶溶液中的二氧化硅分子继续进行缩合聚集，逐渐形成二氧化硅凝胶。

传统气凝胶溶液中，因含有大量的乙醇(酒精)分子，故其在干燥制程期间会形成乙醇蒸气，当干燥环境中乙醇蒸气达到气爆临界值以上，对于结合以气凝胶为主的各种制程，于安全生产工作上有极大的影响。

例如有2011年10月4日所公告的美国第8029871号「生产二氧化硅气凝胶涂层的方法」专利案，揭示二氧化硅气凝胶涂料由烷氧基硅烷和有机改性剂进行水解以及聚合所获得湿的有机改性二氧化硅凝胶，利用超声波处理所制备的形成有机改性二氧化硅凝胶，形成有机改性的二氧化硅分散物，添加紫外线固化型树脂和光聚合引发剂于此有机改性的二氧化硅分散物，形成二氧化硅气凝胶涂料液体，应用此涂料液体于基材上，然后照射紫外线于此涂层。以及中国台湾公开的发明第200835648号及实用新型第M426798号专利案。

这些专利前案并未有针对回收的木质材料结合气凝胶制成防火材，以及所需的制造步骤及条件进行改良，也非减少制程中的安全生产工作问题，因此未揭示出与本发明相同的技术特征及功效。

因此，气凝胶作为隔热或多孔吸附专利众多，但尚无揭示含浸于回收木屑中，用以结合制成一防火材的专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种木质材料结合气凝胶的防火材及其制造方法，借由结合多孔性硅酸盐气凝胶材料的高隔热特性，以及回收木屑的低成本、高减碳、优异力学性质等特性，以达到利用回收木屑结合气凝胶以制造防火材的目的。

基于此，本发明主要通过下列技术手段，来实现上述目的。

一种木质材料结合气凝胶的防火材制造方法，其包含下列步骤：A.于一前驱物与一有机溶剂的混合溶液中加入一酸触媒，使其产生水解反应而成为一气凝胶溶液，所述前驱物为一烷氧基硅烷类或一正硅酸甲酯，所述有机溶剂以一水及一乙醇进行混合而成，所述水及所述乙醇的摩尔比含量范围为10：1至120：8，所述前驱物的摩尔比含量占所述混合溶液中的9%至16%，所述有机溶剂的摩尔比含量占所述混合溶液中的84%至91%，所述前驱物与所述酸触媒的摩尔比含量范围为1：0.001至1：0.1，使得所述前驱物的摩尔比含量占所述气凝胶溶液中的9.1%至16.66%，所述有机溶剂的摩尔比含量占所述气凝胶溶液中的83.33%至90.60%，所述酸触媒的摩尔比含量占所述气凝胶溶液中的0.003%至0.3%；B.于所述气凝胶溶液中加入一碱触媒水溶液，使其产生缩合反应而形成一气凝胶水溶液，所述碱触媒水溶液由一碱触媒与一水溶液配置而成，所述碱触媒与所述水溶液的摩尔比含量范围为0.003：16至0.2：180，经缩合反应后的所述气凝胶水溶液中，所述前驱物的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液的0.32%至7.07%，所述乙醇的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液的1.61%至21.20%，而所含水溶液的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液的70.67%至98.02%，所述碱触媒的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液中的0.05%至1.06%；C.将一木质材料含浸于所述气凝胶水溶液，经凝胶化而产生一气凝胶包覆所述木质材料；D.使所述木质材料干燥后成型为一防火材。

进一步，所述步骤A的水解时间为10分钟至300分钟，所述前驱物和所述酸触媒的摩尔比含量范围为1：0.001时，所述水解时间为300分钟，所述前驱物和所述酸触媒的摩尔比含量范围为1：0.1时，所述水解时间为10分钟。

进一步，所述酸触媒选自：一盐酸、一硫酸或一苯磺酸的其中之一或其组合，所述碱触媒选自：一NH₄OH、一NaOH或一KOH的其中之一或其组合。

进一步，所述步骤B的缩合反应时间为10分钟至72小时，所述碱触媒和所述酸触媒的摩尔比含量范围为1：1时，所述缩合反应时间为72小时，所述碱触媒和所述酸触媒的摩尔比含量范围为3：1时，所述缩合反应时间为10分钟。

