CN1489512A - 呋喃聚合物浸渍木材 - Google Patents

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Abstract

描述了呋喃聚合物浸渍木材，其包括用可聚合糠醇单体溶液浸渍的木材，所述溶液包含至少水、稳定剂和糠醇和至少一种另外的化合物，该化合物选自酸酐、酸和其混合物。还描述了制备呋喃聚合物浸渍木材的方法和其用途。

Description

呋喃聚合物浸渍木材
本发明涉及一种呋喃聚合物浸渍木材，其在整个处理区域中具有均匀的颜色和密度。为了制备聚合物浸渍木材，将原料木材用可聚合糠醇单体溶液浸渍，该溶液包含至少水、稳定剂和糠醇和至少一种另外的化合物。本发明还涉及制备呋喃聚合物浸渍木材的方法和其用途。
目前，木材主要借助于使用有毒的防腐剂进行化学防腐(防止生物腐蚀)。这些防腐剂中大多数还对环境中其他生物体、包括人具有毒性。即使它们被较好地固定在木材中，它们的存在也在最终使用中产生问题。目的在于利用环境更友好的化学品的两个途径是：i)使用低毒的水溶性盐，和ii)使用无毒的化学品，其与木材细胞壁反应并且改变木材细胞壁，使它们不易被生物腐蚀。
途径i)的缺点是这样的盐通常在与水接触时从木材浸出，因此限制了它们的使用。已经以这种方式使用了硼和铜化合物。它们的有利之处在于，某些这样的盐起阻燃剂的作用，同时能够降低生物腐蚀。
途径ii)的一个例子是Schneider(NO-A-20005137)公开的先有发明，其主题是基于糠醇(FA)的处理制剂。该先有发明使用了未稀释的处理溶液，并且处理的木材具有高水平的保留。对于比重接近0.30的木材(例如松木)，化学品的保留可以接近干燥木材重量的200％。对于较致密的木材(比重大约0.60，例如枫木和山毛榉)，保留可以在100％范围内。该保留水平显示出优异的生物腐蚀保护性能、在变化的水分条件下的高尺寸稳定性和大多数机械性能、尤其是硬度的提高。该处理的主要缺点是使用大量的化学品并导致成本增加。
糠醇是高度水溶性的，因此易于与水形成均匀溶液，其可用于浸渍木材。因此，易于生产水分含量不同的FA浸渍溶液。然而，在生产有用的木材聚合物复合材料之前，还必须解决一些问题。首先，在渗透到木材中之后，该溶液必须经过聚合才有用。第二，所述聚合必须在湿的或者干燥的木材中进行。第三，所述聚合必须在相当低的温度下进行。
因此，必须将化学引发剂加入FA，使其在要求的温度范围内和在湿的或者干燥的木材中聚合。从NO-A-20005137中可以获知如何引发FA和使其在要求的温度范围内聚合。然而，根据该技术引发的FA不能与水良好地混合。梳理(Combing)它们会使混合物分离成两个组分，其不能均匀地渗透到木材中。
本发明的一个目的是通过用与公开于NO-A-20005137中的相同的化学单体、但使用较小量的化学品来改变木质细胞壁，而提供呋喃聚合物浸渍木材。
本发明的另一目的是提供化学品在呋喃聚合物浸渍木材中均匀分布的方法，该方法使整个处理区域具有均匀的颜色和密度，其中使用水作为环境友好的和对生产有利的稀释剂，其使活性化学品在木材的处理区域中具有均匀而低的保留。
本发明的再一个目的是提供在尺寸稳定性、抗腐性等方面性能改进的呋喃聚合物浸渍木材。
根据本发明，上述及其他目的通过公开于本专利申请权利要求中的产品、方法和用途得到实现。
在本发明的一个实施方案中，提供了呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于用可聚合糠醇单体溶液浸渍的木材，该溶液包含至少水、稳定剂、糠醇和一种另外的化合物，该化合物选自马来酸酐、邻苯二甲酸酐、马来酸、苹果酸、邻苯二甲酸和其混合物。
