CN112157767A

CN112157767A - 一种木材改性剂及其制备方法与应用

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Publication number: CN112157767A
Application number: CN202010856661.XA
Authority: CN
Inventors: 董友明; 刘润豪; 刘馨瑶; 李建章; 王开立
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2021-01-01

Abstract

本发明公开了一种木材改性剂及其制备方法与应用，木材改性剂含有如下质量百分比的各原料：石蜡5％～30％、纳米二氧化硅0.5％～5％、硅烷0‑3％和水62％～94.5％。用本发明提出的改性剂处理木材，在较低的增重率下，就能赋予木材良好的尺寸稳定性和疏水性，同时还具有较好的热稳定性。且改性剂制备工艺简单，无需添加表面活性剂，贮存稳定性优良。

Description

一种木材改性剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种木材改性剂及其制备方法与应用。

背景技术

木材及其制品广泛应用于室内装潢、家具制造、房屋建筑及外部装饰中，但由于其多孔性和化学成分的亲水性，极易发生干缩湿胀现象，导致尺寸变化、开裂变形等问题，影响了其制品使用寿命与用途。如何提高木材的疏水性已成为木材加工行业广泛关注的问题。

目前，提高木材及其制品疏水性的方法主要有物理改性和化学改性两种方法。物理改性主要是通过对木材及其制品进行表面包覆或者浸渍防水剂以减少木材与水分的接触。例如：油漆涂刷、石蜡浸渍、树脂浸渍处理等。化学改性主要是通过与细胞壁中的吸水性羟基进行化学反应封闭或者去除亲水性羟基，进而提高木材及制品的尺寸稳定性。其中，石蜡浸渍处理是一种成本低、无毒、高效的木材防水处理方法。然而，固体石蜡在浸渍过程中需要高温熔化设备，增加了能源消耗和工艺复杂程度，为此，更多的研究关注石蜡乳液作为防水剂。CN104526805B公开了一种以脂肪醇醚聚氧乙烯类非离子表面活性剂为乳化剂的石蜡乳液，具有粒径小、稳定性好等特点，可用于增强实木木材的防水、防潮性能。CN103341894B在现有石蜡乳液中添加链烷基三烷氧基硅烷，可与木材良好结合，并能够顺利进入木材细胞壁中，极大地提高了木材的疏水性和尺寸稳定性。

现有石蜡防水剂主要存在的问题是：石蜡乳液在制备过程中需添加大量表面活性剂和助乳化剂，并留存在实木内部，不仅对木材性能没有益处，还造成了易燃、生物降解性能差或有毒等问题，且增加了改性成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种木材改性剂及其制备方法与应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种木材改性剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米二氧化硅分散在溶剂中，并调节溶液的pH为2～5，加入硅烷，充分搅拌实现硅烷对纳米二氧化硅的接枝改性，得到改性纳米二氧化硅；

(2)将未改性或所述步骤(1)中改性的纳米二氧化硅分散在水中，并加热，加入石蜡，搅拌至充分溶解；

(3)将步骤(2)制备得到的溶液搅拌均匀，随后经高压均质，制得所述的木材改性剂。

进一步地，所述步骤(3)具体包括：将步骤(2)制备得到的溶液保持在70～80℃，以9000rpm～15000rpm的速度，搅拌2～20min，经过高压均质，在压力40MPa～60MPa的条件下均质1～2次，制得所述的木材改性剂。

进一步地，所述步骤(1)中，充分搅拌实现硅烷对纳米二氧化硅的接枝改性，得到改性纳米二氧化硅的步骤具体包括：充分搅拌6～24h实现硅烷对纳米二氧化硅的接枝改性，对溶液进行高速离心，去除上层清液，取下层固体，80～100℃条件下干燥得到改性纳米二氧化硅；所述步骤(1)中的溶剂为乙醇、甲醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、甲苯中的一种或多种。

一种木材改性剂，包括如下质量百分比的各原料：石蜡5％～30％、纳米二氧化硅0.5％～5％、硅烷0～3％和水62％～94.5％。

进一步地，所述纳米二氧化硅的粒径为30～400nm。

进一步地，所述石蜡为54#、56#、58#、60#中的一种或其混合物，所述硅烷为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或几种。

