CN104044193A - 一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法,以三聚氰胺、甲醛、尿素和可溶性硅酸钠为主要原料，以聚乙烯醇和二甘醇分别为增韧剂和稳定剂，制备出一种树脂型硅酸盐木材改性剂，使该改性剂可长期、稳定地储存，实现重复循环利用。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、密度、表面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和耐磨性得到大幅提高，同时具有阻燃功能，而且环保，对人体和环境无公害，处理后木材中改性剂的抗流失性也得到增强，提高了人工林木材的应用价值的优点。

Description

一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法

 

技术领域

本发明属于一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法。

背景技术

多年来，我国人工林资源面积一直稳居世界首位。然而，由于人工林木材生长周期短，变异性大，往往材质软、密度小、强度低（如杨木、杉木等），其应用范围受到很大限制，产品附加值低。采用水溶性低分子量三聚氰胺甲醛树脂溶液浸渍处理木材，可大幅提高其密度、尺寸稳定性、抗弯强度和弹性模量等物理力学性能，是一种有效的木材改性方法。然而，这种树脂改性剂也存在稳定性差、难以长期储存、降低木材韧性、功能相对单一、成本较高等缺陷或问题，所以不利于推广。水溶性硅酸钠溶液比该树脂改性液的成本低1倍以上，除了可提高木材的硬度和耐磨性，还可赋予木材良好的阻燃功能。但该无机盐改性剂吸湿、不耐水，导致处理材尺寸不稳定，改性剂容易流失。如果将有机水溶性树脂和无机硅酸盐相结合，同时加入有机醇类物质，提高其稳定性和韧性，两者优势互补，形成一种可长期储存和重复利用的低成本多功能木材改性剂，则有望替代当前市场中功能单一、成本较高的改性处理液，全面改观人工林木材的物理力学性能和阻燃性能，对实现人工林木材的增值高效利用和我国森林资源的可持续发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是设计一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法, 能使经过该改性剂处理的人工林木材的尺寸稳定性、密度、表面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和耐磨性得到大幅提高，同时具有阻燃功能，而且环保，对人体和环境无公害，处理后木材中改性剂的抗流失性也得到增强，提高了人工林木材的应用价值的优点。 

为此, 本发明的树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法,步骤如下：

（1）按照三聚氰胺、甲醛、尿素摩尔比为1:2~3:0.2~1.0的配比备料，可溶性硅酸钠溶液加入量为三聚氰胺的20%~50%，聚乙烯醇和二甘醇加入量分别为甲醛的0.1%~5%和10%~30%，催化剂为氢氧化钠和乙酸溶液，质量百分比浓度分别为20%和10%，甲醛和硅酸钠溶液的质量百分比浓度分别为37%和30%；

（2）将甲醛和聚乙烯醇加入反应釜中，升温至50~60℃，搅拌均匀后用乙酸调节溶液pH值为4.0~5.0，温度保持在60～70℃，反应10～30分钟，得到甲醛和聚乙烯醇缩甲醛的混合液；

（3）用氢氧化钠调节该混合液pH值为8.0~9.0，加入三聚氰胺和二甘醇，温度保持在70～80℃，反应40～60分钟，得到甲醛、聚乙烯醇缩甲醛和经二甘醇醚化后的三聚氰胺甲醛树脂的混合液；

（4）将三聚氰胺甲醛树脂的混合液温度降低至60～70℃，加入尿素，反应10～20分钟，得到聚乙烯醇缩甲醛和经二甘醇醚化后的三聚氰胺甲醛树脂以及少量脲醛树脂的混合液。

（5）将三聚氰胺甲醛树脂以及少量脲醛树脂的混合液温度降低至50～60℃，加入可溶性硅酸钠溶液，继续反应，当该反应液与水的混合倍数为1:3～10时，降低温度至40℃以下，并用氢氧化钠调节该反应液pH值为9.5~10.5，得到树脂型硅酸盐溶液；

（6）将含水率为10%或以下的人工林木材放入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内负压为-0.1～-0.08MPa，保持30～60分钟；

（7）将合成的树脂型硅酸盐溶液加入水后，使其固含为15%～30%，利用浸渍处理罐内的负压作用将树脂型硅酸盐溶液完全淹没木材且注入木材中，解除真空，向罐体内施加0.6～-2.0MPa的气压，保持1～4小时。

（8）解除压力，将剩余的树脂型硅酸盐溶液排出、储存、重复使用，将处理材移出罐外，气干至含水率50%以下后，移至干燥窑进行烘干，干燥温度40～80℃，干燥时间7～20天，最终得到含水率为5%～8%的改性处理材。

所述的人工林木材为杨木，柳木，杉木，柳杉木。

上述方法达到了本发明的目的。

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、密度、表面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和耐磨性得到大幅提高，同时具有阻燃功能，而且环保，对人体和环境无公害，处理后木材中改性剂的抗流失性也得到增强，提高了人工林木材的应用价值的优点。