进一步，所述木质材料为一木屑、一抛削木片、一抛削木材颗粒、一废木块、一木材下脚料其中之一或其组合。

进一步，所述步骤C的凝胶化时间为3分钟至1100分钟，所述碱触媒和所述酸触媒的摩尔比含量为1：1时，所述凝胶化时间为1100分钟，所述碱触媒和所述酸触媒的摩尔比含量为3：1时，所述凝胶化时间为3分钟。

进一步，所述步骤D的干燥温度为25℃至105℃，干燥时间则为30分钟。

一种木质材料结合气凝胶的防火材，以所述木质材料结合气凝胶的防火材制造方法所制造而成。

进一步，所述防火材中所含的所述气凝胶的重量百分比为0.5wt%至10wt%。

本发明木质材料结合气凝胶的防火材及其制造方法采用上述技术手段后，具有下列优点：

1、主要以回收的木屑为主，故制造成本相当低廉，适合于大量制造及使用。

2、借由结合多孔性气凝胶材料的高隔热特性，以及回收木屑的力学性质等优异特性，并能在一般条件(常温常压)下大量制造成防火材，于燃烧中无释放有毒气体，安全稳定性佳，可作为室内装潢、系统柜、隔间木材的防火、隔热，或是建筑、工业厂房用的耐火隔热材上等用途。

3、借由调整酸触媒浓度，借以可调整水解反应的时间，以及借由调整碱触媒含量，借以可调整缩合反应时间，以供不同需求而降低制造时间。

4、气凝胶溶胶的干燥程序于常温常压下进行，或利用105℃进行气凝胶溶胶快速汽化干燥程序，借以改善传统气凝胶体系的二氧化碳超临界干燥程序制成防火材的缺点，可增加回收木屑在防火或阻热上的机能。

5、以含浸加工方式使所制造的气凝胶溶液与回收木屑结合，使该木屑孔洞中以及木屑表面形成气凝胶保护膜连续结构，以达到结合力强，不易脱落的功效。

6、借由调整气凝胶溶液中水与乙醇的含量，可调整该防火材中所含气凝胶的体积百分比含量，于气凝胶水溶液中的前驱物的摩尔比含量占1.4%以上时，所制成的防火材即可达到隔热及防火效果，使该防火材能够应用在绿建筑的防火、隔热使用。

7、以木屑的单一成分即可完全结合气凝胶而成为一防火材，不需再另外增加任何阻燃剂的成分，故制造简单且成本较低。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图。

图2a为本发明实施例中的回收木屑于制造前及制造后与气凝胶结合成为一防火材的电子显微镜照片(一)。

图2b为本发明实施例中的回收木屑于制造前及制造后与气凝胶结合成为一防火材的电子显微镜照片(二)。

图2c为本发明实施例中的回收木屑于制造前及制造后与气凝胶结合成为一防火材的电子显微镜照片(三)。

图2d为本发明实施例中的回收木屑于制造前及制造后与气凝胶结合成为一防火材的电子显微镜照片(四)。

表1为本发明实施例中所制成的防火材进行燃烧最低含氧量(LOI)测试的数据表。

具体实施方式

本发明含一种木质材料结合气凝胶的防火材制造方法，请参阅图1所示，本发明实施例包括下列步骤：

A.于一前驱物与一有机溶剂的混合溶液中加入一酸触媒，使其产生水解反应而成为一气凝胶溶液。本实施例主要提供一烷氧基硅烷类或一正硅酸甲酯的前驱物，与以水及乙醇混合而成的有机溶剂，该有机溶剂中的水及乙醇的摩尔比(mol%)含量范围为10：1至120：8。将该前驱物与该有机溶剂充分进行搅拌混合成为一混合溶液。又该前驱物与该有机溶剂中水的摩尔比含量范围高于1：4，使该前驱物可加速水解反应。亦即该前驱物的摩尔比含量占该混合溶液中的9%至16%(本实施例以1摩尔计算)，该有机溶剂的摩尔比含量占该混合溶液中的84%至91%(本实施例以5至10摩尔计算)。

