CN109159226A - 一种无机胶凝材料强化人工林木材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无机胶凝材料强化人工林木材的方法，是一种利用小分子合成原料在人工林木材中原位聚合固化生成无机胶凝材料来强化人工林木材的方法，具体包括如下步骤：S1、人工林木材的预处理；S2、无机胶凝材料原位聚合反应液的配制；S3、将无机胶凝材料原位聚合反应液浸渍到人工林木材中；S4、无机胶凝材料原位聚合反应液的原位聚合固化反应，得到无机胶凝材料强化人工林木材。本发明的无机胶凝材料强化人工林木材的方法是一种反应效率高、浸渍均匀、绿色环保的人工林木材强化方法。利用本发明的无机胶凝材料强化人工林木材的方法制备所得的强化人工林木材具有良好的力学性能，并且具备阻燃抑烟特性。

Description

一种无机胶凝材料强化人工林木材的方法
技术领域
本发明涉及木材功能性改良和高值化利用技术领域，具体涉及一种无机胶凝材料强化人工林木材的方法。
背景技术
人工林木材是我国木材工业的主要原材料，人工林木材的高效高质利用对于解决我国木材资源短缺、进口依存度大的问题具有重要意义。然而，人工林木材存在材质疏松、尺寸稳定性差等种种缺陷，极大地限制了其应用范围。现有的采用原位聚合浸渍改性强化人工林木材的方法，是在真空浸渍罐中，将人工林木材浸泡在低分子量的酚醛树脂、脲醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯等树脂中，并通过真空加压使低分子量的树脂扩散进入木材细胞腔和细胞壁中，进而使木材增容，之后再经干燥除去水分，最后加热使树脂在木材细胞腔和细胞壁中原位聚合固化，得到浸渍改性木材，从而达到强化人工林木材的效果。现有方法需要额外提供压力，存在对设备要求高、能耗高等不足；又因树脂本身具有一定分子量，进而影响其在木材中的浸透度，导致浸渍效率低，均匀度差；再者，传统浸渍方法所采用的树脂多为有机树脂，存在释放危害人体健康的甲醛和苯酚等有机性挥发物（VOC）的缺陷，同时有机物质的浸入使人工林木材更易燃烧。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种反应效率高、浸渍均匀、绿色环保的无机胶凝材料强化人工林木材的方法。利用本发明的无机胶凝材料强化人工林木材的方法制备所得的强化人工林木材具有良好的力学性能，并且具备阻燃抑烟特性。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种无机胶凝材料强化人工林木材的方法，所述方法主要通过合成原料在人工林木材中进行原位聚合固化生成无机胶凝材料，实现人工林木材的强化，所述合成原料主要包括：硅酸钠、二氧化硅、分子量为1700～2500的聚乙烯醇以及水。
作为本发明的进一步改进，所述合成原料还包括：氧化镁、三氧化二铝、氧化锌和硅酸铝。
作为本发明的进一步改进，所述无机胶凝材料强化人工林木材的方法具体包括如下步骤：
S1、人工林木材的预处理：将人工林木材进行锯制和干燥，得到预处理的人工林木材；
S2、无机胶凝材料原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计，在95℃～100℃恒温水浴中将2.84份～14.21份聚乙烯醇溶于25.56份～1406.79份水中，配制成聚乙烯醇水溶液；将284.2份硅酸钠、3份～12.02份二氧化硅、0.4份～4.03份氧化镁、1.02份～10.2份三氧化二铝、0.81份～8.14份氧化锌、2.82份～14.11份硅酸铝添加至所述聚乙烯醇水溶液中，并搅拌至混合均匀，配制成所述无机胶凝材料原位聚合反应液；
S3、人工林木材的浸渍：将预处理的人工林木材与配制好的无机胶凝材料原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置，然后将水热反应釜的温度升高至60℃～80℃并保温，使无机胶凝材料原位聚合反应液浸渍到人工林木材中；
S4、原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温时间达到后，继续将水热反应釜的温度升高至100℃～120℃，使浸渍到人工林木材中的无机胶凝材料原位聚合反应液进行原位聚合固化反应，得到无机胶凝材料强化人工林木材。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，密封放置的时间为6h～48h，保温的时间为0.5h～3h。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中，原位聚合固化反应的时间为1h～5h。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中，人工林木材的锯制规格：长为10mm～40mm、宽为10mm～40mm、高为200mm～800mm，锯制后的人工林木材干燥至含水率为8%～12%。
