CN102152356A

CN102152356A - 用硅溶胶制备强化木材的方法

Info

Publication number: CN102152356A
Application number: CN2011100701328A
Authority: CN
Inventors: 林兰英; 傅峰; 彭立民; 陈志林; 卢克阳; 梁善庆; 张彦娟; 何盛
Original assignee: Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry
Current assignee: Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: CN102152356B

Abstract

本发明涉及一种用硅溶胶制备强化木材的方法，尤其是采用硅溶胶浸渍木材的制备技术。它的步骤为，硅溶胶原料的选取，硅溶胶调配，浸渍增强：向浸渍处理罐第一次抽真空，然后注入硅溶胶浸渍处理液，进行施压处理，施加压力为0.8兆帕～1.5兆帕，再进行第二次真空处理，最后取出经浸渍处理的木材；然后再进行养生，分级干燥；最后取出强化改性木材。从而，由于硅溶胶价格低廉，且稳定性极高，木材产品成本降低，又，硅溶胶中二氧化硅胶粒的粒径较小，且进入木材制备的复合木材性能均匀，木材细胞壁的力学性能明显改善，使木材产品的强度和硬度大为提高。

Description

用硅溶胶制备强化木材的方法

技术领域

本发明涉及一种用硅溶胶制备强化木材的方法，尤其是采用硅溶胶浸渍木材的制备技术。

背景技术

目前中国家具和地板行业产值位居世界第一，而高档的家具和地板行业主要是以实体木材为原料，这些原料多为具有高强度和良好尺寸稳定性的木材。随着人们对实体木材的需求日益增加，而可供消耗的高强度木材逐渐减少。近年来，我国供应的木材资源主要是人工林木材，这些木材的材质较差，强度低，且强度差异性较大，难以直接用作实木加工使用。为此，近年来常采用浸渍处理的方法来提高木材材质，提高其强度、硬度和抗皱缩性能。

浸渍处理，是指将浸渍液压入到木材内部，然后通过加热使处理液固化并沉积在木材内的过程。如中国专利ZL200810013225.5“合成树脂浸渍木材改性的工艺方法”、中国专利ZL201010214843.3“合成树脂浸渍木材改性的工艺方法”和美国专利USD4031276“酚醛树脂浸渍制备强化木材”(Preparation of densified wood impregnated with phenolic resins)。

以上方法的浸渍处理液均为合成树脂或改性的合成树脂(酚醛树脂)。通过浸渍处理和干燥固化后，合成树脂大部分沉积和填充在木材的细胞腔中，只有很少量的进入木材的细胞壁中。而木材是一种多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子复合材料，其超微结构是由不同厚度的层次组成的细胞壁，该细胞壁的性能才是决定木材性能的主要因素。因此，合成树脂物理填充在细胞腔中的处理方法对木材强度和尺寸稳定性的改善是有限的。此外，由于木材细胞壁上的空隙直径为1～50纳米，浸渍处理的合成树脂很少能进入木材的细胞壁壁层内，达到整体木材整体浸润的效果，易造成产品性能不均匀等问题。再者，进入木材细胞腔中的合成树脂本身的强度和硬度分别为3.1GPa和0.1GPa，远低于未处理木材细胞壁的强度和硬度，所以，即使少量合成树脂进入了木材细胞壁内，对木材强度和硬度的作用也不明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种用硅溶胶制备强化木材的方法，主要是用硅溶胶作为浸渍处理液代替常规的合成树脂或改性的合成树脂(酚醛树脂)，并且进行浸渍增强处理，使大量的硅溶胶沉积在木材的细胞壁壁层。

本发明的目的是这样实现的：

一种用硅溶胶制备强化木材的方法，它的步骤是：

1)硅溶胶原料的选取：选取硅溶胶pH(氢离子浓度指数)值为8～11，密度为1.15～1.35g/cm³，二氧化硅含量在10％～35％，二氧化硅的粒径集中在5～40纳米之间的碱性硅溶胶；