本发明以三聚氰胺、甲醛、尿素和可溶性硅酸钠为主要原料，以聚乙烯醇和二甘醇分别为增韧剂和稳定剂，制备出一种树脂型硅酸盐木材改性剂，通过真空加压浸渍处理，使人工林杨木、杉木等木材的尺寸稳定性、密度、表面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和耐磨性得到大幅提高，同时赋予木材良好的阻燃功能，而且环保，对人体和环境无公害，处理后木材中改性剂的抗流失性也得到增强，使处理材可广泛用于地板、门窗、墙板、家具等产品的加工，大大拓宽了人工林木材的应用范围，真正实现了劣材优用。且该改性剂可较长期、稳定地储存，实现重复循环利用。

具体实施方式

一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法，步骤如下；

(（1）按照三聚氰胺、甲醛、尿素摩尔比为1:2~3:0.2~1.0的配比备料，可溶性硅酸钠溶液加入量为三聚氰胺的20%~50%，聚乙烯醇和二甘醇加入量分别为甲醛的0.1%~5%和10%~30%，催化剂为氢氧化钠和乙酸溶液，质量百分比浓度分别为20%和10%，甲醛和硅酸钠溶液的质量百分比浓度分别为37%和30%；

（2）将甲醛和聚乙烯醇加入反应釜中，升温至50~60℃，搅拌均匀后用乙酸调节溶液pH值为4.0~5.0，温度保持在60～70℃，反应10～30分钟，得到甲醛和聚乙烯醇缩甲醛的混合液；

（3）用氢氧化钠调节该混合液pH值为8.0~9.0，加入三聚氰胺和二甘醇，温度保持在70～80℃，反应40～60分钟，得到甲醛、聚乙烯醇缩甲醛和经二甘醇醚化后的三聚氰胺甲醛树脂的混合液；

（4）将三聚氰胺甲醛树脂的混合液温度降低至60～70℃，加入尿素，反应10～20分钟，得到聚乙烯醇缩甲醛和经二甘醇醚化后的三聚氰胺甲醛树脂以及少量脲醛树脂的混合液。

（5）将三聚氰胺甲醛树脂以及少量脲醛树脂的混合液温度降低至50～60℃，加入可溶性硅酸钠溶液，继续反应，当该反应液与水的混合倍数为1:3～10时，降低温度至40℃以下，并用氢氧化钠调节该反应液pH值为9.5~10.5，得到树脂型硅酸盐溶液；

（6）将含水率为10%或以下的人工林木材放入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内负压为-0.1～-0.08MPa，保持30～60分钟；

（7）将合成的树脂型硅酸盐溶液加入水后，使其固含为15%～30%，利用浸渍处理罐内的负压作用将树脂型硅酸盐溶液完全淹没木材且注入木材中，解除真空，向罐体内施加0.6～-2.0MPa的气压，保持1～4小时。

（8）解除压力，将剩余的树脂型硅酸盐溶液排出、储存、重复使用，将处理材移出罐外，气干至含水率50%以下后，移至干燥窑进行烘干，干燥温度40～80℃，干燥时间7～20天，最终得到含水率为5%～8%的改性处理材。

所述的人工林木材为杨木，柳木，杉木，柳杉木。

一种树脂型硅酸盐木材改性剂的制备方法，步骤如下：

按照三聚氰胺、甲醛、尿素摩尔比为1:2~3:0.2~1.0的配比备料，可溶性硅酸钠溶液加入量为三聚氰胺的20%~50%，聚乙烯醇和二甘醇加入量分别为甲醛的0.1%~5%和10%~30%，催化剂为氢氧化钠和乙酸溶液，质量百分比浓度分别为20%和10%，甲醛和硅酸钠溶液的质量百分比浓度分别为37%和30%。将甲醛和聚乙烯醇加入反应釜中，升温至50℃，搅拌均匀后用乙酸调节溶液pH值为5.0，温度保持在60℃，反应20分钟。用氢氧化钠调节溶液pH值为9.0，加入三聚氰胺和二甘醇，温度保持在75℃，反应60分钟。降低温度至60℃，加入尿素，反应20分钟。降低温度至50℃，加入硅酸钠溶液，继续反应。当反应液与水的混合倍数为1:5时，降低温度至30℃，并用氢氧化钠调节溶液pH值为10.0，得到树脂型硅酸盐浸渍改性液。

按照GB/T 14074-2006 《木材胶黏剂及其树脂检验方法》测试该树脂型硅酸盐改性液的各项性能指标如下：

外观：无色均匀液体；

固体含量：54.6%；

pH值：10.0；

粘度：26～55 mPa·s；

游离甲醛含量：0.15%；

水混合倍数：4～5倍；

储存期：30～60天。

经本发明外理的人工林木检测数据如下：

将规格为2000mm×200mm×25mm（纵向×弦向×径向）、含水率为10%的人工林杨木板材规整地码放于浸渍处理罐体中，并将板材加以固定，关闭处理罐，开始抽真空，使罐体内部达到-0.096MPa的负压状态，保持45min；将合成的浸渍改性液加入水后，使其固含为20%，利用浸渍处理罐内的负压作用将改性液注入并完全淹没木材，解除真空，向罐体内施加0.8MPa的气压，保持2小时。解除压力，将剩余改性液排出，将处理材移出罐外，气干至含水率50%以下后，移至干燥窑在40～80℃的温度下，干燥10天，得到杨木改性处理材。