作为本发明的进一步改进，所述人工林木材为杉木或杨木或松木。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明中用于强化人工林木材的无机胶凝材料是通过硅酸钠、二氧化硅、氧化镁及三氧化二铝等小分子无机原料聚合固化所得到，是一种绿色环保的材料，因而本发明的强化人工林木材的方法是一种绿色环保的方法。
（2）本发明是先将合成无机胶凝材料的小分子原料浸渍到人工林木材中，此时，小分子的反应原料极易且均匀地渗入到人工林木材中，再在木材中原位聚合固化形成无机胶凝剂，进而达到木材强化的目的。本发明可显著提高木材改性剂的浸渍效率和均匀度。
（3）本发明采用水热反应釜为反应容器，通过反应物在高温下形成蒸气而产生压力，不需要额外提供压力，对设备要求低。
（4）本发明所采用的无机胶凝材料原位聚合强化人工林木材的方法，在使强化人工林木材获得良好力学性能的基础上，还因无机材料具有难燃的特性，从而显著提高了强化人工林木材的阻燃特性。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
以下实施例中，木材的性能检测方法参照GB/T1936.1-2009和GB/T1941-2009。
实施例1：
一种本发明的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，是一种利用小分子合成原料在人工林木材中原位聚合固化生成无机胶凝剂来强化人工林木材的方法，具体包括如下步骤：
S1、杉木木材的预处理：将杉木木材锯制成长×宽×高为10mm×10mm×200mm的规格，然后按照木材干燥基准进行干燥，干燥至含水率为12%。
S2、无机胶凝材料原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计准确称量反应液的每个组分，在95℃恒温水浴中将2.84份聚乙烯醇溶于53.96份水中，配制成质量分数为5%的聚乙烯醇水溶液，将284.2份硅酸钠溶液、12.02份二氧化硅、0.4份氧化镁、10.2份三氧化二铝、0.81份氧化锌、14.11份硅酸铝添加至配制好的聚乙烯醇水溶液中，并搅拌至混合均匀，配制成无机胶凝材料原位聚合反应液。以上原料组分可以1g为1重量份，但不限于此，根据实际情况来定，其它实施例同此说明。
S3、杉木木材的浸渍：将预处理的杉木木材与配制好的无机胶凝材料原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置6 h，将水热反应釜温度升温至60℃并保温1h，使无机胶凝材料原位聚合反应液浸渍到杉木木材中。
S4、无机胶凝剂原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温浸渍时间达到后，继续升高水热反应釜的温度至120℃，使浸渍到杉木木材中的无机胶凝材料原位聚合反应液进行原位聚合固化反应，固化反应时间为2h，得到无机胶凝材料强化杉木木材。
实施例2：
一种本发明的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，是一种利用小分子合成原料在人工林木材中原位聚合固化生成无机胶凝剂来强化人工林木材的方法，具体包括如下步骤：
S1、杨木木材的预处理：将杨木木材锯制成长×宽×高为20mm×20mm×400mm的规格，然后按照木材干燥基准进行干燥，干燥至含水率为8%。
S2、无机胶凝材料原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计准确称量反应液的每个组分，在95℃恒温水浴中将8.53份聚乙烯醇溶于162.07份水中，配制成质量分数为5%的聚乙烯醇水溶液，将284.2份硅酸钠溶液、6份二氧化硅、2.02份氧化镁、5.1份三氧化二铝、4.07份氧化锌、8.47份硅酸铝添加至配制好的聚乙烯醇水溶液中，并搅拌至混合均匀，配制成无机胶凝材料原位聚合反应液。
S3、杨木木材的浸渍：将预处理的杨木木材与配制好的无机胶凝材料原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置24h；将水热反应釜温度升温至70℃并保温反应2h，使无机胶凝材料原位聚合反应液浸渍到杨木木材中。
S4、无机胶凝材料原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温浸渍时间达到后，继续升高水热反应釜的温度至110℃，使浸渍到杨木木材中的无机胶凝材料原位聚合反应液进行原位聚合固化反应，固化反应时间为4h，得到无机胶凝材料强化杨木木材。
实施例3：
一种本发明的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，是一种利用小分子合成原料在人工林木材中原位聚合固化生成无机胶凝剂来强化人工林木材的方法，具体包括如下步骤：
S1、杉木木材的预处理：将杉木木材锯制成长×宽×高为40mm×40mm×800mm的规格，然后按照木材干燥基准进行干燥，干燥至含水率为10%。