进一步地，所述木材改性剂采用上述的制备方法制备而成。

一种提高木材物理力学性能的方法，包括如下步骤：将木材浸泡于如上述的木材改性剂中浸渍，取出木材后干燥固化。

进一步地，所述浸渍步骤具体包括：在0.08～0.1MPa真空条件下浸渍处理20～60min，再于常压下浸渍120～720min。

进一步地，取出木材后在100℃下干燥固化12～24h。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明提出的改性剂通过添加纳米二氧化硅，来稳定石蜡乳液，无需添加表面活性剂，安全无毒，乳液粒径可通过纳米二氧化硅添加量和粒径进行调控，且具有良好的贮存稳定性；

(2)用本发明改性剂处理木材，不但能赋予其良好的尺寸稳定性、疏水性，还能发挥无机纳米粒子特性，增强木材的热稳定性；

(3)本发明改性剂的制备方法和处理工艺简单，利于工业化推广。

附图说明

图1为实施例3制得的木材改性剂的粒径检测结果。

图2为实施例3制备的改性木材微观结构。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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做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。

一种木材改性剂，含有如下重量份的各原料：石蜡5％～30％、纳米二氧化硅0.5％～5％、硅烷0-3％和水62％～94.5％。

所述的木材改性剂，优选地，由如下重量份的各原料组成：石蜡10％～20％、纳米二氧化硅1％～2％、硅烷0.5％～1％和水77％～88.5％。

其中，所述纳米二氧化硅粒径为30～400nm，优选80～160nm。所述硅烷为：γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或几种，优选为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-氨丙基三甲氧基硅烷。

本发明所述木材改性剂的制备方法，包括步骤：

将纳米二氧化硅分散在溶剂中，溶剂为乙醇、甲醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、甲苯中的一种或多种，并加入稀盐酸，调节溶液的pH为2～5，然后加入硅烷，充分搅拌6～24h实现硅烷对纳米二氧化硅的接枝改性。对溶液进行高速离心，去除上层清液，取下层固体80～100℃干燥得改性纳米二氧化硅。通过改性，可调控纳米二氧化硅的表面疏水性，改善纳米二氧化硅在改性剂成分界面间的吸附能力。

进一步地，将改性或未改性的纳米二氧化硅分散在水中，并加热至70～80℃，加入石蜡，搅拌至充分溶解。

进一步地，将上述溶液保持在70～80℃，以9000rpm～15000rpm的速度，搅拌2～20min，随后经过高压均质，在压力40MPa～60MPa的条件下均质1～2次，制得所述的木材改性剂。

本发明所述木材改性剂在提高木材物理力学性能中的应用。

具体地，所述的应用为：将木材浸泡于上述的木材改性剂中，在0.08～0.1MPa真空条件下浸渍处理20～60min，再于常压下浸渍120～720min；取出木材在100℃下干燥固化12～24h。

实施例1

制备乳液的原料中包括80nm纳米二氧化硅1％、56#固体石蜡10％和水89％。

制备所述乳液的方法包括如下步骤：

1)将纳米二氧化硅分散在水中，并加热至75℃，加入石蜡，搅拌至充分溶解。

2)将上述溶液保持在75℃，以12000rpm的速度，搅拌5min，随后经过高压均质，在压力40MPa的条件下均质2次，制得所述的木材改性剂。

实施例2

制备所述乳液的原料中包括80nm纳米二氧化硅1％，硅烷0.5％，56#固体石蜡10％，水88.5％。

制备所述乳液的方法包括如下步骤：

1)将纳米二氧化硅分散在乙醇中，并加入稀盐酸，调节溶液pH为4，然后加入硅烷，充分搅拌12h，对溶液进行高速离心，去除上层清液，取下层固体100℃干燥得改性纳米二氧化硅。

2)将纳米二氧化硅分散在水中，并加热至75℃，加入石蜡，搅拌至充分溶解。

3)将上述溶液保持在75℃，以12000rpm的速度，搅拌5min，随后经过高压均质，在压力40MPa的条件下均质2次，制得所述的木材改性剂。

实施例3

制备所述乳液的原料中包括80nm纳米二氧化硅2％，硅烷1％，56#固体石蜡20％，水77％。

制备所述乳液的方法同实施例2。图1为实施例3制得的木材改性剂的粒径检测结果。图2为实施例3制备的改性木材微观结构。

实施例4

制备所述乳液的原料中包括160nm纳米二氧化硅1％，硅烷0.5％，56#固体石蜡10％，水88.5％。

制备所述乳液的方法同实施例2。

对比例1

本对比例涉及一种改性剂，与实施例1相比，其区别在于，所述改性剂中不添加纳米二氧化硅。

制备方法包括如下步骤：

在75℃的条件下，将56#固体石蜡和水按1:9混合，以12000rpm的速度，搅拌5min，并经过高压均质机进行高压均质，压力为40MPa，均质2次，制得所述木材改性剂。