然后于该混合溶液中添加一酸触媒，使其成为一气凝胶溶液，该前驱物与该酸触媒的摩尔比含量范围为1：0.001至1：0.1，当该前驱物和该酸触媒的摩尔比含量范围为1：0.001时，其水解时间约300分钟。当该前驱物和该酸触媒的摩尔比含量范围为1：0.1时，其水解时间约10分钟，该酸触媒含量将会影响水解时间。又该前驱物的摩尔比含量占该气凝胶溶液中的9.1%至16.66%(本实施例以1摩尔计算)，该有机溶剂的摩尔比含量占该气凝胶溶液中的83.33%至90.60%(本实施例以5至10摩尔计算)，该酸触媒的摩尔比含量占该气凝胶溶液中的0.003%至0.3%(本实施例以0.001至0.1摩尔计算)。

上述水解反应在室温条件下搅拌进行。又该水解反应时间以30分钟至60分钟为最佳，该水解反应时间随着该酸触媒的摩尔百分比含量增加而缩短。水分子于水解反应过程中会与该前驱物的烷氧基硅烷类或该正硅酸甲酯反应转换成乙醇，使体系形成该气凝胶溶液。其中，该酸触媒选自：一盐酸、一硫酸或一苯磺酸的其中之一或其组合。

B.于该气凝胶溶液中加入一碱触媒水溶液，使其产生缩合反应而形成一气凝胶水溶液。再提供一碱触媒与一水溶液配置而成的一碱触媒水溶液，该碱触媒与该水溶液的摩尔比含量范围为0.003：16至0.2：180，该碱触媒水溶液加入至该气凝胶溶液中，使其产生一缩合反应，借以形成一气凝胶水溶液。该碱触媒选自：NH₄OH、NaOH或KOH的其中之一或其组合，而配置的水溶液为纯水、过滤水、二次水的一种或其组合。该碱触媒含量将会影响缩合反应时间，当该碱触媒和该酸触媒的摩尔比含量范围为1：1时，缩合反应时间约72小时。当该碱触媒和该酸触媒的摩尔比含量范围为3：1时，缩合反应时间约10分钟。该缩合反应时间随着该碱触媒的摩尔比含量增加而缩短。其中，经缩合反应后的整体气凝胶水溶液中，该前驱物的摩尔比含量占该气凝胶水溶液的0.32%至7.07%(本实施例系以1摩尔计算)，该乙醇的摩尔比含量占该气凝胶水溶液的1.61%至21.20%(本实施例以3至5摩尔计算)，而该水溶液的摩尔比含量占该气凝胶水溶液的70.67%至98.02% (本实施例以10至305摩尔计算)，该碱触媒的摩尔比含量占该气凝胶水溶液中的0.05%至1.06%(本实施例以0.0015至0.15摩尔计算)。

C.将一木质材料含浸于该气凝胶水溶液，经凝胶化而产生一气凝胶包覆该木质材料。将该木质材料予以含浸至该气凝胶水溶液中，使该气凝胶水溶液可以充分渗入该木质材料中。该木质材料以回收的木屑为最佳，除了可以达到最低廉的制造成本外，又该木质材料除了使用回收的木屑外，亦可使用回收抛削木片、回收抛削木材颗粒、回收废木块或木材下脚料其中之一或其组合所制造而成。当该碱触媒和该酸触媒的摩尔比含量为1：1时，其凝胶化时间约1100分钟；而该碱触媒和该酸触媒的摩尔比含量为3：1时，则凝胶化时间缩短至约3分钟，借以可控制该木质材料含浸的加工制程时间。又除了通过含浸加工方式外，亦可以连续输送多道喷洒方式，借以使该气凝胶充分渗入该木质材料中。

D.使该木质材料干燥后成型为一防火材。将上述已结合有气凝胶水溶液的木质材料，于常温(25℃)及常压下，可再经由一上胶、一压缩成型及一干燥定型等干燥程序，使其得以成型为一结合有该木质材料及一气凝胶的防火材。又或于105℃下，进行气凝胶溶胶快速汽化干燥程序，借以改善传统气凝胶体系的二氧化碳超临界干燥程序制成防火材的缺点，可增加木质材料在防火或阻热上的机能。在本发明中，由于传统气凝胶溶液中，因含有大量的乙醇(酒精)分子，故其在步骤D的干燥制程期间会形成乙醇蒸气，当干燥环境中乙醇蒸气达到气爆临界值以上，对于回收的木屑结合气凝胶所制成的防火材制程的安全生产工作有极大的危险性。因此本发明针对回收木屑及气凝胶结合的防火材所需的气凝胶溶液制造条件进行改良，借以可减少制程安全生产工作问题。