2)硅溶胶调配：将硅溶胶用盐酸调配，将硅溶胶pH值调节到6.5～7.5，获得硅溶胶浸渍处理液；

3)浸渍增强：将含水率为8％～30％的木材放入浸渍处理罐中，向浸渍处理罐第一次抽真空10～30分钟，真空度为-0.080兆帕～-0.095兆帕，然后注入硅溶胶浸渍处理液，进行施压处理，施加压力为0.8兆帕～1.5兆帕，保持30～60分钟，然后解除压力，将压力浸注罐中的硅溶胶处理液返回到溶液贮槽中；再进行第二次真空处理，真空度为-0.080兆帕～-0.095兆帕，处理时间为5～20分钟；最后取出经浸渍处理的木材；

4)养生：将上述浸渍处理后的木材放于室温条件下堆放24小时以上，层间放置木隔条；

5)分级干燥：将养生后的木材放入烘箱中，在该木材间放置隔条；先在30℃的温度下强制对流干燥3～6小时，再升温至80℃，强制对流干燥1～6小时，然后升温至100～105℃，强制对流干燥3～6小时，最后取出强化改性木材。

所述硅溶胶原料的选取：选用市售的碱性硅溶胶，该硅溶胶的pH值为8，密度为1.21g/cm³，二氧化硅含量为25％，二氧化硅颗粒的粒径集中在8～20nm之间。

所述硅溶胶调配：硅溶胶pH值为7.22。

所述浸渍增强处理：将含水率为15％的人工林杉木木材放入浸渍处理罐中，向浸渍处理罐抽真空10分钟，真空度为-0.095兆帕。

所述分级干燥：将养生后的木材在30℃的温度下强制对流干燥5小时，再升温至80℃，强制对流干燥4小时，然后升温至103℃，强制对流干燥5小时。

本发明的目的有益效果是：由于硅溶胶价格低廉，且稳定性极高，木材产品成本降低，又，硅溶胶中二氧化硅胶粒的粒径较小，且进入木材制备的复合木材性能均匀，木材细胞壁的力学性能明显改善，使木材产品的强度和硬度大为提高。

具体实施方式

下面结合典型实施例对本发明作进一步说明。

本发明的硅溶胶制备强化木材的方法，其步骤如下：

1)硅溶胶原料的选取：选用市售的碱性硅溶胶，该硅溶胶的pH值约为8，密度约为1.21g/cm³，二氧化硅含量约为25％，二氧化硅颗粒的粒径集中在8～20nm之间，粒径分布均匀。然后，将此硅溶胶用滤网过滤，以去除市售硅溶胶中的可能悬浮物杂质。选取市售的硅溶胶pH为8～11，密度为1.15～1.35g/cm³，二氧化硅SiO₂含量在10％～35％，SiO₂的粒径集中在5～40纳米之间的碱性硅溶胶为原料。

硅溶胶是二氧化硅微粒均匀分散在水中的胶体溶液。与合成树脂相比，硅溶胶具有较高的物理力学性能，常用作增强处理剂和耐磨处理剂；同时，硅溶胶具有较大的比表面积，比表面积一般为250～300m²/g，具有较大的吸附性，容易通过毛细作用浸润木材，并与木材细胞壁壁层的化学成分形成稳定的化学键；硅溶胶的粒径范围是5～40纳米，浸渍过程中能够通过木材细胞壁壁层的微孔，沉积在木材的细胞壁壁层。此外，硅溶胶是无色、无臭、透明的胶体溶液，与合成树脂相比，不存在甲醛等有害、有毒物质，且价格低廉，易于获得。

2)硅溶胶调配：在室温条件下，在电动搅拌机的搅拌下向盛有硅溶胶的容器内加入盐酸，获得pH值为7.22的溶液。此溶液即为制备强化复合木材的浸渍液。

3)浸渍增强处理：将规格为500毫米×80毫米×20毫米，含水率为15％的人工林杉木木材放入浸渍处理罐中，关好罐门，开启真空泵，真空度达到目标压力时，将处理液真空吸入处理罐内，向浸渍处理罐抽真空10分钟，真空度为-0.095兆帕，以抽出木材细胞腔中的空气，使得木材容易被处理液浸注，并且减少在卸压时处理液反冲出来，保留较多的处理液在木材中。