在本发明的另一实施方案中，提供了制备呋喃聚合物浸渍木材的方法，其特征在于，所述木材通过一个用可聚合糠醇单体溶液浸渍的步骤浸渍，所述溶液包含至少水、稳定剂和糠醇和至少一种另外的化合物，该化合物选自酸酐、酸和其混合物，然后进行固化步骤。
在本发明另一实施方案中，提供了权利要求1到7任何一项的或者按照权利要求8到12任何一项制造的呋喃聚合物浸渍木材的用途。
本发明的两个关键是：1)使用一种或多种起新引发剂作用的化学品和2)使用能使引发的单体具有水溶性的稳定剂。这些引发剂具有与糠醇类似的对木材的亲合性，因此与糠醇渗透一样深地进入该木材并保留在溶液中。无论溶液渗透到何处，其都是可聚合的。该引发剂选自任何含酸酐的化合物以及选自马来酸、苹果酸、邻苯二甲酸和硬脂酸的酸。然而，优选使用选自马来酸酐、苹果酸酐、邻苯二甲酸酐和其混合物的化合物。更优选，使用马来酸酐或者邻苯二甲酸酐或者其混合物，最优选马来酸酐或者邻苯二甲酸酐。所述稳定剂是硼砂和木素磺酸。为了生产处理溶液，将至少一种该引发剂、优选这些引发剂中仅仅一种和两种所述稳定剂溶于水中。然后加入糠醇，形成具有在室温下有效期为几个月的溶液。
如果需要限制表面浸渍或者横切面渗透，可以使用刷涂、滚轧、喷雾或者浸泡。
对于易于浸透的木材，当需要深渗透时，可以仅仅使用真空。对于深而均匀的渗透，存在三种选择：a)单独的压力(1到10巴)、b)真空，然后压力(充细胞法)、c)大气压力或者低的压力(1巴)，然后压力，然后最终真空(空细胞法)。
对于难于渗透的木材，如云杉，可以使用波动压力方法。
所有这些方法的时间取决于许多因素，包括设备能力、木材尺寸、木材种类和需要的渗透程度。
本发明通常使用的浸渍法(充细胞法)通常取决于需要的处理负载，例如以下所示：
i)在容器中装载木材，固定该负载，使其不会浮动(如果使用风压，即不是流体压力泵系统)，
ii)关闭门路和抽成适当的部分真空，
iii)用处理溶液装填容器，
iv)对浸没的木材加压，根据木材种类或者其他因素，至7到10巴(100-150psi)的压力范围，加压30到60min，
v)在压力下经过足够的时间之后，减压至2或者3巴，然后用剩余压力排出处理液，
vi)将处理容器抽成完全真空，然后保持大约15min，
vii)释放真空，然后加压至2巴，
viii)排出处理液(其在步骤iv中从细胞腔除去)，
ix)释放全部压力，打开门路，然后将处理的木材移至固化区域。
在要处理的区域中，木材的水分含量必须低于纤维饱和点(大约30％MC)。低得越多，能够浸渍的化学品越多。如果需要特定目标量的化学品，则必须考虑木材的水分含量和浸渍的溶液的量，并且处理化学品的浓度必须据此调节。
将处理溶液混合，其可以包含，基于一定量的水的重量：硼砂(3％)、马来酸酐(2.3％)、木质磺酸的钠盐(5.5％)和糠醇(30.0％)。
该混合操作中，首先将水加热至大约60℃，以便于加入硼砂、马来酸酐和木质磺酸组分。当这些固体添加剂完全溶于水时，将溶液冷却到20-25℃，然后在搅拌下混入糠醇，然后在15-20℃温度下贮藏。
固化可以在一定温度范围、从大约25℃到大约140℃内进行。较低的温度(低于大约40℃)需要长的固化时间(数天或者数周)。在大约70℃到大约100℃，固化时间为数小时。高于100℃，时间甚至更短，但是条件困难，因为可能会迅速干燥并且使木材断裂。
按照本发明，水蒸汽或者热的湿空气在大约70-100℃的温度范围中固化，在该范围内的固定温度下可得到好的结果。同样，在固化和干燥进行时，温度可以被提高。基本上，这是窑内烘干操作的常规温度。在热油中固化和干燥，在70到120℃的温度下，同样可以得到好的结果，无论在该范围内的固定温度下，还是在固化和干燥进行时在该范围内提高温度。在该温度范围中，在所用的糠醇/引发剂比例下，糠醇将容易地固化。10到20mm厚的材料将在仅仅两个或三个小时内固化，但是干燥到终期含水量将需要较长的时间。
