CN110978181A - 一种生物基刚性单体改善速生木材性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物基刚性单体改善速生木材性能的方法，包括如下步骤：将甲基丙烯酸异冰片酯溶解在无水乙醇中，并加入引发剂制备得到浸渍液；将速生木材放入到浸渍液中，依次经过真空浸渍、室温常压浸渍后取出；将取出的速生木材放入烘箱中，首先进行干燥处理，干燥完成后，进行固化处理得到甲基丙烯酸异冰片酯改性材。本发明中甲基丙烯酸异冰片酯的制备原料莰烯来源于松节油，为松节油的高值化利用探索了新的途径，提高其附加值；经过本发明的改性方法，速生木材的密度增加20～110％，WPG为15～110％，吸水率降低30～80％，接触角增加48.01°～85.94°，显著改善了速生木材的性能，扩大其应用范围。

Description

一种生物基刚性单体改善速生木材性能的方法
技术领域
本发明属于木材改性领域，具体涉及一种生物基刚性单体改善速生木材性能的方法。
背景技术
木材作为天然的生物质材料，因木材具有可再生性和环境友好属性而被广泛应用于家具、建筑和装饰领域，是我国国民经济建设中的重要原材料。随着人们生活品质的不断提高，对木材及其制品的需求大大增加，使得木材的消耗量巨大。人工速生林具有资源丰富的优势，它将成为今后缓解国内外市场供需矛盾的主要材种。因为木材与水相互作用、尺寸不稳定性和对生物降解的低耐久性，使得木材在应用中受到限制，速生的木材这一现象尤为明显。其中速生杨木生长周期短、适应性强，在纸浆、造纸和单板工业中很受欢迎，是我国重要的速生丰产首选树种，但是速生杨木物理力学性能差、尺寸稳定性差、耐腐性能低，所以急需改善其性能。目前对速生杨木改性主要是采取浸渍处理和非浸渍处理两大方式。常用脲醛树脂，丙烯酸酯乳液，硅溶胶浸渍改性杨木，增强了木材的热稳定性与力学性能，在我国的研究较早，但是存在诸如甲醛释放污染环境问题。压密处理和高温热处理等，存在木材结构破坏和纤维素、半纤维素、木质素的热降解反应会造成木材力学强度降低。因此提供一种环保且在中低温范围内的改性方法具有极大的现实意义。
莰烯，是一种双环单萜烯类化合物,含有1个五元刚性环和1个六元刚性环,这赋予其较好的耐热性、耐水性等性能。莰烯存在于松节油中，而松节油是松针科树类的含油树脂，是可再生的绿色环保型材料。甲基丙烯酸异冰片酯(IBOMA)是以莰烯和甲基丙烯酸为原料经异构加成酯化反应制备的产品，其结构中具有莰烯的刚性环结构。随着环保意识的不断增强，开发莰烯、松节油类产品替代传统的脲醛树脂用于改善木材的性能具有重要意义。
发明内容
为解决背景技术中提出的问题，本发明的目的是提供一种生物基刚性单体改善速生木材性能的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种生物基刚性单体改善速生木材性能的方法，包括如下步骤：
(1)将甲基丙烯酸异冰片酯(IBOMA)溶解在无水乙醇中，并加入引发剂AIBN制备得到浸渍液；浸渍液中IBOMA的质量浓度为1～100％；AIBN的质量为IBOMA的1％～5％，具体可选择1％，1.5％，2％，2.5％，3％，3.5％，4％,4.5％，5％。甲基丙烯酸异冰片酯的分子结构式如下式(1)所示；
Figure BDA0002241260960000021
(2)随机选取没有破损的20×20×20mm3的杨树木块，在105℃下烘至恒重，测量木块重量和尺寸，将其放入到浸渍液中；首先在真空度为0.08～0.1MPa下真空浸渍20～60min；然后在室温(20～27℃)常压下浸渍20～28h后，滤出。进一步优选的，真空浸渍的真空度可为0.08MPa，0.09MPa或0.1MPa，浸渍时间可以为20min,30min，40min，50min或60min；室温常压下浸渍时间可以为20h,21h,22h,23h,24h,25h,26h,27h或28h。
(3)将步骤(2)滤出的杨树木块放入烘箱中，在20～40℃下干燥处理1～4h；干燥完成后，将烘箱温度升温至50～90℃，对杨树木块进行固化处理，时间为20～28h。即得甲基丙烯酸异冰片酯改性材。进一步优选的，干燥处理的温度可以为20℃，25℃，30℃，35℃或40℃，时间可以为1h，1.5h，2h，2.5h,3h，3.5h或4h；固化处理的温度可以为50℃，55℃，60℃，65℃，70℃，75℃，80℃，85℃或90℃，时间可以为20h，21h，22h，23h，24h，25h，26h，27h或28h。
本发明的另一个目的是提供通过上述所述的方法制备得到的甲基丙烯酸异冰片酯改性材。
本发明获得如下技术效果：
