CN110039627A - 一种植物油/蜡复合乳液木材防水剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所要解决的技术问题是开发一种由环氧植物油和蜡共同组成的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，利用环氧植物油在木材细胞壁表面形成完整的疏水层，并使用蜡在其表面进行修饰，构建双层疏水结构，从而显著提高木材的疏水性；同时，利用环氧植物油与木材上亲水基团羟基的反应性，从根本上降低木材的吸湿性，从而提高木材的尺寸稳定性和耐腐性。

Description

一种植物油/蜡复合乳液木材防水剂的制备方法
技术领域
本发明涉及的是木材防水剂领域，特别是涉及一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的制备方法。
背景技术
本发明涉及到一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的组合、制备及应用，本方法将植物油和熔融植物蜡混合，然后乳化制备成稳定、高效的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂。该防水剂可以显著提高木材的疏水性、尺寸稳定性和耐腐性能。
木材作为工业和生活用材，与国民经济建设和人类生活息息相关，并拥有诸多优良品质，如强重比大、加工能耗少、环境污染少、可回收利用以及良好的环境协调性等。但是，木材作为一种以纤维素、半纤维素和木质素这三种主要成分组成的多孔性天然生物材料，不可避免的由于其特殊的构造及其组分中含有大量亲水性的羟基而易吸水吸湿，从而存在尺寸稳定性差、易变形开裂等问题，并对木材力学性能、耐腐性等产生显著影响。水分是影响木材性能的最主要因素，控制木材的吸水吸湿性是木材保护与改性的核心问题。
使用防水剂对木材进行处理，可以有效的控制木材的吸水吸湿性，从而提高木材多方面性能，是一种常用的木材保护与改性手段。植物油类物质是一种常用木材防水，早在北宋时期，我国就有使用桐油对木材进行防水、防腐改性的记载。常用的植物油的主要包括亚麻油、桐油、豆油等，其主要组成成分为含有大量不饱和脂肪酸的甘油三脂肪酸酯。植物油常和蜡类物质复配制备成为木蜡油，用于木材的表面防水处理。CN 106497427B公开了一种木蜡油及其涂覆工艺，其中包含有蓖麻子蜡，花旗松蜡、月桂蜡、蓖麻油、花生油、精油等植物油、植物蜡类物质，可以增强木材表面硬度，防水去污。CN 105950009B公开了一种木蜡油及其制备方法，使用亚麻油、蓖麻油、花生油和小烛树蜡、巴西棕榈蜡、甘蔗蜡共同提高木材的耐老化性和耐水性。
但是木蜡油只能进行木材的表面涂饰处理，经过木蜡油表面涂饰的木材的可湿性和亲水性并没有本质改变，一旦具有疏水性的表面老化、脱落或因外力作用被破坏，处理材随即失去相应的疏水性和尺寸稳定性。而木蜡油本身粘度过高，无法以浸渍的方式整体处理木材。因此，如何通过乳液制备的方法获得粘度低且渗透性好的环氧植物油/蜡木材防水剂是本专利解决的问题之一。
此外，传统的木蜡油中使用的植物油为纯天然植物油，其中缺少可以和木材中亲水基团羟基发生反应的基团，因此只能以物理作用吸附在木材表面，无法和木材产生化学结合，也因此无法从根本上降低木材的吸湿性。而本专利中使用经过环氧化改性的植物油作为防水剂的主要组成部分之一，具有和木材上羟基发生化学反应的反应活性，可以从根本上降低木材的吸湿性，从而赋予木材更好的尺寸稳定特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是开发一种由环氧植物油和蜡共同组成的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，利用环氧植物油在木材细胞壁表面形成完整的疏水层，并使用蜡在其表面进行修饰，构建双层疏水结构，从而显著提高木材的疏水性；同时，利用环氧植物油与木材上亲水基团羟基的反应性，从根本上降低木材的吸湿性，从而提高木材的尺寸稳定性和耐腐性。
本发明所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，包括如下组分及配比原料制成的药剂：环氧植物油1-5000份，蜡1-5000份，表面活性剂A1-3000份，表面活性剂B1-500份，表面活性剂C1-200份，小分子醇1-1000份，水1-20000份，乙酸1-200份。
所述表面活性剂A选自如下物质中的一种或多种：脂肪醇聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、油醇聚氧乙烯醚、硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚；
表面活性剂B选自如下物质中的一种或多种：椰子油脂肪酰二乙醇胺、椰子油脂肪酰二乙醇胺磷酸酯、单月桂基磷酸酯、醇醚磷酸酯、椰油酸单乙醇酰胺、椰油酰胺丙基甜菜碱、月桂酰胺丙基甜菜碱；
表面活性剂C选自如下物质中的一种或多种：月桂基磺化琥珀酸单酯二钠、脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠、椰油酸单乙醇酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠。
本发明所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中环氧植物油选自如下物质中的一种或多种：环氧亚麻油、环氧花生油、环氧大豆油、环氧玉米油、环氧菜籽油、环氧棉籽油，优选为环氧亚麻油和环氧大豆油。
本发明所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中蜡选自如下物质中的一种或多种：液体石蜡、固体石蜡、微晶蜡、棕榈蜡、小烛蜡、虫白蜡、蜂蜡、褐煤蜡、聚乙烯蜡，其中优选固体石蜡、微晶蜡和棕榈蜡。
本发明所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中小分子醇选自如下物质中的一种或多种：乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇。
进一步，本发明所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，包括如下组分及配比原料制成的药剂：环氧植物油1000-4000份，蜡1000-4000份，表面活性剂A 500-2500份，表面活性剂B 100-400份，表面活性剂C50-150份，小分子醇200-800份，水4000-16000份，乙酸50-150份。
