CN108136611A - 经处理的多孔材料 - Google Patents

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Abstract

经处理的纤维素材料包含具有限定多个孔的多孔结构的纤维素材料,至少一部分孔含有包含聚合物的处理剂,所述聚合物包含磺基聚酯聚合物。本公开进一步描述用于制备经处理的纤维素材料的方法,包含(a)提供纤维素材料;和(b)第一处理方案,其包含用包含聚合物的水性分散液浸渍纤维素材料,所述聚合物包含磺基聚酯聚合物。

Description

经处理的多孔材料
背景技术
如纤维素材料等多孔材料需要加以保护以防止霉菌生长、昆虫攻击、腐烂以及浸水,从而有助于保持纤维素材料的物理特性。这类纤维素材料的一个实例是木材。已知各种处理剂和保存方法来保存纤维素材料。
现代保藏方法通常涉及用处理剂对纤维素材料进行压力处理。压力处理通常使得处理剂渗入纤维素材料的整个多孔结构中。处理剂通常是选择用于赋予纤维素材料的所需物理特性的化合物。举例来说,关注的是增加耐水性并且提高纤维素材料的尺寸稳定性的处理剂。木材能够吸收高达其重量的100%,导致木材膨胀,在通过蒸发损失水分后引起木材收缩。这种吸水/蒸发过程是不均匀的,并且在木材中产生内部应力,导致分裂、翘曲、弓起、弯曲、扭曲、火罐等。此外,水可以作为降解纤维素材料的生物体的途径,如昆虫或真菌。关注的是排斥昆虫,或使真菌/霉菌形成降到最低,或改善纤维素材料的整体耐久性的处理剂。此外,处理剂可以改良抗风性、抗紫外辐射性、在高温和低温下的稳定性、抗害虫性、抗霉菌性、防火性以及可能影响纤维素材料的物理特性的其它问题。
希望有一种改进的纤维素材料处理剂。
发明内容
本公开描述经处理的纤维素材料,其包含具有限定多个孔的多孔结构的纤维素材料,至少一部分孔含有包含磺基聚酯聚合物的聚合物的处理剂。
本公开进一步描述用于制备经处理的纤维素材料的方法,其包括(a)提供纤维素材料;和(b)第一处理方案,其包含用包含聚合物的水性分散液浸渍纤维素材料,所述聚合物包含磺基聚酯聚合物。
具体实施方式
如本文所使用,术语“多孔材料”是指可渗透的材料,使得流体可以通过孔或其它通道在其中移动。多孔材料的实例是纤维素材料。多孔材料的其它实例包括石头、混凝土、陶瓷以及其衍生物。如本文所用,术语“纤维素材料”是指包括纤维素作为结构组分的材料。纤维素材料的实例包括木材、纸、纺织品、绳索、颗粒板以及其它生物和合成材料。如本文所用,木材包括实木和所有木材复合材料(例如刨花板、工程木制品等)。纤维素材料通常具有限定多个孔的多孔结构。
“经处理的纤维素材料”是已经用处理剂处理以改变纤维素材料的特性的纤维素材料。由处理剂改性的特性包括但不限于疏水性提高、尺寸稳定性、抗真菌性、抗霉菌性、抗昆虫性、硬度、表面外观、UV稳定性、耐火性和可涂布性。通过降低水吸收和蒸发速率来提高纤维素材料的疏水性可以提供其它辅助益处,如尺寸稳定性,因此降低膨胀和收缩的内应力。
“处理剂”是当与纤维素材料组合时改变纤维素材料的特性的物质。在一种情况下,处理剂包含聚合物。处理剂通过使用压力处理的浸渍施加到纤维素材料上。在一种情况下,处理剂作为分散液的部分施加到纤维素材料上。在施加之后,处理剂将渗入纤维素材料的至少一部分孔中。
如本文所用,术语“聚合物”是指由一种或多种类型的单体形成的分子。所述聚合物可以是聚合物或共聚物。如本文所用,术语“共聚物”可以指已知的交替共聚物、周期性共聚物、统计共聚物、无规共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物或其它共聚物。如本文所用,共聚物是指通过将两种或更多种单体结合形成的聚合物。共聚物的实例包括二元共聚物、三元共聚物、四元共聚物和其它更高级的共聚物。在一种情况下,聚合物包含磺基聚酯聚合物。在一种情况下,磺基聚酯聚合物包含聚合形式的二羧酸、多羟基化合物和双官能磺基单体。磺基聚酯的双官能磺基单体组分优选包含具有至少一个磺酸基和选自羟基、羧基或氨基官能团的两个官能团的芳族核。