(1)本发明通过真空浸渍和室温常压浸渍两步浸渍，再经过固化处理即得甲基丙烯酸异冰片酯改性材；其中，真空浸渍可以使得浸渍液中甲基丙烯酸异冰片酯能够更充分的渗透到木材内部；固化过程中，甲基丙烯酸异冰片酯发生了聚合，在木材内部形成不溶性聚合物，填充了木材孔隙，从而降低了木材亲水性；并且有部分IBOMA渗透到了木材细胞壁，使得木材细胞壁充胀增容，从而提高木材的尺寸稳定性。
(2)由于IBOMA的分子结构较小，较易浸入木材细胞内，又因IBOMA能够在中低温下发生聚合，从而使本方法可以在中低温环境下完成。中低温下聚合后使得改性材在机械性能不受影响的情况下具有更高的耐水性；本方法能耗低且操作简单，具有工业化应用前景。
(3)本发明用以制备甲基丙烯酸异冰片酯的原料莰烯来源于松节油，为松节油的高值化利用探索了新的途径，大大提高其附加值；且属于绿色可再生资源，具有环境友好性。
(4)本发明制备得到的速生木材的密度增加20～110％，重量百分比增量(WPG)为15～110％，表明IBOMA成功沉积在木材中；IBOMA中含有莰烯的刚性结构使得改性材具有更好的疏水性，从而提高了木材的耐水性，使得木材在户外建筑等方面的应用受限减弱。
附图说明
图1为未改性杨树木块和改性后杨树木块的接触角随时间的变化图；
图2为改性后杨树木块的动态润湿性图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
随机选取没有破损的尺寸为20×20×20mm3的杨树木块，在105℃下烘至恒重，测量木块重量和尺寸。称量甲基丙烯酸异冰片酯(IBOMA)溶于无水乙醇中，配制质量浓度分别为30％、50％、70％和90％的甲基丙烯酸异冰片酯乙醇溶液，并加入IBOMA质量的2％的引发剂，制得浸渍液；并以等量的无水乙醇溶液作为对照组。将速生木材在真空度为0.095MPa下浸渍30min，室温(25℃)常压下浸渍24h，滤出，在烘箱中40℃下干燥4h，然后升高温度至60℃下固化24h，即得固化改性速生木材。测量木材样品重量及尺寸，计算浸渍前后密度，计算出重量百分比增量。
经固化后速生木材的密度增加22.68～100.23％，重量百分比增量(WPG)为25.31～103.16％，吸水率降低30～80％。表明IBOMA成功沉积在木材中，IBOMA中含有莰烯的刚性结构使得改性材具有更好的疏水性，从而提高了木材的耐水性。
通过测试180s内接触角的变化情况来评估改性木材的动态润湿性。使用光学接触角测量仪测量甲基丙烯酸异冰片酯改性材样品的接触角(附图1)；经甲基丙烯酸异冰片酯改性后木材的接触角增加48.01°～85.94°；180s后，对照组木材接触角由68.36°降至27.82°，而90％IBOMA改性材的接触角从113.76°降至111.06°，仅下降了2.37％。这意味着丙烯酸松香的浸入明显的降低了木材的润湿性，提高了木材的耐水性。同时评估其动态润湿性能，以0.1s的时间间隔收集左右两侧的下降角，每个样品测量180s，计算出平均角度，以评估动态润湿性(附图2)。每组测试四个样品，每个样品捕获3滴，测得12次接触角。从图中可知，浸渍液中随着IBOMA含量的提高，所得改性后杨树木块的疏水性越好。

Claims (6)

1.一种生物基刚性单体改善速生木材性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将甲基丙烯酸异冰片酯溶解在无水乙醇中，加入引发剂制备得到浸渍液；
(2)将速生木材放入到浸渍液中，依次经过真空浸渍、室温常压浸渍后取出；
(3)将步骤(2)取出的速生木材放入烘箱中，首先进行干燥处理，干燥完成后，进行固化处理得到甲基丙烯酸异冰片酯改性材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述浸渍液中甲基丙烯酸异冰片酯的质量浓度为1～100％；所述引发剂为AIBN，AIBN的质量为甲基丙烯酸异冰片酯质量的1％～5％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述真空浸渍的真空度为0.08～0.1Mpa，时间为20～60min；所述室温常压浸渍的时间为20～28h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述速生木材为杨树。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述干燥处理的温度为20～40℃，时间为1～4h；所述固化处理的温度为50～90℃，时间为20～28h。
6.如权利要求1-5任一所述的方法制备得到的甲基丙烯酸异冰片酯改性材。
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