CN112207927B

CN112207927B - 一种有机磷酸盐木材改性剂及其制备方法

Info

Publication number: CN112207927B
Application number: CN202011100073.XA
Authority: CN
Inventors: 熊胜
Original assignee: Taojiang Xinlong Sunshine Wood Industry Plywood Factory General Partnership
Current assignee: Taojiang Xinlong Sunshine Wood Industry Plywood Factory General Partnership
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN112207927A

Abstract

本发明公开一种有机磷酸盐木材改性剂及其制备方法，涉及木材化学改性技术领域。本发明公开的有机磷酸盐木材改性剂，由以下重量份数的原料组成：水性丙烯酸树脂20‑40份、尿素20‑40份、氨基三甲叉膦酸五钠5‑10份、磷酸二氢铵15‑30份、聚乙烯醇30‑50份和硅烷偶联剂5‑10份，本发明还公开了有机磷酸盐木材改性剂的制备方法。本发明提供的有机磷酸盐木材改性剂，能使经过该改性剂处理的木材具有优异的阻燃性能，且具有优良的抗流失性、抗弯强度、冲击韧性和防水性能，且本改性剂无毒、环保，对人体和环境无公害，改善了改性木材的应用范围。

Description

一种有机磷酸盐木材改性剂及其制备方法

技术领域

本发明属于木材化学改性技术领域，尤其涉及一种有机磷酸盐木材改性剂及其制备方法。

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。

有效地使用木材，延长木材的使用寿命，低档木材高档化应用，对我国建设资源节约型社会和环境保护具有重要的战略意义。随着人们对木材质量的要求越来越高越来越全面，多功能性的木材改性技术也是木材改性发展的主要方向，不仅仅是材性的提高，同时还应该使木材具备防腐性能和阻燃性能，环境保护也是目前开发任何一种商品所必须关注的问题，因此，改性木在生产和使用的过程中对人体和环境的影响将会是制约其发展的主要因素。目前，木材改性的改性液种类很多、改性的方法也很多。改性液类型包括不饱和烯烃类单体，预聚体、脲醛树脂、酚醛树脂、糖醇树脂、间苯二酚树脂、乙酰剂等；但这些改性液大多存在改性单一、污染环境、工序复杂、造成改性后药剂流失等缺点，因此，研发一种既能改善木材性能，又能有效地使用木材，延长木材的使用寿命，将低档木材变高档化应用的木改性液，将具有重要的现实意义。

中国发明专利CN107599093B公开了一种水载功能型木材改性剂及其处理方法，是通过苯酚和甲醛反应主要生成羟甲基酚活性单体，铜二羟甲基二羟基乙烯脲、硅溶胶混合形成稳定的溶胶体系溶液，浸渍木材后，加热固化过程与木材细胞壁和细胞腔中通过共价键结合形成聚合物，该木材改性剂能显著改善木材尺寸稳定性，经改性后木材强度大、强度高、防腐阻燃、加工性能好，但改性木材的耐冲击强度较差，且原料中含有甲醛，对人体和环境有害，不符合现代环保木材的理念。中国发明专利CN201510001987.3公开的适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺及使用方法，其以苯酚、甲醛为主剂一次性投料，合成过程中加入硼酸，制得一种具有优异阻燃功能的改性酚醛树脂药剂。硼化合物具有良好的阻燃性，但该种无机阻燃剂吸湿性强并且容易流失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机磷酸盐木材改性剂，能使经过该改性剂处理的木材具有优异的阻燃性能，且具有优良的抗流失性、抗弯强度、冲击韧性和防水性能，且本改性剂无毒、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，本发明提供了一种有机磷酸盐木材改性剂，由以下重量份数的原料组成：水性丙烯酸树脂20-40份、尿素20-40份、氨基三甲叉膦酸五钠5-10份、磷酸二氢铵15-30份、聚乙烯醇30-50份和硅烷偶联剂5-10份。

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。

如上述所述有机磷酸盐木材改性剂的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将水性丙烯酸树脂和聚乙烯醇加入反应釜中，升温至70℃，搅拌均匀，然后加入乙酸溶液调节PH值保持在5-6，加入硅烷偶联剂和去离子水,在70℃下反应30-40min，得到聚乙烯醇-丙烯酸共聚物；

(2)将氨基三甲叉膦酸五钠和磷酸二氢铵加入到反应釜中，将温度降低至50-60℃，搅拌20-30min，制得混合物；

(3)将尿素加入到反应釜的混合物中，用氢氧化钠溶液调节PH值保持在8-9，在常温下反应0.5-1h，制得所述有机磷酸盐木材改性剂。

进一步的，所述步骤(1)中乙酸溶液的质量百分比浓度为30％。

进一步的，所述步骤(1)中去离子水的质量与水性丙烯酸数之和聚乙烯醇质量和之比为(4-8)：1。

进一步的，所述步骤(3)中氢氧化钠的浓度为1-2mol/L。

本发明取得了以下有益效果：

本发明以水性丙烯酸树脂、尿素、氨基三甲叉膦酸五钠、磷酸二氢铵、聚乙烯醇和硅烷偶联剂为原料，通过聚合和交联作用，制得有机磷酸盐共混物，该共混物为氮磷聚合物，具有优良的阻燃性能；本改性剂中含有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。

