CN109016000B - 一种酚醛树脂强化杉木木材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种酚醛树脂强化杉木木材的方法，是一种利用合成酚醛树脂的小分子原料在杉木木材中原位聚合与原位固化一体化生成酚醛树脂来强化杉木木材的方法，具体包括如下步骤：S1、杉木木材的预处理；S2、酚醛树脂原位聚合反应液的配制；S3、将酚醛树脂原位聚合反应液浸渍到杉木木材中；S4、酚醛树脂原位聚合反应液的原位聚合固化反应，得到酚醛树脂强化杉木木材。本发明的酚醛树脂强化杉木木材的方法实现了改性剂在杉木木材中聚合与固化一体化，并显著提高改性剂在木材中的浸渍效果和均匀度，简化杉木木材的强化改性工艺，且改性所得的强化杉木木材具备优良的力学性能。

Description

一种酚醛树脂强化杉木木材的方法
技术领域
本发明涉及木材功能性改良和高值化利用技术领域，具体涉及一种酚醛树脂强化杉木木材的方法。
背景技术
人工林木材是我国木材工业的主要原材料，人工林木材的高效高质利用对于解决我国木材资源短缺、进口依存度大的问题具有重要意义。杉木是南方重要的速生林树种之一，据国家***统计，杉木林面积约占全国人工林面积的1/4，占南方人工林面积的1/2，全国商品林有1/4为杉木。通过以上数据可明显看出，在我国木材加工、经济建设和生态环境保护等方面，杉木都占有十分重要的地位。但杉木木材存在材质疏松、尺寸稳定性差等缺陷，极大地限制了杉木的开发利用。现有的采用原位聚合浸渍改性强化木材的方法（发明专利公开号CN 103600389 B和CN 102699966 B）中，是先制备得到低分子量的酚醛树脂，然后在真空浸渍罐中将木材浸泡在水溶性低分子量酚醛树脂溶液中，并通过真空加压使低分子量的树脂扩散进入木材细胞腔和细胞壁中，进而使木材增容，之后再经干燥除去水分，最后加热使树脂在木材细胞腔和细胞壁中原位聚合固化，得到浸渍改性木材，从而达到强化木材的效果。现有方法需要额外提供压力，存在工艺复杂、对设备要求高、能耗高等不足；又因树脂本身具有一定分子量，且杉木存在闭塞纹孔，进而影响树脂在木材中的浸透度，导致浸渍效率低，均匀度差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种反应效率高、浸渍均匀的酚醛树脂强化杉木木材的方法，是一种利用合成酚醛树脂的小分子合成原料在杉木木材中原位聚合与原位固化一体化生成酚醛树脂来强化杉木木材的方法。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种酚醛树脂强化杉木木材的方法，所述方法主要是通过合成酚醛树脂的小分子合成原料在杉木木材中原位聚合固化生成酚醛树脂，实现杉木木材的强化；所述小分子合成原料主要包括：甲醛水溶液、苯酚和间苯二酚，其中，甲醛水溶液的质量分数为37%。
作为本发明的进一步改性，所述小分子合成原料还包括：催化剂a、催化剂b和水，其中，所述催化剂a由一价金属氢氧化物组成，所述催化剂b由二价金属氢氧化物和/或二价金属氧化物组成。
作为本发明的进一步改性，所述酚醛树脂强化杉木木材的方法具体包括如下步骤：
S1、杉木木材的预处理：将杉木木材进行锯制和干燥，得到预处理的杉木木材；
S2、酚醛树脂原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计，将94.1份熔融苯酚、5.5份～16.5份间苯二酚、121.74份～202.91份甲醛水溶液、4份～16.8份催化剂a、1.2份～12份催化剂b、20.8份～43.2份水混合并搅拌均匀，配制成所述酚醛树脂原位聚合反应液；
S3、杉木木材的浸渍：将预处理的杉木木材与配制好的酚醛树脂原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置，然后将水热反应釜的温度升高至35℃～65℃并保温，使酚醛树脂原位聚合反应液浸渍到杉木木材中；
S4、酚醛树脂原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温时间达到后，继续将水热反应釜的温度升高至80℃～95℃，使浸渍到杉木木材中的酚醛树脂原位聚合反应液进行原位聚合反应；之后再继续将水热反应釜的温度升高至100℃～120℃，使原位聚合反应所得的酚醛树脂原位聚合物进行原位固化反应，得到酚醛树脂强化杉木木材。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，密封放置的时间为8h～24h，保温的时间为0.5h～3h。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中，原位聚合反应的时间为0.5h～2h。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中，原位固化反应的时间为1h～5h。
