CN112388774A - 低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，属于木材加工领域。首先制备有机硅处理液：配制甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾的水溶液，作为低成本有机硅功能改性处理液；然后进行木材功能化处理：使用有机硅功能改性处理液，采用真空加压浸渍方法或表面喷涂方法，对木材进行处理。本发明功能改性剂和方法具有成本低廉，操作简单，控制灵活、适用性广等特点，所得功能化木材具有超疏水、抗菌、耐候、防静电为一体的多功能，具有较强的推广及应用价值。

Description

低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多功能化木材的制备方法，具体涉及一种低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，属于木材加工领域。
背景技术
木材因其具有纹理美观、色泽天然、触感舒适、天然环保、易于加工等优点， 是人们喜欢的家居主要用材之一。但木材也存在一些本征缺陷，如易吸水致膨胀变 形，也容易失水致开裂翘曲，易受霉菌侵蚀等。为克服本征缺陷，同时为满足消费 者新需求，木材需要进行一定功能改性处理。人民对健康家居环境的需求大增，抗 菌板材受到热捧。北方家庭冬季易产生静电，对防静电木地板或墙板有新需求，尤 其是儿童房、老人房和医院等身体弱势群体。
近年来，木材改性研究的聚焦点集中于木材密度、尺寸稳定性提升方面的开发探索，而对功能性改良也集中在改善木材的单一性能。且目前所使用的改性剂存在毒性高、释放特殊异味、TVOC超标、载药量高、抗流失能力差、操作复杂、成本高等问题。纳米改性则存在纳米颗粒的分散性并不好，需要特殊溶剂或方法，同时成本高昂。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明为了解决现有的木材功能化处理的功能改性剂毒性高、载药率高、有特殊异味、污染环境、耐候性差、成本高、功能单一的问题，研究开发了一种超疏水抗菌耐候多功能化木材的制备方法。
本发明基于低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备有机硅处理液：配制甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾的水溶液，作为低成本有机硅功能改性处理液；
(2)木材功能化处理：使用有机硅功能改性处理液，采用真空加压浸渍方法或表面喷涂方法，对木材进行处理。
步骤(1)中，所述的有机硅处理液，按质量份数，甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾为2-8份，去离子水为92-98份，搅拌溶解，形成均匀溶液。
本发明方法中，有机硅多功能改性剂为甲基硅酸钠、甲基硅酸钾中的一种或两种水溶液，低溶度2-8wt％，渗透性好，成本低廉，配置方法简单。
步骤(2)中，所述的真空加压浸渍方法包括如下步骤：木材经过气干后，放入容器中，注入有机硅功能改性处理液，使木材浸没在有机硅功能改性处理液中，然后将容器放入真空压力浸渍设备，如真空浸渍罐中，先抽真空，再施加一定的空气气压，然后取出木材，干燥后得到超疏水抗菌耐候防静电多功能化木材。
上述方法中，优选采用抽真空至-0.5MPa～-0.1Mpa，保持真空15min～30min；再施加0.8MPa～1.2MPa的空气气压，保持压力时间为30min～6h，然后取出木材，在 20-70℃的温度下陈放6h～72h，即得超疏水抗菌耐候防静电多功能化木材。
步骤(2)中，所述的表面喷涂方法主要适用于木材单板，单板厚度为 0.5mm～6mm，包括如下步骤：将有机硅功能改性处理液喷涂在单板上、下表面，干燥后得到超疏水抗菌耐候防静电多功能化单板。
上述方法中，优选将有机硅功能改性处理液喷涂在单板上、下表面2-3遍，在 20-70℃的温度下陈放0.5h～24h，即得超疏水抗菌耐候防静电多功能化单板。喷涂可采用喷壶进行。
本发明方法适用于所有木材的功能化处理，木材种类包括枫木、橡木、松木、榆木、桦木、榉木、橡胶木、杨木、樱桃木、核桃木、楠木和桉木等。
对于需要油漆涂饰的木材，可以在本发明方法的步骤(1)之前，增加步骤(0)：先对木材进行油漆涂饰；然后再进行表面喷涂有机硅多功能改性剂。这样可以同时实现油漆涂饰和功能化改性(包括超疏水性)的双重效果。
本发明的有益效果：
本发明的多功能化木材功能改性方法，集防水、抗菌、耐候、防静电为一体，具有操作流程简单、成本低廉、环境友好的特点。
本发明提供的功能改性剂为有机硅类，有机硅的主链分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多，因此，比同分子量的碳氢化合物粘度低，表面张力弱，表面能小，成膜能力强。这种低表面张力和低表面能是它获得多方面应用的主要原因：疏水、消泡、泡沫稳定、防粘、润滑、上光等各项优异性能。
本发明方法功能改性后的木材具有微纳米层次微观构造，且有机硅与木材进行了交联，从而具有超疏水抗菌耐候防静电的综合功能，功能改性后的木材表面静态水接触角可以高达140°以上、滚动角小于10°，具有超疏水自清洁特性；同时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有>99％的抑菌率，具有比较强的抗菌性能；有机硅产品的主链为－Si－O－，无双键存在，因此不易被紫外光和臭氧所分解。有机硅具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力，功能改性后的木材耐候性提升；功能改性后的木材的表面电阻从＞1011降到107～108Ω，防静电性能显著提升。