本发明所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，优选的为：环氧植物油2000-3000份，蜡2000-3000份，表面活性剂A 1000-2000份，表面活性剂B 200-300份，表面活性剂C 80-120份，小分子醇400-600份，水8000-12000份，乙酸80-120份。
本发明所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的制备方法：将表面活性剂A、表面活性剂C和蜡置于80℃-95℃的条件下，使用搅拌器在1000-2000rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将表面活性剂B、小分子醇和环氧植物油也置于80℃-95℃的条件下，使用搅拌器在1000-2000rpm的速度下搅拌10min备用。保持80℃-95℃的温度条件，向表面活性剂A、表面活性剂C和蜡的混合物中缓慢加入的环氧植物油、表面活性剂B和小分子醇的混合物，并以4000-6000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为80℃-95℃的水，并以7000rpm-10000rpm的速度搅拌10-20min，制备完成初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为40MPa-80MPa，均质1-2次。等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加乙酸，制得环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂。
实现本发明的关键技术手段在于：1、本发明中环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂中蜡和环氧植物油的种类；2、本发明中环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂中的乳化体系的组成配比；3、本发明中环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的制备方法。
本发明取得了如下的技术效果：本发明中选择了使用环氧植物油和蜡复合制备环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，得到粒径小(<250nm)且稳定的复合改性剂，该改性剂不含有害化学物质，安全环保。该防水剂可以进入木材内部，对木材细胞壁进行内涂饰；其中植物油和蜡可以共同在木材细胞壁表面形成双层疏水结构，显著提高木材的疏水性；环氧植物油还可以和木材细胞壁发生化学反应，从而显著降低木材的吸湿性，从根本上提高木材的尺寸稳定性，同时赋予木材更好的抗生物劣化性。
附图说明：
图1：实施例4环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂处理木材SEM图
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
将150g脂肪醇聚氧乙烯醚、10g月桂基磺化琥珀酸单酯二钠和250g蒙坦蜡置于80℃的条件下，使用搅拌器在1000rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将20g椰子油脂肪酰二乙醇胺、40g乙醇和250g环氧花生油也置于80℃的条件下，使用搅拌器在1000rpm的速度下搅拌10min备用。保持80℃的温度条件，向脂肪醇聚氧乙烯醚、月桂基磺化琥珀酸单酯二钠和蒙坦蜡的混合物中缓慢加入椰子油脂肪酰二乙醇胺、乙醇和环氧花生油的混合物，并以4000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为80℃的1000g的水，并以7000rpm的速度搅拌10min，制备完成初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为40MPa，均质2次。等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加10g乙酸，制得环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂。
实施例2
将125g蓖麻油聚氧乙烯醚、12.5g脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠和250g蜂蜡置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将25g椰子油脂肪酰二乙醇胺磷酸酯、50g正丙醇和250g环氧菜籽油也置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用。保持85℃的温度条件，向蓖麻油聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠和蜂蜡的混合物中缓慢加入椰子油脂肪酰二乙醇胺磷酸酯、正丙醇和环氧菜籽油的混合物，并以5000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为85℃的1000g的水，并以8000rpm的速度搅拌15min，制备完成初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为50MPa，均质1次。等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加12.5g乙酸，制得环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂。
实施例3
将155g烷基酚聚氧乙烯醚、9g椰油酸单乙醇酰胺磺基琥珀酸单酯二钠和250g固体石蜡置于90℃的条件下，使用搅拌器在2000rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将25g单月桂基磷酸酯、50g异丙醇和250g环氧大豆油也置于90℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用。保持90℃的温度条件，向烷基酚聚氧乙烯醚、椰油酸单乙醇酰胺磺基琥珀酸单酯二钠和固体石蜡的混合物中缓慢加入单月桂基磷酸酯、异丙醇和环氧大豆油的混合物，并以6000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为90℃的1000g的水，并以9000rpm的速度搅拌220min，制备完成初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为60MPa，均质1次。等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加9g乙酸，制得环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂。