该步骤D的干燥条件为于室温下进行自然干燥，或在80℃至105℃的条件下进行干燥，如在105℃条件下进行快速搅拌干燥30分钟后，即可获得该防火材，从而提高产品良率。利用该气凝胶在该木质材料的内部气腔中形成稳定的一气凝胶膜，借以可阻绝该木质材料中的木材纤维素及木质素分子在火焰中快速燃烧。又以含浸加工方式使所制造的气凝胶水溶液与该回收木屑结合后，于该木屑孔洞中形成气凝胶保护膜连续结构，可达到结合力强，不易脱落的效果。借以利用上述制程可以供大量生产且进行连续式工业化制程，进一步可达到降低制造成本的功效。

又前述步骤C的气凝胶水溶液充分渗入于回收的木屑中，使该回收的木屑中吸附气凝胶于其内部的孔洞中及木屑的表面。因为原本的回收木屑为一拥有大量孔洞的网状结构，当含浸气凝胶水溶液后，该气凝胶水溶液在回收木屑原本的孔洞中凝胶化，当干燥后气凝胶也形成拥有大量微孔洞的网状结构，因此气凝胶将在回收木屑原本的孔洞中，以及其表面形成多孔性的气凝胶多孔网状结构所形成的保护膜，请配合参阅图2（a）、图2（b）、图2（c）、图2（d）所示，图2（a）为原回收木屑的外观照片，图2（b）、图2（c）、图2（d）为回收木屑结合气凝胶改质表面的微观照片。由照片中可证明该气凝胶填充于回收木屑的纤维间空隙，并于回收木屑表面形成气凝胶的一保护膜。其中，前述含浸方式尚可依含浸气凝胶水溶液中该烷氧基硅烷类或该正硅酸甲酯含量的多少，可以制造成不同气凝胶含量披覆的防火材，亦即低含量的该烷氧基硅烷类或该正硅酸甲酯的摩尔比含量于含浸该回收木屑，表示该回收木屑局部受到该气凝胶保护，除可保留回收木屑的原有外观及回收木屑的特性外，还外加气凝胶的高隔热性与耐火性质，故可作为绿建筑的一般隔热建材或者汽车用的隔热材。相对的，高含量的该烷氧基硅烷类或该正硅酸甲酯的摩尔比含量于含浸该回收木屑，可使该回收木屑完全受到该气凝胶保护，可提供较为高级的隔热性与耐火性质，因此可作为建筑或工业厂房用的耐火隔热材上。又调整气凝胶溶液中水与乙醇含量，可借以调整该防火材中所含该气凝胶的体积百分比含量，例如气凝胶水溶液中该前驱物的摩尔比含量占1.4%以上时，所制成的防火材即可达到隔热及防火效果。

又该防火材中所含的该气凝胶的重量比以0.5wt%至10wt%为最佳。该步骤A的该烷氧基硅烷类或该正硅酸甲酯的该前驱物与该气凝胶水溶液的摩尔比含量范围为1：30时，则该回收木屑与该气凝胶水溶液的体积比范围为1：0.85至1：1.5。

当经过该步骤D干燥程序后的木质材料中的该木质材料与气凝胶的体积比在1：1以下时，即能作为一般防焰材使用，借此节省该气凝胶的用量以控制制造成本。当该木质材料与气凝胶的体积比范围在1：1以上时，除具有优良隔热效果外，更能达到防火的效果，本发明的回收木屑结合气凝胶所制成的防火材经燃烧最低含氧量(LOI)测试，该LOI值达50以上，可达一级防火耐焰效果，燃烧中无释放有毒气体，安全稳定性佳，故可做为建筑用防火隔热材使用。本发明的回收木屑结合气凝胶所制成的防火材经绿建材隔热系数(k)测试，该k值达0.12W/m‧k，：一般木材板材以及木塑板低，具有优异的隔热效果。该燃烧最低含氧量(LOI)以及绿建材隔热系数(k)测试数据如下列表1所示。