所述起始材料是木质材料，通常为木料，其包括厚木板(厚木料)，但是也可以是木材复合材料，例如取向的木丝板和刨花板。可以使用任何尺寸的木质材料。
木质材料的长度是重要的，因为处理溶液沿着长度移动非常快，但是跨越横截面非常慢。对于可渗透的木材如山毛榉和桦树，处理的均匀性由处理溶液沿着长度移动时其保持均匀的好坏决定。当浸渍完成时，通过这一方法形成的可渗透的木质材料具有总体均匀的性能。颜色、耐湿性和老化和机械性能完全一致。这样处理的木料碎片的性能和颜色取决于获得的聚合物的填充量。不同种类的木材和甚至相同种类但不同的板材可以进行不同的浸渍。然而，耐湿性和变质很少受填充量的影响。
木质材料，包括便宜的类型和废料，可用于产生贵重的木制品，例如仿制柚木、红木、藤等，并且还为它们提供了新颖的性能，如耐水性和较为简单和减少的维护要求。
以下实施例将进一步举例说明本发明。
进行了改变引发剂类型的尝试，制备了能够产生具有有用的贮存期限的水溶性可固化混合物的混合物。经过许多试验之后，清楚了以下要点：
1.马来酸酐(MA)是最好的聚合引发剂。其还是希望的组分，因为其被认为起木材粘合剂的作用。
2.为了保持混合物均匀，稳定剂是需要的。否则，其分离成两种组分，一种下沉到底部。
3.pH必须接近中性，以便形成和保持均匀、稳定的混合物。
4.pH必须在酸性的一面，以便进行固化。
作为稳定剂，试验了表面活性剂和相容剂。硼砂(十水四硼酸钠)能够生产可以良好地渗透木材的均匀混合物，因此成为稳定剂的一种选择。在某些混合物中，使用其他化合物、例如氢氧化钠提供更强的缓冲，以便控制pH，以助于保持匀质的混合物。这样的化合物必须在木材浸渍前保持它们的缓冲能力。然后，pH下降是必要的，以便于固化。
改变混合物中MA引发剂和硼砂稳定剂对用它们处理的木材的某些物理性能的影响示于表1中。
表1.单体混合物浓度和对木材性质的影响。
            处理制剂                                  固化材料
      基于溶液的加入量％         ％溶胀        ％重量增加       ％水溶胀        ％ASE
FA MA 硼砂 总量 松树 山毛榉 松树 山毛榉 松树 山毛榉 松树 山毛榉
水 0 0 0 0 1.7 2.2 -0.8 -0.4 9.8 17 0 0
4.8 1.9 1.9 8.3 2.4 2.9 NA NA 8.6 16 12 6
9.1 2.7 2.7 13.8 3.0 3.6 8.2 6.3 7.3 15 26 12
16.7 3.2 3.2 21.9 4.2 6.0 14.0 10.2 6.8 14 31 18
23.1 3.7 3.7 28.6 5.7 7.0 20.5 14.6 6.3 12 36 29
23.1 5.1 5.1 30.6 5.7 7.0 NA NA NA NA 36 29
28.6 4.1 4.1 34.2 6.9 7.1 26.9 17.6 4.6 13 53 24
33.3 4.5 4.5 39.0 5.5 7.3 30.9 16.1 5.5 11 44 35
引发的FA 93.9 6.5 0 NA 8.1 11.5 57.4 36.3 4.1 7 58 59
注释：斜体值是内插的或由内插值计算的。％溶胀是固化后的残余溶胀。％重量增加是固化后的重量增加。水溶胀是在23℃下在液体水中的最大溶胀，ASE是固化材料在液体水中的抗溶胀效果或溶胀延迟％(基于水溶胀数据)。
为了有用，该混合物必须浸渍到整个木材中然后完全固化，得到均匀产品。选择了包含23.1％FA和MA和硼砂各5.1％的单体混合物，用于处理的均匀性试验。结果示于表2。
表2.处理样品的均匀性结果。
                                  欧洲赤松
