CN112157765B

CN112157765B - 一种阻燃强化木材及其制备方法

Info

Publication number: CN112157765B
Application number: CN202011100093.7A
Authority: CN
Inventors: 熊胜
Original assignee: Taojiang Xinlong Sunshine Wood Industry Plywood Factory General Partnership
Current assignee: Taojiang Hongsheng Wood Industry Co ltd
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN112157765A

Abstract

本发明公开一种阻燃强化木材及其制备方法，涉及木材化学改性技术领域。本发明公开的阻燃强化木材，它是通过将木材浸泡在木材改性剂中，在真空加压的条件下进行真空浸渍处理，控制真空度为‑0.3～0.8MPa，压力为0.5～1.5MPa，真空浸渍时间为1.5～3h，获得真空浸渍木材，然后对真空浸渍木材进行干燥处理制得的，所述木材改性剂的原料组成为：三唑类化合物、甲基丙烯酸羟乙酯、催化剂正丁基锂、磷酸二氢铵、非离子表面活性剂、二氧化硅粉末、硅烷偶联剂、阻燃剂、聚乙二醇和水。本发明提供的阻燃强化木材具有优异的硬度、抗弯强度、冲击韧性、尺寸稳定性和阻燃性，同时具有防水性和抗流失性，延长了改性木材的使用寿命。

Description

一种阻燃强化木材及其制备方法

技术领域

本发明属于木材化学改性技术领域，尤其涉及一种阻燃强化木材及其制备方法。

背景技术

随着工业快速发展，污染越发严重，各国相继出台了限制森林砍伐的政策，以至于木材进口所需要的代价越来越大，为此我国开始大量种植杨树、杉树、橡胶树等人工速生林。人工速生林虽然生长年限较短，但和天然林相比，速生林木的密度、物理力学强度和尺寸稳定性都相对较差，限制了其在高附加值木材加工领域的应用。如何扩大人工速生林木的应用范围，采用物理或化学手段增加它们的硬度和强度，就成了木材改性领域的一个主要的研究内容。

增强速生林木的处理根据化学反应可分为三种：第一种是改性剂填充细胞腔，有机树脂作为改性剂，这种处理能够提高木材的强度降低木材的吸水性，但是不能长时间内具有疏水性，热稳定性差；第二种是在细胞壁和细胞腔内填充树脂类物质充胀，减少木材的干缩性和湿胀性，此种方法可以长时间保持木材的疏水性；第三种是最有效的方式是木材细胞壁组成成分(包括木素、纤维素和半纤维素)与阻燃强化木材中的某些基团发生化学反应，形成新的化学键，改性木材的尺寸稳定性、强度、耐久性等可以得到长时间的改善。然而，木材作为一种天然高分子材料，除了物理力学性能和尺寸稳定性较差外，还具有易燃性、易发生霉变等缺陷，限制了其应用发展。

中国发明专利CN104044193B公开了一种树脂型硅酸盐木材改性及其制备方法，是以三聚氰胺、甲醛、尿素和可溶性硅酸钠为主要原料，以聚乙烯醇和二甘醇分别为增韧剂和稳定剂而制得的，经该改性剂处理的木材的尺寸稳定性、密度、表面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和耐磨性得到大幅提高，同时赋予木材良好的阻燃功能，但该改性剂中可能残留有毒的三聚氰胺和甲醛，对人体和环境有害，且当使用该改性剂的木材在高温、光照或燃烧的情况下，易释放出有毒气体，不符合现在环保木材的理念。现有技术中，还有利用纳米颗粒(SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、ZnO等)直接或表面改性后，直接喷涂于木材表面或与聚合物改性制备成涂料，再经表面涂饰或浸注于木材中，赋予木材超疏水自清洁特性，但纳米颗粒在聚合物中分散不均匀，致使赋予木材的超疏水效果欠佳，且无杀菌防霉和耐候特性。利用含氟聚合物或含氟硅氧烷表面改性可以有效解决上述尚存在的耐候和超疏水自清洁问题，但涂层所需溶剂为油溶性化学物质，具有VOC释放大、污染环境的问题。