作为本发明的进一步改进，组成所述催化剂a的一价金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾。
作为本发明的进一步改进，组成所述催化剂b的二价金属氢氧化物为氢氧化钡、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化锌中的一种或多种，二价金属氧化物为氧化钡、氧化镁、氧化钙、氧化锌中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中，杉木木材的锯制规格：长为10mm～40mm、宽为10mm～40mm、高为200mm～800mm，锯制后的杉木木材干燥至含水率为8%～12%。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明采用的酚醛树脂聚合与固化一体化强化改性杉木木材的方法，是先将酚醛树脂的小分子合成原料浸入到杉木木材中，此时，小分子的反应原料极易且均匀地渗入到杉木木材中，再以杉木木材自身为反应场所，原位聚合固化形成高分子量的酚醛树脂，进而达到木材强化的目的。本发明可显著提高木材改性剂的浸渍效率和均匀度。
（2）本发明提供的酚醛树脂原位聚合固化一体化强化杉木木材的方法，可显著简化浸渍工艺过程，提高效率。
（3）本发明采用水热反应釜为反应器，通过反应物在高温下形成蒸气而产生压力，不需要额外提供压力，对设备要求低。
（4）本发明提供的酚醛树脂原位聚合固化一体化强化杉木木材的方法，显著降低了酚醛树脂的固化温度（实现中温固化），在降低固化能耗的同时，中温固化可减小内应力，从而提高改性杉木木材的物理力学性能。
（5）利用本发明提供的方法制备所得的酚醛树脂聚合固化一体化强化杉木木材不仅可用于家具、地板、建筑等领域，甚至可以满足现代装配式木结构工程材的要求。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
以下实施例中，木材的性能检测方法参照GB/T1936.1-2009和GB/T1941-2009。
实施例1：
一种本发明的酚醛树脂强化杉木木材的方法，是一种利用合成酚醛树脂的小分子合成原料在杉木木材中原位聚合与原位固化一体化生成酚醛树脂来强化杉木木材的方法，具体包括如下步骤：
S1、杉木木材的预处理：将杉木木材按照规格锯制成：长×宽×高为10mm×10mm×200mm，然后按照木材干燥基准进行干燥，干燥至含水率为12%。
S2、酚醛树脂原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计准确称量反应液的每个组分，将94.1份熔融苯酚、5.5份间苯二酚、121.74份质量分数为37%的甲醛水溶液、4份氢氧化钠作为催化剂a、12份氢氧化钡作为催化剂b、20.8份水搅拌至混合均匀，配制成酚醛树脂原位聚合反应液。以上原料组分可以1g为1重量份，但不限于此，根据实际情况来定，其它实施例同此说明。
S3、杉木木材的浸渍：将预处理的杉木木材与配制好的酚醛树脂原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置8h，然后将水热反应釜的温度升温至60℃并保温0.5h，使酚醛树脂原位聚合反应液浸渍到杉木木材中。
S4、酚醛树脂原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温浸渍时间达到后，继续将水热反应釜的温度升温至95℃，使浸渍到杉木木材中的酚醛树脂原位聚合反应液进行原位聚合反应，原位聚合反应的时间为0.5h；之后再继续将水热反应釜的温度升温至120℃，使原位聚合反应所得的酚醛树脂原位聚合物进行原位固化反应，原位固化反应的时间为2h，得到酚醛树脂强化杉木木材。
实施例2：
一种本发明的酚醛树脂强化杉木木材的方法，是一种利用合成酚醛树脂的小分子合成原料在杉木木材中原位聚合与原位固化一体化生成酚醛树脂来强化杉木木材的方法，具体包括如下步骤：
S1、杉木木材的预处理：将杉木木材按照规格锯制成：长×宽×高为20mm×20mm×400mm，然后按照木材干燥基准进行干燥，干燥至含水率为10%。