按照GB/T 1927~1943-2009《木材物理力学性质试验方法》对杨木改性处理前后的各项物理力学性能指标进行检测：

处理后木材增重率35%，含水率6%，密度由处理前的0.37g/cm³增大到0.65g/cm³；

抗胀率可达50%以上；

抗弯弹性模量由8.4Gpa增大到13.5Gpa；

抗弯强度由58.5Mpa增大到112.4Mpa；

表面硬度由1085.8 N 增大到3858.3 N；

冲击韧性由30.13 KJ/m²增大到35.48 KJ/m²；

磨耗值由79.8 mg/100r减小到54.6 mg/100r，说明耐磨性有所提高。

根据GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》测试杨木改性处理前后的氧指数，结果为：氧指数由处理前的24%提高到52%；按照ISO 5660-1:2002《热释放量-锥形量热仪测试方法》测试杨木改性处理前后的燃烧性能，结果为：热释放速率由处理前的285.2kw/m²降低到154.5kw/m²，前5分钟的总热释放量由32.0MJ/m²降低到19.6 MJ/m²，总烟释放量由286.24m²·m^-2减小到19.37m²·m^-2。说明改性处理后，杨木的阻燃性和抑烟性大幅提高。

按照GB18580-2001《室内装饰装修材料、人造板及其制品中甲醛释放限量》测试杨木改性材的游离甲醛含量为0.3mg/L，达到日本F****级标准。

按照美国AWPA E11-06《木材防腐剂流失性的标准测试方法》测定经树脂型硅酸盐改性剂和硅酸钠溶液分别浸渍处理的木材中改性剂的流失率，结果为：树脂型硅酸盐改性材和硅酸钠改性材的改性剂流失率分别为1.3%和7.5%，说明树脂对硅酸盐在木材中的有效存留起到固定作用，树脂型硅酸盐改性剂的抗流失性更好，对木材的改性时效更长。

采用本发明的树脂型硅酸盐木材改性剂浸渍处理后的人工林木材，具有密度大、强度和表面硬度高、尺寸稳定、耐磨阻燃等优点，可广泛应用于地板、门窗、墙板、家具等产品，市场前景广阔。

总之，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、密度、表面硬度、抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和耐磨性得到大幅提高，同时具有阻燃功能，而且环保，对人体和环境无公害，处理后木材中改性剂的抗流失性也得到增强，提高了人工林木材的应用价值的优点。

 

Claims (2)

1.一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法, 其特征在于：步骤如下,

（1）按照三聚氰胺、甲醛、尿素摩尔比为1:2~3:0.2~1.0的配比备料，可溶性硅酸钠溶液加入量为三聚氰胺的20%~50%，聚乙烯醇和二甘醇加入量分别为甲醛的0.1%~5%和10%~30%，催化剂为氢氧化钠和乙酸溶液，质量百分比浓度分别为20%和10%，甲醛和硅酸钠溶液的质量百分比浓度分别为37%和30%；

（2）将甲醛和聚乙烯醇加入反应釜中，升温至50~60℃，搅拌均匀后用乙酸调节溶液pH值为4.0~5.0，温度保持在60～70℃，反应10～30分钟，得到甲醛和聚乙烯醇缩甲醛的混合液；

（3）用氢氧化钠调节该混合液pH值为8.0~9.0，加入三聚氰胺和二甘醇，温度保持在70～80℃，反应40～60分钟，得到甲醛、聚乙烯醇缩甲醛和经二甘醇醚化后的三聚氰胺甲醛树脂的混合液；

（4）将三聚氰胺甲醛树脂的混合液温度降低至60～70℃，加入尿素，反应10～20分钟，得到聚乙烯醇缩甲醛和经二甘醇醚化后的三聚氰胺甲醛树脂以及少量脲醛树脂的混合液；

（5）将三聚氰胺甲醛树脂以及少量脲醛树脂的混合液温度降低至50～60℃，加入可溶性硅酸钠溶液，继续反应，当该反应液与水的混合倍数为1:3～10时，降低温度至40℃以下，并用氢氧化钠调节该反应液pH值为9.5~10.5，得到树脂型硅酸盐溶液；

（6）将含水率为10%或以下的人工林木材放入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内负压为-0.1～-0.08MPa，保持30～60分钟；

（7）将合成的树脂型硅酸盐溶液加入水后，使其固含为15%～30%，利用浸渍处理罐内的负压作用将树脂型硅酸盐溶液完全淹没木材且注入木材中，解除真空，向罐体内施加0.6～-2.0MPa的气压，保持1～4小时；

（8）解除压力，将剩余的树脂型硅酸盐溶液排出、储存、重复使用，将处理材移出罐外，气干至含水率50%以下后，移至干燥窑进行烘干，干燥温度40～80℃，干燥时间7～20天，最终得到含水率为5%～8%的改性处理材。

2.按权利要求1所述的一种树脂型硅酸盐木材改性剂及其改性材的制备方法, 其特征在于：所述的人工林木材为杨木，柳木，杉木，柳杉木。