现有技术中阻燃强化木材或是毒性高、有特殊异味、抗流失能力差、VOC释放大污染环境、操作过程复杂、成本高，或是纳米颗粒的原位分散性差致使超疏水效果欠佳，或是能改善木材的防水单一性能，而多种试剂复合时又往往影响彼此间的相互效力，且增加木材处理的步骤和成本等，因此，开发一种操作简单、环境友好、成本低廉、多功能(高强度、防水、阻燃等)复合的木材改性试剂成为必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阻燃强化木材，经过木材改性剂处理的木材具有优异的硬度、抗弯强度、冲击韧性、尺寸稳定性和阻燃性，同时具有防水性和抗流失性，延长了改性木材的使用寿命。本改性剂的原料无毒、环保，对人体和环境无公害，改善了改性木材的应用范围。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种阻燃强化木材，是通过将木材浸泡在木材改性剂中，在真空加压的条件下进行真空浸渍处理，控制真空度为-0.3～0.8MPa，压力为0.5～1.5MPa，真空浸渍时间为1.5～3h，获得真空浸渍木材；对真空浸渍木材进行干燥处理，制得所述阻燃强化木材；

所述木材改性剂是由以下重量份数的原料组成：三唑类化合物5-10份、甲基丙烯酸羟乙酯10-20份、催化剂正丁基锂0.5-0.8份、磷酸二氢铵10-20份、非离子表面活性剂20-40份、二氧化硅粉末3-5份、硅烷偶联剂3-5份、阻燃剂2-6份、聚乙二醇45-90份和水400-900份。

进一步的，所述三唑类化合物为3,5-二氨基-1,2,4-三唑、5-甲基-3-辛基-1,2,4-三唑、3-丁基-1,2,4-三唑、3-乙基-1,2,4-三唑或3,5-二异丙基-1,2,4-三唑中的一种或两种。

进一步的，所述非离子表面活性剂为蔗糖酯或失水山梨醇酯。

进一步的，所述硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷中的一种。

进一步的，所述聚乙二醇为PEG-200、PEG-400或PEG-600中一种或两种。

进一步的，所述阻燃剂由碳酸钾和氢氧化镁组成，所述氢氧化镁与碳酸钾的质量比为(2～5)：4。

进一步的，所述木材改性剂的制备方法包括以下具体步骤：

(1)将聚乙二醇分成三等份，分两次加入；

(2)将三唑类化合物、甲基丙烯酸羟乙酯和第一份聚乙二醇加入到反应釜中，搅拌均匀后，加入催化剂，室温下搅拌反应0.5-1h，再加入磷酸二氢铵，搅拌反应2-3h；

(3)往反应釜中加入氢氧化钠溶液，调节PH值为7-8，然后加入二氧化硅、硅烷偶联剂和非离子表面活性剂，搅拌1-2h；

(4)往反应釜中加入聚乙二醇，搅拌均匀；

(5)往反应釜中加入阻燃剂和水，搅拌均匀，制得所述木材改性剂。

进一步的，所述步骤(2)中，加入磷酸二氢铵后的搅拌过程中加热的温度为50℃，搅拌速率为200-320r/min。

进一步的，所述步骤(3)中搅拌温度为60-80℃，搅拌速率为300-480r/min。

本发明取得了以下有益效果：

1、本发明以三唑类化合物和甲基丙烯酸羟乙酯作为基料，在聚乙二醇和催化剂的作用下，发生聚合反应，生成三唑聚合物，然后与磷酸二氢铵交联反应，使生成的三唑共混物中引入了磷酸基和极性羟基，因三唑类化合物具有生物活性，使本改性剂具有抗菌性能，并且因三唑共混物中磷酸基和极性羟基的存在，可与木材细胞壁上的羟基形成氢键，使形成的聚合物与木材基质间形成较强的界面相互作用力，以减少微生物和水分入侵木材细胞壁的通道，从而赋予木材更高的力学性能，良好的耐久性和尺寸稳定性。