实施例4
将150g油醇聚氧乙烯醚、10g硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠和250g棕榈蜡置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将25g醇醚磷酸酯、50g正丁醇和250g环氧亚麻油也置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用。保持85℃的温度条件，向油醇聚氧乙烯醚、硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠和棕榈蜡的混合物中缓慢加入醇醚磷酸酯、正丁醇和环氧亚麻油的混合物，并以5000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为85℃的1000g的水，并以10000rpm的速度搅拌15min，制备完成初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为80MPa，均质1次。等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加10g乙酸，制得环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂。
对照例1
将150g油醇聚氧乙烯醚、10g硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠和500g棕榈蜡置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将25g醇醚磷酸酯和50g正丁醇也置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用。保持85℃的温度条件，向油醇聚氧乙烯醚、硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠和棕榈蜡的混合物中缓慢加入醇醚磷酸酯和正丁醇的混合物，并以5000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为85℃的1000g的水，并以10000rpm的速度搅拌15min，制备完成初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为80MPa，均质1次。等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加10g乙酸，制得棕榈蜡乳液木材防水剂。
对照例2
将150g油醇聚氧乙烯醚和10g硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将25g醇醚磷酸酯、50g正丁醇和500g环氧亚麻油也置于85℃的条件下，使用搅拌器在1500rpm的速度下搅拌10min备用。保持85℃的温度条件，向油醇聚氧乙烯醚和硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠的混合物中缓慢加入醇醚磷酸酯、正丁醇和环氧亚麻油的混合物，并以5000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为85℃的1000g的水，并以10000rpm的速度搅拌15min，制备完成初乳液。将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为80MPa，均质1次。等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加10g乙酸，制得环氧亚麻油乳液木材防水剂。
试验例1环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的粒径和稳定性从外观、固含量、平均粒径、离心稳定性、贮存稳定性、水稀释性6各方面检测制备好的实施例环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的性能。其中固含量的测定方法为：分别取实施例1-4所使用的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂与对照例1、2中的乳液各20g，放入103℃烘箱烘至恒重，计算固含量。平均粒径使用Delsa Nano C型激光粒度仪进行测量。离心稳定性的测量方法为：分别取实施例1-4所使用的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂与对照例1、2中的乳液各10g，放入离心机中以3000r/min的转速离心30min，观察乳液的稳定性。各项结果如表1所示：
表1 环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂性能测量结果
结果表明，所有实施例的粒径均在200nm-250nm之间，且离心稳定性、贮存稳定性、水稀释性仍保持良好。
实验例2环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂处理木材性能测试
将实施例1-4所使用的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂与对照例1、2中的乳液分别稀释到固含量为2％，随后浸渍处理青杨，青杨尺寸为20mm×20mm×20mm。处理方法为：将木材置于浸注罐内先进行真空处理，真空度为-0.9MPa，真空30min，随后停止真空并向浸渍罐内加入稀释好的乳液，并在2MPa的条件下加压60min。真空加压浸渍完成后，将木材从浸渍罐中取出，进行气干。此外，取未处理青杨作为空白组。