本发明为可溶于水的有机聚合物，其不含无机盐，不易从木材中流失，因此，本发明具有优良的抗流失性。

本发明与木材细胞壁上的羟基反应，具有很强的结合力，增大了两者之间粘结强度，使改性木材韧性好，不易脆断，具有优异的耐冲击强度。

本发明能使经过该改性剂处理的人工林木材的尺寸稳定性、硬度、抗弯强度、耐冲击强度和防水性得到大幅提高，同时具有优良的阻燃性，且环保，对人体和环境无害。处理后的木材中改性剂的抗流失性也得到增强，延长了木材的使用寿命，并且，本发明的改性剂可长期、稳定的储存，实现重复循环利用。

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有机磷酸盐木材改性剂及其制备方法予以说明。

实施例1

一种有机磷酸盐木材改性剂，由以下重量份数的原料组成：水性丙烯酸树脂20份、尿素20份、氨基三甲叉膦酸五钠10份、磷酸二氢铵30份、聚乙烯醇50份和异丁基三乙氧基硅5份，其制备方法具体包括以下步骤：

(1)将水性丙烯酸树脂和聚乙烯醇加入反应釜中，升温至70℃，搅拌均匀，然后加入30wt％乙酸溶液调节PH值保持在5-6，加入硅烷偶联剂和去离子水,在70℃下反应30-40min，得到聚乙烯醇-丙烯酸共聚物；

(3)将尿素加入到反应釜的混合物中，用2mol/L氢氧化钠溶液调节PH值保持在8-9，在常温下反应0.5-1h，制得有机磷酸盐木材改性剂。

上述步骤(1)中去离子水的加入量为280-560份。

实施例2

一种有机磷酸盐木材改性剂，由以下重量份数的原料组成：水性丙烯酸树脂40份、尿素30份、氨基三甲叉膦酸五钠5份、磷酸二氢铵20份、聚乙烯醇30份和异丁基三乙氧基硅10份，其制备方法具体包括以下步骤：

(3)将尿素加入到反应釜的混合物中，用1mol/L氢氧化钠溶液调节PH值保持在8-9，在常温下反应0.5-1h，制得有机磷酸盐木材改性剂。

上述步骤(1)中去离子水的加入量为280-560份。

实施例3

一种有机磷酸盐木材改性剂，由以下重量份数的原料组成：水性丙烯酸树脂30份、尿素40份、氨基三甲叉膦酸五钠5份、磷酸二氢铵25份、聚乙烯醇30份和异丁基三乙氧基硅5份，其制备方法具体包括以下步骤：

上述步骤(1)中去离子水的加入量为240-480份。

实施例4

一种有机磷酸盐木材改性剂，由以下重量份数的原料组成：水性丙烯酸树脂25份、尿素30份、氨基三甲叉膦酸五钠8份、磷酸二氢铵25份、聚乙烯醇40份和异丁基三乙氧基硅7份，其制备方法具体包括以下步骤：

上述步骤(1)中去离子水的加入量为260-520份。

对比例1：选用未经改性剂处理的杨木

本发明有机磷酸盐木材改性剂的应用效果实验：

分别采用本发明实施例1-4的有机磷酸盐木材改性剂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0.3MPa，保持1h，加压使用的压力为2.0MPa，加压时间为1.5-2h，干燥，即得改性的杨木。

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本发明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
						流失率/％	12.5	11.2	11.8	10.5	0
抗胀缩系数/％	40.2	44.1	42.7	46.8	0
						平衡含水率/％	10.5	9.7	9.5	8.9	14.5
抗弯强度/％	75.8	72.3	70.8	80.4	63.8
						抗压强度/％	5.8	6.3	5.2	6.7	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，本发明的有机磷酸盐木材改性剂改性处理杨木的流失率低于12.5％，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46.8％，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10.5％，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，表明有机磷酸盐木材改性剂能提高木材的强度和韧性。

选取实施例1-4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有机磷酸盐木材改性剂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，经有机磷酸盐木材改性剂处理木材的氧指数均高于40.5，达到LOI≥27阻燃ISO材料标准；烟密度等级SDR低于20.78，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，因此有机磷酸盐木材改性剂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

1.一种有机磷酸盐木材改性剂，其特征在于，由以下重量份数的原料组成：水性丙烯酸树脂20-40份、尿素20-40份、氨基三甲叉膦酸五钠5-10份、磷酸二氢铵15-30份、聚乙烯醇30-50份和硅烷偶联剂5-10份；

所述有机磷酸盐木材改性剂的制备方法，包括以下具体步骤：

（1）将水性丙烯酸树脂和聚乙烯醇加入反应釜中，升温至70℃，搅拌均匀，然后加入乙酸溶液调节PH值保持在5-6，加入硅烷偶联剂和去离子水,在70℃下反应30-40min，得到聚乙烯醇-丙烯酸共聚物；

（2）将氨基三甲叉膦酸五钠和磷酸二氢铵加入到反应釜中，将温度降低至50-60℃，搅拌20-30min，制得混合物；

（3）将尿素加入到反应釜的混合物中，用氢氧化钠溶液调节PH值保持在8-9，在常温下反应0.5-1h，制得所述有机磷酸盐木材改性剂。

2.根据权利要求1所述的一种有机磷酸盐木材改性剂，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。

3.根据权利要求1所述的一种有机磷酸盐木材改性剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中乙酸溶液的质量百分比浓度为30%。

4.根据权利要求1所述的一种有机磷酸盐木材改性剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中去离子水的质量与水性丙烯酸树脂和聚乙烯醇质量和之比为（4-8）：1。

5.根据权利要求1所述的一种有机磷酸盐木材改性剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中氢氧化钠的浓度为1-2mol/L。