氨基官能团可以是伯氨基或仲氨基。有利的双官能磺基单体组分是磺酸盐基团连接到芳族酸核如苯、萘、二苯基、氧二苯、磺酰基二苯基或亚甲基二苯基核上的那些。优选的结果通过使用磺基邻苯二甲酸、磺基对苯二甲酸、磺基间苯二甲酸、4-磺基萘-2,7-二羧酸及其酯来获得。在一种情况下,双官能磺基单体组分选自由以下组成的群组:5-(钠代磺基)间苯二甲酸、5-(1-硫代磺基)-间苯二甲酸及其甲基酯。在一种情况下,二羧酸包含一种或多种饱和脂族二羧酸或脂环族二羧酸。在一种情况下,多羟基化合物包含二醇、三醇、四醇或其组合。在一种情况下,按100摩尔%二羧酸和100摩尔%多羟基化合物计,双官能磺基单体以10至24摩尔%的量存在。
在一种情况下,聚合物是水性分散液(在本文中称为“水性分散液”或“分散液”)的组成部分。在一种情况下,分散液包括表面活性剂。制备水性分散液使得分散液中的悬浮粒径适于穿透纤维素材料的孔隙以通过纤维素材料分布,例如具有5-50,000nm,更优选5-500nm的粒径。在一种情况下,分散液还包含一种或多种添加剂。在一种情况下,水性分散液中所存在的任何固体都保持在稳定悬浮液中并且可以被分散液携带到纤维素材料的孔中。稳定分散液是在形成之后能抵抗其特性随时间推移发生变化,并且因此适于渗入纤维素材料的孔中的分散液。在一种情况下,分散液的固体含量是1到75重量%。
在一种情况下,水性分散液还包含溶剂。在一种情况下,溶剂是有机溶剂。在一种情况下,有机溶剂是氧化溶剂、烃溶剂、卤代溶剂或其组合。在一种情况下,选择能够减少纤维素材料表面处聚合物胶凝的表面活性剂。在一种情况下,选择提高聚合物遍布纤维素材料孔中的渗透的表面活性剂。举例来说,适合表面活性剂可以是非离子、阴离子或阳离子型。非离子表面活性剂的实例包括:烷氧基化醇、烷氧基化烷基酚、脂肪酸酯、胺和酰胺衍生物、烷基聚葡糖苷、环氧乙烷/环氧丙烷共聚物、多元醇和烷氧基化多元醇。举例来说,非离子表面活性剂是可以从陶氏化学公司(The Dow Chemical Company)商购的TERGITOLTM L-62。阴离子表面活性剂的实例包括:烷基硫酸盐、烷基醚硫酸盐、硫酸化烷醇酰胺、α-烯烃磺酸盐、木质素磺酸盐、磺基琥珀酸盐、脂肪酸盐和磷酸酯。举例来说,阴离子表面活性剂是DOWFAXTM C10L,可以从陶氏化学公司商购获得。阳离子表面活性剂的实例包括烷基三甲基铵盐。
处理剂与纤维素材料组合。在一种情况下,如本文所述,通过压力处理将处理剂引入到纤维素材料中。处理剂浸渍在纤维素材料的至少一部分孔中,并且由此增加纤维素材料的重量。经处理的纤维素材料具有15%至80%的重量增加(在60℃或更高干燥纤维素材料至少2小时后计算)。
在一种情况下,处理剂还包含一种或多种添加剂。已知向处理的纤维素材料添加特性的添加剂是适合的,例如阻燃剂、分散剂和/或染料。举例来说,添加剂可以是有机化合物、金属化合物或有机金属化合物。在一种情况下,添加剂是改良聚合物对木材的润湿或渗透的材料,例如在分散液中稳定的溶剂或表面活性剂(阴离子、阳离子或非离子)。添加剂的实例包括溶剂、填充剂、增稠剂、乳化剂、分散剂、缓冲剂、颜料、渗透剂、抗静电剂、气味物质、腐蚀抑制剂、防腐剂、渗硅剂、流变改性剂、抗沉降剂、抗氧化剂、其它交联剂(例如二元醇以及多元醇)、光学增亮剂、蜡、聚结剂、杀生物剂以及消泡剂。所述蜡可以包括石油蜡、石蜡、天然蜡或合成蜡(如聚乙烯蜡或氧化聚乙烯蜡)、蜂蜡或散蜡。此外,处理剂可以与木材防腐剂结合使用,所述木材防腐剂含有例如铜-氨、铜-胺、铜-氨-胺络合物、季铵化合物或其它系统。举例来说,处理剂可以与碱性铜-季铵(ACQ)防腐剂系统一起使用。处理剂也可以与使用锌盐或含硼化合物的木材防腐技术一起使用。任选地,可以向处理剂中添加其它添加剂,如杀昆虫剂、杀白蚁剂、杀真菌剂以及杀霉菌剂。在一种情况下,添加剂作为分散液的一部分包括在内,并且与其形成稳定的悬浮液。