随后，参照GB 1931-91《木材含水率测定方法》，测定处理材和空白组在20℃，65％RH条件下的平衡含水率；参考GB/T 1934.1-2009《木材吸水性测定方法》，测量处理材和空白组经过24h泡水的吸水性；参考GB/T 1934.2-2009《木材湿胀性测定方法》，测量处理材和空白组经过24h泡水的体积膨胀率；参考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》，测量处理材和空白组经过三个月腐朽后的失重率(测试菌种为彩绒革盖菌)。此外，测试处理材和空白组的弦切面早材接触角，使用的接触角测定仪为Dataphysics OCA20(DataPhysics Instruments GmbH，德国)，测试液体为去离子水，液滴大小为2μL，测试时间为3s，每组五个重复。结果如表2所示。
表2 环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂处理木材性能
结果表明，采用本发明制备的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂处理木材，可以显著降低木材的吸水性和体积膨胀率，并提高表面接触角，展现出良好的疏水性和尺寸稳定性，其效果优于单独的环氧植物油乳液(对照例2)或单独的蜡乳液(对照例1)。同时，单独的蜡乳液(对照例1)无法有效的降低木材的平衡含水率，即无法从根本上降低木材的吸湿性，而实施例1-4均可有效的降低木材的平衡含水率，表面配方中的有效成分和木材中的亲水基团发生了化学结合。此外，本发明制备的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂显著的降低了经过腐朽后木材的失重率，表明此防水剂还具有良好的耐腐效果。
实验例3细胞腔表面结构
采用日本Hitachi公司的S-3400扫描电子显微镜对处理材的结构变化进行观察。首先将利用实施例4中环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂进行浸渍处理的处理材从中间切开，沿着弦向方向从试件中心处切出5(L)×5(T)×3(R)mm3大小的光滑薄片。将薄片使用双面碳胶固定在样品台上，进行离子溅射喷金处理，随后进行观察。结果见附图1。
结果表明，在试件中心部位也有防水剂的有效成分沉积，证实了环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂可以有效的渗透进入木材内部，实现对木材细胞壁的内部修饰，从整体上提高木材的防水性。此外，从SEM结果中还可发现，环氧植物油已在细胞壁表面形成完整覆盖层，而蜡在环氧植物油表面进一步形成凸起结构，这样的双层结构有效的提高了木材的疏水性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其特征在于：包括如下组分及配比原料制备而成：环氧植物油1-5000份，蜡1-5000份，表面活性剂A 1-3000份，表面活性剂B 1-500份，表面活性剂C 1-200份，小分子醇1-1000份，水1-20000份，乙酸1-200份；
所述表面活性剂A选自如下物质中的一种或多种：脂肪醇聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、油醇聚氧乙烯醚、硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚；
表面活性剂B选自如下物质中的一种或多种：椰子油脂肪酰二乙醇胺、椰子油脂肪酰二乙醇胺磷酸酯、单月桂基磷酸酯、醇醚磷酸酯、椰油酸单乙醇酰胺、椰油酰胺丙基甜菜碱、月桂酰胺丙基甜菜碱；
表面活性剂C选自如下物质中的一种或多种：月桂基磺化琥珀酸单酯二钠、脂肪醇聚氧乙烯醚磺基琥珀酸单酯二钠、椰油酸单乙醇酰胺磺基琥珀酸单酯二钠、硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠。
2.根据权利要求1所述的一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中环氧植物油选自如下物质中的一种或多种：环氧亚麻油、环氧花生油、环氧大豆油、环氧玉米油、环氧菜籽油、环氧棉籽油，优选为环氧亚麻油和环氧大豆油。
3.根据权利要求1所述的一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中蜡选自如下物质中的一种或多种：液体石蜡、固体石蜡、微晶蜡、棕榈蜡、小烛蜡、虫白蜡、蜂蜡、褐煤蜡、聚乙烯蜡，其中优选固体石蜡、微晶蜡和棕榈蜡。
4.根据权利要求1所述的一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中小分子醇选自如下物质中的一种或多种：乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中各组分原料配比为：环氧植物油1000-4000份，蜡1000-4000份，表面活性剂A 500-2500份，表面活性剂B 100-400份，表面活性剂C50-150份，小分子醇200-800份，水4000-16000份，乙酸50-150份。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂，其中各组分原料配比为：环氧植物油2000-3000份，蜡2000-3000份，表面活性剂A 1000-2000份，表面活性剂B 200-300份，表面活性剂C 80-120份，小分子醇400-600份，水8000-12000份，乙酸80-120份。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的制备方法，其特征在于：将表面活性剂A、表面活性剂C和蜡置于80℃-95℃的条件下，使用搅拌器在1000-2000rpm的速度下搅拌10min备用；同时，将表面活性剂B、小分子醇和环氧植物油也置于80℃-95℃的条件下，使用搅拌器在1000-2000rpm的速度下搅拌10min备用；保持80℃-95℃的温度条件，向表面活性剂A、表面活性剂C和蜡的混合物中缓慢加入的环氧植物油、表面活性剂B和小分子醇的混合物，并以4000-6000rpm的速度进行搅拌，随后缓慢加入温度为80℃-95℃的水，并以7000rpm-10000rpm的速度搅拌10-20min，制备完成初乳液；将初乳液经过高压均质机进行高压均质，均质压力为40MPa-80MPa，均质1-2次，等待制得的乳液温度降至室温，向体系中添加乙酸，制得环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂。
8.一种如权利要求1-6任意一项所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂的用途，其特征在于将权利要求1-6任意一项所述的环氧植物油/蜡复合乳液木材防水剂应用于木材的防水处理。
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