然后关闭真空泵，进行施压处理，施加压力为1.0兆帕，保持40分钟，使处理液被深深地压入木材中，木材不再吸收处理液。如果在木材浸渍未达到饱和之前关掉真空泵，那么浸注罐中残留下来的空气就被压缩到浸注罐的上部，那么当继续加处理溶液时，这些气体就会充填到处理罐上部木材中在抽真空时被抽空了的空间，这样就使这部分木材吸收较少数量的处理液，造成同一批次处理的木材上下不均匀的结果。

然后解除压力，将压力浸注罐中的处理溶液返回到溶液贮槽中；再一次接通真空泵，进行第二次真空处理，真空度为-0.095兆帕，处理时间为5分钟；最后解除真空，打开罐门，取出经浸渍处理后的湿材。

4)养生：将浸渍处理后的杉木湿材放于室温条件下堆放24小时，层间放置木隔条。

5)分级干燥：将养生后的木材放入烘箱中，木材间放置隔条；先在30℃的温度下强制对流干燥5小时；再升温至80℃，强制对流干燥4小时；然后升温至103℃，强制对流干燥5小时；最后停止干燥，打开烘箱，取出强化改性木材。

经本发明强化改性后的杉木复合木材的抗弯强度平均值为87.70MPa，抗弯弹性模量平均值为12.41GPa，端面、弦面和径面的硬度分别提高了34.62％，49.15％和53.45％。

本发明具有如下优点：

1.本发明工艺简单、成本低廉。由于本发明所选用的浸渍处理液的原料是碱性硅溶胶，其优点是价格低廉，易于获得，且稳定性极高，存放周期为1年左右，使用硅溶胶为原料极大降低了制造成本。

2.碱性硅溶胶的外观呈淡青色，无臭、无毒，且能够均匀、稳定地分散在水中，因此通过强化处理后的复合木材不改变木材原有材色和纹理；与常规的合成树脂浸渍相比，没有游离甲醛等污染的存在。

3.硅溶胶中二氧化硅胶粒的粒径较小，且分布均匀，SiO₂的粒径集中在5～40纳米之间。因此硅溶胶微粒可以进入木材的细胞壁壁层内，与细胞壁物质发生化学结合，制备的复合木材性能均匀，且细胞壁的力学性能得到了明显改善。

Claims

1.一种用硅溶胶制备强化木材的方法，其特征在于，它的步骤是：

1)硅溶胶原料的选取：选取硅溶胶pH值为8～11，密度为1.15～1.35g/cm³，二氧化硅含量在10％～35％，二氧化硅的粒径集中在5～40纳米之间的碱性硅溶胶；

2.根据权利要求1所述的一种用硅溶胶制备强化木材的方法，其特征在于：所述硅溶胶原料的选取：选用市售的碱性硅溶胶，该硅溶胶的pH值为8，密度为1.21g/cm³，二氧化硅含量为25％，二氧化硅颗粒的粒径集中在8～20nm之间。

3.根据权利要求1所述的一种用硅溶胶制备强化木材的方法，其特征在于：所述硅溶胶调配：硅溶胶pH值为7.22。

4.根据权利要求1所述的一种用硅溶胶制备强化木材的方法，其特征在于：所述浸渍增强处理：将含水率为15％的人工林杉木木材放入浸渍处理罐中，向浸渍处理罐抽真空10分钟，真空度为-0.095兆帕。

5.根据权利要求1所述的一种用硅溶胶制备强化木材的方法，其特征在于：所述分级干燥：将养生后的木材在30℃的温度下强制对流干燥5小时，再升温至80℃，强制对流干燥4小时，然后升温至103℃，强制对流干燥5小时。