在一种情况下,通过压力处理将纤维素材料制备成经处理的纤维素材料。用于压力处理纤维素材料的压力可以高于或低于大气压力。在一种情况下,压力低于环境压力,例如0.0001至0.09MPa(0.75至675mmHg)。在另一种情况下,压力大于环境压力,例如0.1至1.7MPa(750至12750mmHg)。据设想所属领域中已知的压力处理方法适于用处理剂浸渍纤维素材料。
在一种情况下,处理的纤维素材料根据处理方案来制备。在一种情况下,处理方案包含用环氧树脂浸渍纤维素材料。在一种情况下,制备处理的纤维素材料的方法包括以下步骤中的一个或多个:(a)在容器中沉积纤维素材料;(b)将容器保持于真空中5到60分钟;(c)将处理剂引入到容器;(d)将容器加压到1.03MPa维持5到60分钟;(e)排出过量处理剂;(f)任选地通过真空去除过量处理剂;以及(g)将纤维素材料在20到60℃下干燥24到48小时。在一种情况下,用于制备经处理的纤维素材料的方法包含:(a)提供纤维素材料;和(b)处理方案,其包含用包含聚合物的水性分散液浸渍纤维素材料,所述聚合物包含磺基聚酯聚合物。
干燥步骤可以在一定范围的温度下进行,由此干燥步骤的持续时间与温度成比例。适合干燥温度介于室温(约20℃)和180℃之间。干燥可以在空气、氮气或其它适合气氛中进行。
使用水浸测试,根据美国木材保护协会标准E4-11程序(《经压力处理的木材的拒水性标准测试方法(Standard Method of Testing Water Repellency of PressureTreated Wood)》)测定经处理的纤维素材料的拒水性。浸水测试首先涉及提供包含如本文所述制备的经处理的纤维素材料的经处理的晶片和包含未经处理的纤维素材料的对照晶片;其次,测量处理过的晶片和对照晶片的切向尺寸,以提供初始切向尺寸(T1)(其中切向尺寸垂直于纤维素材料颗粒的方向);第三,将处理过的晶片和对照晶片放置在维持于65±3%相对湿度和21±3℃的调节室中,直到达到恒重;第四,将处理过的晶片和对照晶片浸入24±3℃的蒸馏水中30分钟;以及第四,在从水中移出之后测量经处理的晶片和对照晶片两者的切向尺寸以提供切向后尺寸(T2)。
计算每个单独晶片(处理晶片和对照晶片)的膨胀百分比(S)为:
优选地,处理的纤维素材料的溶胀百分比小于2.5%,更优选小于2.0%。
使用拒水效率(WRE)来确定处理剂在处理的纤维素材料中添加斥水特性的有效性。WRE计算如下:
S1是指未处理的晶片的膨胀百分比;S2是指处理过的晶片的膨胀百分比。优选地,WRE是至少50%,更优选至少60%。对照未处理木材的WRE为0%。
以下实例说明了本公开的某些方面,但是本公开的范围不限于以下实例。
实例中的所有真空操作都在-0.00399MPa至-0.00267MPa的范围内。
实例1.提供玻璃化转变温度为38℃、固体浓度为30重量%、pH 6.0、粘度60cp并且粒径为27nm的聚合物分散液Eastek 1000聚合物分散液(从伊士曼化学公司(EastmanChemical Company)获得)。
实例2.使用玻璃化转变温度为55℃并且计算电荷密度为0.66meg/g、固体浓度为33重量%、pH值为6.2、粘度为89cp并且粒径为20nm的聚合物分散液Eastek 1100聚合物分散液(从伊士曼化学公司获得)。
实例3.如下使用Eastman AQ14000(从伊士曼化学公司获得)制备聚合物分散液。Helicone混合器初始设定为90℃,并且混合器的碗状物中装有210g AQ14000聚酯。这种材料是作为砖形物提供的,并且小块用锯子从砖形物上分离出来。将碗状物密封,用氮气加压至70psi,并且将加热器设定点升高至150℃。一旦测量到的温度达到125℃,那么以最大转速开启搅拌器,并且以10ml/min的速度向碗状物中添加水。总共添加810ml水以产生20%的目标固体百分比。一旦添加所有的水,那么停止混合,加热器设定点降回到90℃。当碗状物温度降至95℃以下时,转鼓上的压力被释放并且从碗状物中卸载。水分散液的固体浓度为20重量%,平均粒径为67nm。