本发明方法功能改性后的木材由于其超疏水性，会对其油漆涂饰有一定影响，如果是需要油漆涂饰的木材，可以采用表面喷涂方法：木材先进行油漆涂饰，然后再进行表面喷涂有机硅多功能改性剂。
附图说明
图1-1和图1-2分别是实施例1中功能改性前木材表面的水滴(C1样品)和功能改性后木材表面水滴(K1样品)。
图2是表示实施例1中功能改性后木材表面的静态水接触角，为144.1°。
图3-1和图3-2分别是实施例1中功能改性前木材表面电阻(C1样品，>1012Ω) 和功能改性后木材表面电阻(K1样品，107Ω)。
图4是为实施例2中功能改性后木材表面水滴(K2样品)。
图5是表示实施例2中功能改性后木材表面的静态水接触角，为143.2°。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
本发明基于低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，包括以下步骤：
一、有机硅处理液配制：
按质量分数分别称取2-8份的甲基硅酸钠或甲基硅酸钾，92-98份的去离子水，搅拌溶解，形成均匀溶液，即得低成本有机硅功能改性处理液。
二、木材功能化处理：
(1)真空加压浸渍方法：将气干好后的木材放入容器中，注入有机硅功能改性处理液，一同放入真空浸渍罐中，采用抽真空-0.1MPa，保持真空15min～30min；再施加0.8MPa～1.2MPa的空气气压，并保持压力时间30min～6h，然后取出木材，在 20-70℃的温度下陈放6h～72h，即得超疏水抗菌耐候防静电多功能化木材。
(2)表面喷涂方法：主要针对单板，有机硅功能改性处理液注入喷壶中，对单板上下表面进行喷涂2-3遍，在20-70℃的温度下陈放1h～24h，即得超疏水抗菌耐候防静电多功能化单板。该方法适用于所有木材功能化处理。
实施例1：
本实施例基于低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，按以下步骤进行：
一、功能改性剂配制：称取400g甲基硅酸钾和16000g去离子水，浓度为2.4％，机械搅拌溶解，形成均匀溶液，pH＝10.5，即得多功能改性剂。
二、木材功能化处理：选取枫木为待处理实木，将枫木锯切成 400mm×120mm×50mm大小，放入500mm×200mm×200mm的容器中，倒入功能改性剂，处理剂液面超过木材最高表面10mm，并有压块控制木材不上浮。一同放入真空浸渍罐中，抽真空至-0.1MPa，保持真空30min；然后施加1.2MPa的空气气压，并保持压力时间3h，然后取出木材，在45℃的烘箱中干燥72h，即得超疏水抗菌耐候防静电多功能化木材。
经过实施例1方法功能改性后的木材具有凹凸微观构造；功能改性后木材增重率约为零，说明载药率极低。
如图1-1和图1-2所示，为实施例1中功能改性前木材表面的水滴(C1样品) 和功能改性后木材表面水滴(K1样品)的照片，可以看出经过功能改性后，木材表面由亲水变成疏水；如图2所示，为实施例1中功能改性后木材表面的静态水接触角测试结果，改性后的木材表面静态水接触角为144.1°、滚动角8°，具有超疏水自清洁特性。
采用贴膜法，依据标准QB/T 4371-2012《家具抗菌性能的评价》测试抗菌性能，实施例1功能改性后木材的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率为＞99％，抗菌性能显著。
实施例1功能改性后木材表面无明显颜色改变，有些许白色晶体残留表面，表面砂光处理后恢复正常；进行耐老化实验，放入紫外老化箱7天耐候实验，其木材表面静态水接触角仍可达131°，木材表面无明显颜色改变。
如图3-1和图3-2所示，为实施例1中功能改性前木材表面电阻(C1样品，>1012Ω)和功能改性后木材表面电阻(K1样品，107Ω)的测试结果，功能改性后的木材的表面电阻从＞1012降到107Ω，防静电性能显著提升。
实施例2
本实施例基于低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，按以下步骤进行：
一、功能改性剂配制：称取600g甲基硅酸钠和8000g去离子水，浓度为7.0％，机械搅拌溶解，形成均匀溶液，pH＝11，即得多功能改性剂。
二、木材功能化处理：选取橡木为待处理实木，将橡木锯切成 910mm×120mm×5mm薄单板，将功能改性剂注入喷壶中，对单板上下表面进行喷涂2-3遍，在20℃的温度下陈放24h，即得超疏水抗菌耐候防静电多功能化单板。
经过实施例2方法功能改性后的木材具有凹凸微观构造；功能改性后木材增重率约为零，说明载药率极低。
如图4所示，为实施例2中功能改性后木材表面的水滴(K2样品)的照片，可可以看出经过功能改性后，木材表面具有疏水性；如图5所示，为实施例2中功能改性后木材表面的静态水接触角测试结果，功能改性后的木材表面静态水接触角为143.2°、滚动角10°，具有超疏水自清洁特性。
采用贴膜法，依据标准QB/T 4371-2012《家具抗菌性能的评价》测试抗菌性能，实施例2功能改性后木材的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率为＞99％，抗菌性能显著。
实施例2功能改性后木材表面无明显颜色改变。进行耐老化实验，放入紫外老化箱7天耐候实验，其木材表面静态水接触角仍可达130°，木材表面无明显颜色改变。
对实施例2中功能改性后木材表面电阻进行测试，K2样品的测试结果为107Ω，功能改性后的木材的表面电阻从1012Ω降到107Ω，防静电性能显著提升。