2、本发明的三唑共混物为氮磷聚合物，具有优良的阻燃性能，因此其填充入木材细胞壁的通道后，并木材基质间形成较强的界面相互作用力，使改性后的木材也具有优良的阻燃性能。三唑共混物能协同阻燃剂，增强本发明的阻燃性能。

3、本发明的木材改性剂中加入二氧化硅粉末，增强了改性木材的强度；将二氧化硅粉末经非离子表面活性剂和硅烷偶联剂改性，增加了与木材基质间的结合力，增加了与木材改性剂其它组分间的相容性，从而增强了本发明的韧性和抗流失性；硅烷偶联剂的加入也提高了本发明的阻燃性。

4、本发明的聚乙二醇能与改性剂中其它组分产生协同作用，增加改性剂与木材细胞壁界面结合力，充实木材细胞壁的通道，从而增加木材的耐冲击韧性和强度；并且聚乙二醇能够与改性剂中的各组分相容，从而提高了改性剂的抗流失性。

5、本发明用聚乙二醇和水作为溶剂，在处理木材干燥过程中不存在有机溶剂挥发产生的环境问题。

6、本发明的改性剂中的各组分均与木材细胞壁具有优良的界面结合力，不易产生流失，因此，本发明具有优良的抗流失性能。使用本改性剂处理的木材在水中浸泡一月的改性剂流失率低于10％。

7、本发明的改性剂是由有机物组成，具有优异的疏水性，其填充在木材细胞壁的通道中，能降低木材的吸水率，其具有优异的防水性能。

8、本发明使用的三唑类化合物、磷酸二氢铵、非离子表面活性剂等原料，无毒、环保，在木材处理过程中以及改性木材使用过程中均不会挥发，也不会产生诸如甲醛、苯酚等有害物质的挥发释放问题，对环境无污染，使一种绿色环保阻燃强化木材。

9、本发明的制备方法简单，成本较低，具有优异的硬度、抗弯强度、尺寸稳定性、冲击韧性、抗流失性、防水性和阻燃性，延长了改性木材的使用寿命。本发明可广泛用于地板、门窗、家具、户外平台甲板等产品的加工，大幅提高了人工林木材的应用价值，对实现以人工林代替天然林资源，缓解我国木材供需矛盾，实现森林资源可持续发展利用具有重要意义。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合具体实施例对本发明的阻燃强化木材及其制备方法予以说明。

实施例1

一种阻燃强化木材，是通过将木材浸泡在木材改性剂中，在真空加压的条件下进行真空浸渍处理，控制真空度为-0.3～0.8MPa，压力为0.5～1.5MPa，真空浸渍时间为1.5～3h，获得真空浸渍木材；对真空浸渍木材进行干燥处理，制得阻燃强化木材。

上述木材改性剂是由以下重量份数的原料组成：三唑类化合物5份、甲基丙烯酸羟乙酯20份、催化剂正丁基锂0.8份、磷酸二氢铵20份、非离子表面活性剂20份、二氧化硅粉末3份、硅烷偶联剂3份、阻燃剂6份、聚乙二醇90份和水900份，其制备方法包括以下具体步骤：

(1)将聚乙二醇分成三等份，分两次加入；

(2)将三唑类化合物、甲基丙烯酸羟乙酯和第一份聚乙二醇加入到反应釜中，搅拌均匀后，加入催化剂，室温下搅拌反应0.5-1h，再加入磷酸二氢铵，升温至50℃，在此温度下以200-320r/min的速率搅拌2-3h；

(3)往反应釜中加入氢氧化钠溶液，调节PH值为7-8，然后加入二氧化硅、硅烷偶联剂和非离子表面活性剂，升温至60-80℃，以300-480r/min的速率搅拌1-2h；

(4)往反应釜中加入聚乙二醇，搅拌均匀；

本实施例中，三唑类化合物为3,5-二氨基-1,2,4-三唑，非离子表面活性剂为蔗糖酯，聚乙二醇为PEG-200，硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅，阻燃剂为碳酸钾和氢氧化镁，氢氧化镁与碳酸钾的质量比为1：2。