实例4.如上文所述,将总共6重量%的DOWFAXTM C10L添加到Eastek1000聚合物分散液(从伊士曼化学公司获得)。
处理程序.实例1-4的分散液用于加压处理南方黄松木块(尺寸为4cm×2cm×0.5cm)。每个块在真空Parr反应器中用环压下半小时,随后吸入80ml相应实例的分散液。在氮气下将反应器加压至1.03MPa并且维持60分钟。然后将块放入烘箱中,在60℃下空气干燥48小时。对于实例4,一块用含有6重量%的DOWFAXTM C10L的Eastek 1000聚合物(实例4A)处理并且另一块用不含表面活性剂的Eastek 1000聚合物(实例4B)处理。观察到与不使用表面活性剂(如在实例4B中一样)相比,包含具有处理剂的表面活性剂(如在实例4A中一样)提供了改善的WRE和降低的重量增加。
比较例.将南方黄色松木块(尺寸为4cm×2cm×0.5cm)浸入实例1中所述的分散液中2分钟,以向块提供均匀的涂层,从而对其进行表面处理。所述块经空气干燥过夜。结果提供在表1中。
表1
处理 WRE 膨胀百分比(S) 重量增加
实例1 70% 1.3% 43.2%
实例2 81% 0.8% 36.7%
实例3 78% 1.0% 25.7%
实例4A 66% 1.5% 35.1%
实例4B 60% 1.8% 39.0%
比较例 17% 2.7% 14.8%

Claims (14)

1.一种经处理的纤维素材料,包含:
具有界定多个孔的多孔结构的纤维素材料,至少一部分所述孔含有包含聚合物的处理剂,所述处理剂包含磺基聚酯聚合物。
2.根据权利要求1所述的经处理的纤维素材料,其中所述磺基聚酯聚合物包含聚合形式的二羧酸、多羟基化合物和双官能磺基单体。
3.根据权利要求2所述的经处理的纤维素材料,其中所述双官能磺基单体包含至少一个连接到具有两个官能团的芳族核的磺酸基。
4.根据权利要求3所述的经处理的纤维素材料,其中两个官能团中的每一个选自由羟基、羧基或氨基官能团组成的清单。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的经处理的纤维素材料,其中所述双官能磺基单体选自由5-(钠代磺基)间苯二甲酸、5-(1-硫代磺基)-间苯二甲酸以及其甲基酯或其混合物组成的群组。
6.根据权利要求2所述的经处理的纤维素材料,其中所述二羧酸包含一种或多种芳族饱和脂族二羧酸或脂环族二羧酸。
7.根据权利要求2所述的经处理的纤维素材料,其中所述多羟基化合物包含二醇、三醇、四醇或其组合。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的经处理的纤维素材料,其中所述经处理的纤维素材料通过用包含所述处理剂的水性分散液浸渍所述纤维素材料来制备。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的经处理的纤维素材料,还包含一种或多种添加剂。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的经处理的纤维素材料,还包含表面活性剂。
11.一种用于制备经处理的纤维素材料的方法,包含:
(a)提供纤维素材料;和
(b)处理方案,包含用包含聚合物的水性分散液浸渍纤维素材料,所述聚合物包含磺基聚酯聚合物。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述处理方案在大于或低于环境的压力下进行。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法,其中所述聚合物包含聚合形式的二羧酸、多羟基化合物和双官能磺基单体。
14.根据权利要求13所述的方法,其中所述双官能磺基单体选自由5-(钠代磺基)间苯二甲酸、5-(1-硫代磺基)-间苯二甲酸及其甲基酯,或其混合物组成的群组。
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