样品 ％soln吸收 ％poly吸收 溶液重量 聚合物重量 ％固体
1 146.2 37.9 14.58 3.78 20.6
2 138.8 38.0 14.69 4.02 21.5
3 151.0 38.9 14.92 3.84 20.5
4 147.0 41.7 14.67 4.16 22.1
5 152.1 38.3 15.00 3.78 20.1
6 140.4 41.2 14.59 4.28 22.7
7 165.3 48.3 15.44 4.51 22.6
8 147.9 41.6 14.89 4.19 22.0
9 143.9 40.4 14.95 4.20 21.9
10 148.9 44.0 14.71 4.35 22.8
148.2 41.0 14.84 4.11 21.7
                               山毛榉
样品号 ％soln吸收 ％poly吸收 溶液重量 聚合物重量
1 115.8 25.1 14.36 3.11
2 118.2 25.6 14.24 3.09
3 121.6 26.4 14.49 3.14
4 113.9 24.7 14.21 3.08
5 114.5 24.8 14.28 3.10
6 112.3 24.3 14.09 3.05
7 122.3 26.5 14.60 3.16
8 111.4 24.1 14.30 3.10
9 130.9 28.4 14.93 3.24
10 127.7 27.7 14.95  3.24
118.8 25.8 14.45 3.13
注释：重量以克为单位，soln是溶液(仍为液体)，poly是聚合物(固化后)，％固体是转化为聚合物的溶液。
浓度研究说明，被引入木材的、浓度在大约8％和39％之间的溶液在浸渍时逐渐使木材尺寸增大、聚合物载量增大和抗溶胀效果提高。表3中对比了选择用于下一步工作的浓度(31％)和测试的最高浓度水溶液(39％)的值与未稀释的、引发的FA的值。
表3.木材性能的最大值(94％FA溶液)和稀释的值(31％和39％溶液)之间的关系。
                      最大值的％(94％FA)
           松树            山毛榉
％soln 溶胀 聚合物 ASE 溶胀 聚合物 ASE
31 70 NA 61 61 NA 50
39 68 54 75 63 45 60
这些结果说明，对于大约30％的木材中的聚合物量，对于较低密度的木材(松树)，全载荷将使材料具有60％的耐溶胀性，而对于高密度木材(山毛榉)，将使材料具有大约50％的耐溶胀性。因此，首先认为，存在于木材中的聚合物，对于防止溶胀，比其量更有效。
耐腐性
用该技术处理木材的主要原因是使其耐生物腐蚀，特别是由木腐菌所引起的腐蚀。为了测试耐腐性，将50mm长和15mm乘25mm横截面的样品用23.1％FA和MA和硼砂各5.1％的溶液处理。然后，按照欧洲标准EN113，将它们暴露于各种褐腐菌和白腐菌。试验结果示于表4中。
表4.腐蚀试验结果
松木样品
菌   Conioforaputeana 白腐木菌placenta   Gleophyllumtrabeum   栓菌属杂色
％重量损失 1.5 2.0 4.2 0.3
5.7 -3.7 5.7 -1.4
5.3 2.4 1.2 1.6
6.6 -5.0 0.6 -1.3
0.1 2.0 -2.0 0.9
0.8 -3.1 -3.8 1.7
1.3 2.2 0.9 -5.1
0.8 -5.8 0.8 1.2
平均 2.8 -1.1 1.0 -0.3
总平均 0.6
出毛榉样品
菌   Conioforaputeana 白腐木菌placenta     Gleophyllumtrabeum     栓菌属杂色