实施例2

上述木材改性剂是由以下重量份数的原料组成：三唑类化合物10份、甲基丙烯酸羟乙酯10份、催化剂正丁基锂0.5份、磷酸二氢铵10份、非离子表面活性剂40份、二氧化硅粉末5份、硅烷偶联剂5份、阻燃剂2份、聚乙二醇90份和水400份，其制备方法与实施例1中相同，具体步骤参照实施例1。

本实施例中，三唑类化合物为5-甲基-3-辛基-1,2,4-三唑5份、3-丁基-1,2,4-三唑5份，非离子表面活性剂为蔗糖酯，聚乙二醇为PEG-600，硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷，阻燃剂为氢氧化镁与碳酸钾的质量比为5：4。

实施例3

上述木材改性剂是由以下重量份数的原料组成：三唑类化合物6份、甲基丙烯酸羟乙酯18份、催化剂正丁基锂0.6份、磷酸二氢铵15份、非离子表面活性剂30份、二氧化硅粉末4份、硅烷偶联剂4份、阻燃剂3份、聚乙二醇90份和水600份，其制备方法与实施例1中相同，具体步骤参照实施例1。

本实施例中，三唑类化合物为3,5-二异丙基-1,2,4-三唑，非离子表面活性剂为失水山梨醇酯，聚乙二醇为20份的PEG-200和40份的PEG-400，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷，阻燃剂为氢氧化镁与碳酸钾的质量比为3：4。

实施例4

上述木材改性剂是由以下重量份数的原料组成：三唑类化合物8份、甲基丙烯酸羟乙酯16份、催化剂正丁基锂0.6份、磷酸二氢铵18份、非离子表面活性剂28份、二氧化硅粉末4份、硅烷偶联剂4份、阻燃剂4份、聚乙二醇90份和水700份，其制备方法与实施例1中相同，具体步骤参照实施例1。

本实施例中，三唑类化合物为3,5-二异丙基-1,2,4-三唑6份、3-乙基-1,2,4-三唑2份，非离子表面活性剂为失水山梨醇酯，聚乙二醇为PEG-400，硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅，阻燃剂为氢氧化镁与碳酸钾的质量比为1：1。

对比例1：使用深圳三裕化工有限公司的木材防变形剂MCFBXJ

本发明阻燃强化木材的应用效果实验：

分别采用本发明实施例1-4的阻燃强化木材对木材进行改性处理，其改性方法为：用杨木2000mm×200mm×25mm(纵向×弦向×径向)作为实验木材，采用真空加压的方式进行木材的浸渍改性处理，干燥，即得。真空度为-0.05MPa，保持30min，加压使用的压力为1.0MPa，加压时间为2h，干燥，即得改性的杨木。

对比例2：选用未经改性剂处理的杨木

选取实施例1-4和对比例1的改性剂，按上述杨木改性方法对杨木改性，然后对改性杨木进行性能检测，增重率、流失率、抗胀缩系数、抗弯强度、平衡含水率、抗压强度，如表1。其中，流失率为改性杨木浸泡在水中一个月前后的改性剂流失变化率。

表1阻燃强化木材处理杨木后的改性杨木力学性能检测结果

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1	对比例2
							流失率/％	9.7	8.4	7.8	6.3	13.6	0
抗胀缩系数/％	45.8	48.7	53.5	56.2	20.4	0
							平衡含水率/％	7.2	6.3	5.9	5.7	12.5	14.5
抗弯强度/％	96.5	98.7	105.3	110.4	70.8	63.8
							抗压强度/％	9.4	10.5	11.6	12.1	6.4	3.6