表1：

本发明亦含一种木质材料结合气凝胶的防火材，依照上述制造方法所制造而成。该防火材中包含一回收木屑及一气凝胶，该气凝胶与该回收木屑结合形成气凝胶保护膜结构。该回收木屑与该气凝胶的重量比范围在1：1以下时，则具有防焰的效果(LOI>36)，由于该防火材的防火及防焰效果，随着该气凝胶的重量比增加而提高。因此就能节省气凝胶的使用量，并兼具隔热及低成本的功效。

本发明结合具有多孔性的气凝胶材料的高隔热特性以及回收木屑的特性，借以制成以回收木屑结合气凝胶的防火材，并且能大量制造，相当具有产业利用性。此外，本发明中借由调整该酸触媒含量，以调整该水解反应的时间，及借由调整该气凝胶溶液中该碱触媒含量，以调整该缩合反应形成凝胶化的时间，以控制该回收木屑含浸加工制程时间。再者，本发明中该气凝胶可渗入该回收木屑中，并于该木屑孔洞中以及木屑表面形成气凝胶的保护膜，并使气凝胶不易脱落。而调整所含的该回收木屑与该气凝胶的体积比范围大于1：1以上时，即具有优良的防火效果，使本发明中该回收木屑结合气凝胶借以能作为建筑用隔热、防火材使用。

以上所述仅为本发明其中的二实施例，当不能以此限定本发明的申请专利保护范围，举凡依本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与替换，皆应仍属于本发明权利要求书所涵盖保护的范围内。

Claims (5)

1.一种木质材料结合气凝胶的防火材制造方法，其特征在于，包含下列步骤：

A.于前驱物与有机溶剂的混合溶液中加入酸触媒，使其产生水解反应而成为气凝胶溶液，所述前驱物为烷氧基硅烷类或正硅酸甲酯，所述有机溶剂以水及乙醇进行混合而成，所述水及所述乙醇的摩尔比含量范围为10：1至120：8，所述前驱物的摩尔比含量占所述混合溶液中的9%至16%，所述有机溶剂的摩尔比含量占所述混合溶液中的84%至91%，所述前驱物与所述酸触媒的摩尔比含量范围为1：0.1，水解时间为10分钟，使得所述前驱物的摩尔比含量占所述气凝胶溶液中的9.1%至16.66%，所述有机溶剂的摩尔比含量占所述气凝胶溶液中的83.33%至90.60%，所述酸触媒的摩尔比含量占所述气凝胶溶液中的0.003%至0.3%； B.于所述气凝胶溶液中加入碱触媒水溶液，使其产生缩合反应而形成气凝胶水溶液，所述碱触媒水溶液由碱触媒与水溶液配置而成，所述碱触媒与所述水溶液的摩尔比含量范围为0.003：16至0.2：180，经缩合反应后的所述气凝胶水溶液中，所述前驱物的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液的0.32%至7.07%，所述乙醇的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液的1.61%至21.20%，而所含水溶液的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液的70.67%至98.02%，所述碱触媒的摩尔比含量占所述气凝胶水溶液中的0.05%至1.06%，所述碱触媒和所述酸触媒的摩尔比含量范围为3比1，所述缩合反应时间为10分钟；

C.将木质材料含浸于所述气凝胶水溶液，经凝胶化而产生气凝胶包覆所述木质材料，所述凝胶化时间为3分钟；

D.使所述木质材料干燥后成型为防火材。

2.如权利要求1所述木质材料结合气凝胶的防火材制造方法，其特征在于：所述酸触媒选自：盐酸、硫酸或苯磺酸的其中之一或其组合，所述碱触媒选自：NH₄OH、NaOH或KOH的其中之一或其组合。

3.如权利要求1所述木质材料结合气凝胶的防火材制造方法，其特征在于：所述木质材料为木屑、抛削木片、抛削木材颗粒、废木块、木材下脚料其中之一或其组合。

4.如权利要求1所述木质材料结合气凝胶的防火材制造方法，其特征在于：所述步骤D的干燥温度为25℃至105℃，干燥时间则为30分钟。

5.一种木质材料结合气凝胶的防火材，以权利要求1所述木质材料结合气凝胶的防火材制造方法所制造而成，所述木质材料与所述气凝胶的重量比范围在1：1以下，且所述防火材中所含之所述气凝胶之重量比含量为0.5wt%至10wt%，而所述木质材料与所述气凝胶的体积比范围则大于1：1以上。