％重量损失 0.5 6.0 0.9 7.5
2.4 3.1 4.8 3.7
-2.1 3.8 5.9 3.5
2.3 5.1 3.4 1.7
1.0 -1.6 -2.9 0.1
1.7 0.5 -1.3 0.3
2.5 0.2 0.4 1.1
5.8 2.9 -1.3 -1.8
平均 1.8 2.5 1.2 2.0
总平均 1.9
每种菌和两个种属情况下的重量减轻表明，按照Standard EN113，处理的木材对于腐蚀分级为《高度抗腐蚀的》。
发现，大约30％浓度的溶液为木材提供了潮湿和腐蚀保护。然而，其他浓度也会提供改进的性能。对于有用的保护范围，建议使用以下水溶液百分比范围：
FA MA 硼砂 NaOH
低值 高值 低值 高值 低值 高值 低值 高值
2 90 2 5  1 5 1 5

Claims (13)

1.一种呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于用可聚合糠醇单体溶液浸渍的木材，所述溶液包含至少水、稳定剂、糠醇和一种另外的化合物，该化合物选自马来酸酐、邻苯二甲酸酐、马来酸、苹果酸、邻苯二甲酸和其混合物。
2.权利要求1的呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于所述一种另外的化合物是马来酸酐。
3.权利要求1的呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于所述一种另外的化合物是邻苯二甲酸酐。
4.权利要求1的呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于所述一种另外的化合物是马来酸。
5.权利要求1的呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于所述一种另外的化合物是苹果酸。
6.权利要求1的呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于所述一种另外的化合物是邻苯二甲酸。
7.前述权利要求任何一项的呋喃聚合物浸渍木材，其特征在于所述稳定剂是硼砂和木素磺酸的钠盐。
8.制备呋喃聚合物浸渍木材的方法，其特征在于，将木材通过一个使用可聚合糠醇单体溶液浸渍的步骤浸渍，所述溶液包含至少水、稳定剂和糠醇和至少一种另外的化合物，所述化合物选自酸酐、酸和其混合物，然后进行固化步骤。
9.权利要求8的方法，其特征在于所述固化通过利用在大约70到大约140℃范围内的温度来进行。
10.权利要求9的方法，其特征在于，所述固化需要常规窑内烘干，其中使用用于干燥未处理的、具有与浸渍材料同样尺寸和种类的生材的正常温度程序，温度在固化开始时为大约70℃和终了时为大约80℃，最后的后固化步骤在100到120℃之间，以获得具有最大硬度和干燥度的材料。
11.权利要求10的方法，其特征在于，所述固化和干燥可以使用高温干燥基准表在80到120℃温度范围内完成。
12.权利要求11的方法，其特征在于，固化通过将处理的材料浸没在优选80到120℃的热油中进行，其中温度或者固定或者从所述范围中较低的温度开始并且在固化和干燥进行时提高。
13.按照权利要求8到12制备的呋喃聚合物浸渍木材在以下方面中的用途：建筑部件(招牌、檐板、板壁、底木、支架、构件)、船部件(支架、厚板、甲板)、船舶物品(船坞、码头、龙虾笼、溢流堰杆)、室外物品(家具、盖板、围栏和楼梯、人行道、木板路、运动场设备)、架桥器材(横梁、围栏、桥面)、铁路枕木、冷却塔横梁、公告杆、大木料、围栏柱、桩、公路物品(护栏柱、护栏板、标志柱、灯杆)和容器(槽、桶)。
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