实施例3
本实施例基于低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，按以下步骤进行：
一、功能改性剂配制：称取100g甲基硅酸钠、300g甲基硅酸钾和10000g去离子水，浓度为3.8％，机械搅拌溶解，形成均匀溶液，pH＝11.5，即得多功能改性剂。
二、木材功能化处理：选取胡桃木为待处理实木，将胡桃木锯切成 1200mm×150mm×15mm，胡桃木先进行油漆涂饰。再将功能改性剂注入喷壶中，对木材上下表面进行淋涂2-3遍，在70℃的温度下陈放0.5h，即得超疏水抗菌耐候防静电多功能化木材。
经过实施例3方法功能改性后的木材具有凹凸微观构造；功能改性后木材增重率约为零，说明载药率极低。功能改性后木材表面的静态水接触角测试结果，功能改性后的木材表面静态水接触角为135°、滚动角7°，具有超疏水自清洁特性。
采用贴膜法，依据标准QB/T 4371-2012《家具抗菌性能的评价》测试抗菌性能，实施例3功能改性后木材的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率为＞99％，抗菌性能显著。
实施例3功能改性后木材表面无明显颜色改变。进行耐老化实验，放入紫外老化箱7天耐候实验，其木材表面静态水接触角仍可达128°，木材表面无明显颜色改变。
实施例3中功能改性后木材表面电阻为107Ω，功能改性后的木材的表面电阻从1012Ω降到107Ω，防静电性能显著提升。
本发明方法制备的功能改性木材具有超疏水抗菌耐候防静电的综合性能，可用作具有防静电及康养要求的室内外装饰、建筑材料。
本发明方法中有机硅处理剂为甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾低溶度水溶液 (2-8wt％)，采用真空加压浸渍法或表面喷涂法进行功能化处理，然后陈放干燥即得。本发明功能改性剂和方法具有成本低廉，操作简单，控制灵活、适用性广等特点，所得功能化木材具有超疏水、抗菌、耐候、防静电为一体的多功能，具有较强的推广及应用价值。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不对本发明构成任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性的词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可以扩展至其它所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (9)

1.一种低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备有机硅处理液：配制甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾的水溶液，作为低成本有机硅功能改性处理液；
(2)木材功能化处理：使用有机硅功能改性处理液，采用真空加压浸渍方法或表面喷涂方法，对木材进行处理。
2.根据权利要求1所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：所述的有机硅处理液，按质量份数，甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾为2-8份，去离子水为92-98份。
3.根据权利要求1所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：所述的真空加压浸渍方法包括如下步骤：木材经过气干后，放入容器中，注入有机硅功能改性处理液，使木材浸没在有机硅功能改性处理液中，然后将容器放入真空压力浸渍设备中，先抽真空，再施加一定的空气气压，然后取出木材，干燥后得到超疏水抗菌耐候防静电多功能化木材。
4.根据权利要求3所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：采用抽真空至-0.5MPa～-0.1Mpa，保持真空15min～30min；再施加0.8MPa～1.2MPa的空气气压，保持压力时间为30min～6h，然后取出木材，在20-70℃的温度下陈放6h～72h。
5.根据权利要求1所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：所述的表面喷涂方法适用于木材单板，包括如下步骤：将有机硅功能改性处理液喷涂在单板上、下表面，干燥后得到超疏水抗菌耐候防静电多功能化单板。
6.根据权利要求5所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：所述的木材单板的厚度为0.5mm～6mm。
7.根据权利要求5所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：将有机硅功能改性处理液喷涂在单板上、下表面2-3遍，在20-70℃的温度下陈放0.5h～24h。
8.根据权利要求1所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：所述的木材包括枫木、橡木、松木、榆木、桦木、榉木、橡胶木、杨木、樱桃木、核桃木、楠木和桉木。
9.根据权利要求1所述的低成本有机硅处理的多功能化木材的制备方法，其特征在于：对于需要油漆涂饰的木材，在步骤(1)之前，增加步骤(0)：先对木材进行油漆涂饰。
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