S2、无机胶凝材料原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计准确称量反应液的每个组分，在95℃恒温水浴中将14.21份聚乙烯醇溶于1406.79份水中，配制成质量分数为1%的聚乙烯醇水溶液，将284.2份硅酸钠溶液、3份二氧化硅、4.03份氧化镁、1.02份三氧化二铝、8.14份氧化锌、2.82份硅酸铝添加至配制好的聚乙烯醇水溶液中，并搅拌至混合均匀，配制成无机胶凝材料原位聚合反应液。
S3、杉木木材的浸渍：将预处理的杉木木材与配制好的无机胶凝材料原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置48h；将水热反应釜温度升温至80℃并保温3h，使无机胶凝材料原位聚合反应液浸渍到杉木木材中。
S4、无机胶凝材料原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温浸渍时间达到后，继续升高水热反应釜的温度至100℃，使浸渍到杉木木材中的无机胶凝材料原位聚合反应液进行原位聚合固化反应，固化反应时间为5h，得到无机胶凝材料强化杉木木材。
上述实施例1、实施例2、实施例3以及未经无机胶凝材料改性的杉木木材和杨木木材的各项性能检测结果如表1所示。从检测结果可看出，经无机胶凝材料改性后，木材重量和密度显著提高，由此表明无机胶凝材料原位聚合反应液已成功浸渍到木材内部。改性木材的力学强度也明显优于未经改性的木材，进一步表明了无机胶凝材料原位聚合反应液已成功浸渍到木材内部，并发生聚合固化反应，生成大分子的无机胶凝材料，进而填充木材空腔，增强木材的力学性能。从表1的检测结果中还可看出，经无机胶凝材料改性后的木材中加入了Mg2+、Al3+、Si4+等具有阻燃抑烟特性的物质，故改性木材的阻燃性能也得到了显著提升。
表1. 未改性的与改性强化的人工林木材性能检测结果对比表
本发明采用水溶性、毒性小、不易燃烧、不污染环境、耐温性、耐久性和耐辐射性能优异的无机胶凝材料对人工林木材进行原位强化，对于实现人工林木材高效、均匀强化改性，具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无机胶凝材料强化人工林木材的方法，其特征在于，所述方法主要通过合成原料在人工林木材中进行原位聚合固化生成无机胶凝材料，实现人工林木材的强化，所述合成原料主要包括：硅酸钠、二氧化硅、分子量为1700～2500的聚乙烯醇以及水。
2.根据权利要求1所述的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，其特征在于，所述合成原料还包括：氧化镁、三氧化二铝、氧化锌和硅酸铝。
3.根据权利要求2所述的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、人工林木材的预处理：将人工林木材进行锯制和干燥，得到预处理的人工林木材；
S2、无机胶凝材料原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计，在95℃～100℃恒温水浴中将2.84份～14.21份聚乙烯醇溶于25.56份～1406.79份水中，配制成聚乙烯醇水溶液；将284.2份硅酸钠、3份～12.02份二氧化硅、0.4份～4.03份氧化镁改性剂、1.02份～10.2份三氧化二铝、0.81份～8.14份氧化锌、2.82份～14.11份硅酸铝添加至所述聚乙烯醇水溶液中，并搅拌至混合均匀，配制成所述无机胶凝材料原位聚合反应液；
S3、人工林木材的浸渍：将预处理的人工林木材与配制好的无机胶凝材料原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置，然后将水热反应釜的温度升高至60℃～80℃并保温，使无机胶凝材料原位聚合反应液浸渍到人工林木材中；
S4、原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温时间达到后，继续将水热反应釜的温度升高至100℃～120℃，使浸渍到人工林木材中的无机胶凝材料原位聚合反应液进行原位聚合固化反应，得到无机胶凝材料强化人工林木材。
4.根据权利要求3所述的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，其特征在于，所述步骤S3中，密封放置的时间为6h～48h，保温的时间为0.5h～3h。
5.根据权利要求4所述的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，其特征在于，所述步骤S4中，原位聚合固化反应的时间为1h～5h。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，其特征在于，所述步骤S1中，人工林木材的锯制规格：长为10mm～40mm、宽为10mm～40mm、高为200mm～800mm，锯制后的人工林木材干燥至含水率为8%～12%。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的无机胶凝材料强化人工林木材的方法，其特征在于，所述人工林木材为杉木或杨木或松木。
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