注：平衡含水率测试条件为温度25℃，相对湿度65％。

从表1的改性杨木力学性能检测结果表明，本发明的阻燃强化木材改性处理杨木的流失率低于9.7％，表明本发明在木材细胞中固着性好；木材的抗胀缩系数可到56.2％，显示木材的尺寸稳定性好，不易变形；木材的平衡含水率低于7.2％，表明木材具有较好的抗水性；木材的抗弯强度和抗压强度有大幅度的提高，表明阻燃强化木材能提高木材的强度和韧性。

选取实施例1-4和对比例1的改性剂，按上述杨木改性方法对杨木改性，然后对改性杨木进行阻燃性能检测。

阻燃性能测试包括氧指数测试和烟密度测试，其中氧指数测试根据GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》，利用LFY-605型自动氧指数测定仪进行测试，所用试样规格为15mm×5mm×3mm(长×宽×厚)；烟密度测试根据GB/T 8627-2007《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》，利用JCY-2型建材烟密度测试仪进行测试，所用的试样规格为25mm×25mm×6mm(长×宽×厚)。氧指数和烟密度试验的结果如表2所示。

表2阻燃强化木材处理杨木后的改性杨木阻燃试验结果

从表2的改性杨木阻燃性能检测结果表明，浸渍处理后，阻燃强化木材处理木材的载药量均高于49kg/m³，制备的木材中阻燃成分含量较高，能保证良好阻燃性；经阻燃强化木材处理木材的氧指数均高于45，达到LOI≥27阻燃ISO材料标准；烟密度等级SDR低于13.57，达到GB/T 8627-2007《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》规定(SDR≤75)的要求。相比对比例1和对比例2，氧指数和烟密度试验残炭率均有所提高，因此阻燃强化木材处理木材具有优异的阻燃性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种阻燃强化木材，其特征在于，它是通过将木材浸泡在木材改性剂中，在真空加压的条件下进行真空浸渍处理，控制真空度为-0.05MPa，压力为0.5～1.5MPa，真空浸渍时间为1.5～3h，获得真空浸渍木材；对真空浸渍木材进行干燥处理，制得所述阻燃强化木材；

所述木材改性剂是由以下重量份数的原料组成：三唑类化合物5-10份、甲基丙烯酸羟乙酯10-20份、催化剂正丁基锂0.5-0.8份、磷酸二氢铵10-20份、非离子表面活性剂20-40份、二氧化硅粉末3-5份、硅烷偶联剂3-5份、阻燃剂2-6份、聚乙二醇45-90份和水400-900份;

所述三唑类化合物为3,5-二氨基-1,2,4-三唑、5-甲基-3-辛基-1,2,4-三唑、3-丁基-1,2,4-三唑、3-乙基-1,2,4-三唑或3,5-二异丙基-1,2,4-三唑中的一种或两种;

所述木材改性剂的制备方法包括以下具体步骤：

（1）将聚乙二醇分成三等份，分两次加入；

（2）将三唑类化合物、甲基丙烯酸羟乙酯和第一份聚乙二醇加入到反应釜中，搅拌均匀后，加入催化剂，室温下搅拌反应0.5-1h，再加入磷酸二氢铵，升温至50℃，搅拌速率为200-320r/min，搅拌反应2-3h；

（3）往反应釜中加入氢氧化钠溶液，调节PH值为7-8，然后加入二氧化硅、硅烷偶联剂和非离子表面活性剂，升温至60-80℃，搅拌速率为300-480r/min，搅拌1-2h；

（4）往反应釜中加入聚乙二醇，搅拌均匀；

（5）往反应釜中加入阻燃剂和水，搅拌均匀，制得所述木材改性剂。

2.根据权利要求1所述的一种阻燃强化木材，其特征在于，所述非离子表面活性剂为蔗糖酯或失水山梨醇酯。

3.根据权利要求1所述的一种阻燃强化木材，其特征在于，所述硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种阻燃强化木材，其特征在于，所述聚乙二醇为PEG-200、PEG-400或PEG-600中一种或两种。

5.根据权利要求1所述的一种阻燃强化木材，其特征在于，所述阻燃剂由碳酸钾和氢氧化镁组成，所述氢氧化镁与碳酸钾的质量比为（2～5）：4。