对比例2

未处理木材经103℃干燥至恒重。

从外观和贮存稳定性等方面检测实施例1-4和对比例1中所述木材改性剂。各项结果如表1所示：

表1

实验例	外观	贮存稳定性
			实验例1	乳白色均匀乳液	≥3个月
实验例2	乳白色均匀乳液	≥6个月
			实验例3	乳白色均匀乳液	≥6个月
实验例4	乳白色均匀乳液	≥6个月
			对比例1	乳白色均匀乳液	5天

采用实施例1-4的处理剂对实木进行处理试验

分别采用本发明实施例1-4中制备的改性剂对实木进行处理。

1、实验材料

杨木，试样尺寸为20×20×20mm³，含水率7％-9％；。

2、具体实验步骤：

1)将杨木试件分别浸泡于本发明实施例1-4的改性剂中，在0.08MPa真空条件下对试件进行浸渍处理30min，随后常压浸渍10小时，取出试件在100℃烘10h，然后在103℃条件下烘至绝干；

2)将试件于常温蒸馏水中浸泡120h，测其质量和尺寸。

3、各项指标计算和检测

1)尺寸稳定性(ASE)测试。计算公式如下：

其中，St为改性试件体积变化率，Su为未改性试件体积变化率。

2)吸水性测试。计算公式如下：

其中：W2为试件吸水或吸湿重量，W1为试件绝干重。

3)热稳定性测试。将试件磨成粉末，利用热重分析仪进行测试，计算试件在600℃时的残炭率。

测试结果见表2。

表2

实验例	ASE(％)	吸水率(％)	残炭率(％)
				实验例1	19.9	85.1	15.9
实验例2	54.7	61.2	24.3
				实验例3	55.2	60.4	27.4
实验例4	48.2	68.3	21.3
				对比例2	-	114.2	12.6

实验结果表明，利用本发明改性剂处理木材，表现出良好的尺寸稳定性和抗吸水性能，并且能增强木材的热稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种木材改性剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：将步骤(2)制备得到的溶液保持在70～80℃，以9000rpm～15000rpm的速度，搅拌2～20min，经过高压均质，在压力40MPa～60MPa的条件下均质1～2次，制得所述的木材改性剂。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，充分搅拌实现硅烷对纳米二氧化硅的接枝改性，得到改性纳米二氧化硅的步骤具体包括：充分搅拌6～24h实现硅烷对纳米二氧化硅的接枝改性，对溶液进行高速离心，去除上层清液，取下层固体，80～100℃条件下干燥得到改性纳米二氧化硅；所述步骤(1)中的溶剂为乙醇、甲醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、甲苯中的一种或多种。

4.一种木材改性剂，其特征在于，包括如下质量百分比的各原料：石蜡5％～30％、纳米二氧化硅0.5％～5％、硅烷0～3％和水62％～94.5％。

5.如权利要求4所述的木材改性剂，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径为30～400nm。

6.如权利要求4所述的木材改性剂，其特征在于，所述石蜡为54#、56#、58#、60#中的一种或其混合物，所述硅烷为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或几种。

7.如权利要求4所述的木材改性剂，其特征在于，所述木材改性剂采用如权利要求1-3任一所述的制备方法制备而成。

8.一种提高木材物理力学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：将木材浸泡于如权利要求4-7任一所述的木材改性剂中浸渍，取出木材后干燥固化。

9.如权利要求8所述的提高木材物理力学性能的方法，其特征在于，所述浸渍步骤具体包括：在0.08～0.1MPa真空条件下浸渍处理20～60min，再于常压下浸渍120～720min。

10.如权利要求8所述的提高木材物理力学性能的方法，其特征在于，取出木材后在100℃下干燥固化12～24h。