S2、酚醛树脂原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计准确称量反应液的每个组分，将94.1份熔融苯酚、11份间苯二酚、178.55份质量分数为37%的甲醛水溶液、11.2份氢氧化钾作为催化剂a、1.63份氧化锌和1.75份氢氧化镁混合作为催化剂b、32份水搅拌至混合均匀，配制成酚醛树脂原位聚合反应液。
S3、杉木木材的浸渍：将预处理的杉木木材与配制好的酚醛树脂原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置16h，然后将水热反应釜的温度升温至45℃并保温1.3h，使酚醛树脂原位聚合反应液浸渍到杉木木材中。
S4、酚醛树脂原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温浸渍时间达到后，继续将水热反应釜的温度升温至88℃，使浸渍到杉木木材中的酚醛树脂原位聚合反应液进行原位聚合反应，原位聚合反应的时间为1.5h；之后再继续将水热反应釜的温度升温至120℃，使原位聚合反应所得的酚醛树脂原位聚合物进行原位固化反应，原位固化反应的时间为3.5h，得到酚醛树脂强化杉木木材。
实施例3：
一种本发明的酚醛树脂强化杉木木材的方法，是一种利用合成酚醛树脂的小分子合成原料在杉木木材中原位聚合与原位固化一体化生成酚醛树脂来强化杉木木材的方法，具体包括如下步骤：
S1、杉木木材的预处理：将杉木木材按照规格锯制成：长×宽×高为40mm×40mm×800mm，然后按照木材干燥基准进行干燥，干燥至含水率为8%；
S2、酚醛树脂原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计准确称量反应液的每个组分，将94.1份熔融苯酚、16.5份间苯二酚、202.91份质量分数为37%的甲醛水溶液、12份氢氧化钠作为催化剂a、1.2份氧化镁作为催化剂b、43.2份水搅拌至混合均匀，配制成酚醛树脂原位聚合反应液；
S3、杉木木材的浸渍：将预处理的杉木木材与配制好的酚醛树脂原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置24h，然后将水热反应釜的温度升温至35℃并保温3h，使酚醛树脂原位聚合反应液浸渍到杉木木材中；
S4、酚醛树脂原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温浸渍时间达到后，继续将水热反应釜的温度升温至80℃，使浸渍到杉木木材中的酚醛树脂原位聚合反应液进行原位聚合反应，原位聚合反应的时间为2h；之后再继续将水热反应釜的温度升温至100℃，使原位聚合反应所得的酚醛树脂原位聚合物进行原位固化反应，原位固化反应的时间为5h，得到酚醛树脂强化杉木木材。
上述实施例1、实施例2、实施例3以及未经酚醛树脂改性的杉木木材的各项性能检测结果如表1所示。从检测结果可看出，经酚醛树脂改性后，木材重量和密度显著提高，由此表明酚醛树脂原位聚合反应液已成功浸渍到木材内部。同时，改性木材的力学强度也明显优于未经改性的木材，进一步表明了酚醛树脂原位聚合反应液已成功浸渍到木材内部，并发生聚合固化反应，生成大分子的酚醛树脂，进而填充木材空腔，增强木材的力学性能。
表1 酚醛树脂强化杉木木材性能比对
Figure DEST_PATH_IMAGE001
本发明采用先将酚醛树脂的小分子合成原料浸渍到杉木木材中，再以杉木木材自身为反应容器进行原位聚合反应并实现酚醛树脂固化的方法，实现改性剂在杉木木材中聚合与固化一体化，并显著提高改性剂在木材中的浸渍效果和均匀度，简化杉木木材的强化改性工艺。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种酚醛树脂强化杉木木材的方法，其特征在于，所述方法主要是通过合成酚醛树脂的小分子合成原料在杉木木材中原位聚合固化生成酚醛树脂，实现杉木木材的强化；所述小分子合成原料主要包括：甲醛水溶液、苯酚和间苯二酚，其中，所述甲醛水溶液的质量分数为37%；
所述小分子合成原料还包括：催化剂a、催化剂b和水；其中，所述催化剂a由一价金属氢氧化物组成，所述催化剂b由二价金属氢氧化物和/或二价金属氧化物组成；
所述方法具体包括如下步骤：
S1、杉木木材的预处理：将杉木木材进行锯制和干燥，得到预处理的杉木木材；
S2、酚醛树脂原位聚合反应液的配制：根据配方，按照重量份计，将94.1份熔融苯酚、5.5份～16.5份间苯二酚、121.74份～202.91份甲醛水溶液、4份～16.8份催化剂a、1.2份～12份催化剂b、20.8份～43.2份水混合并搅拌均匀，配制成所述酚醛树脂原位聚合反应液；
S3、杉木木材的浸渍：将预处理的杉木木材与配制好的酚醛树脂原位聚合反应液一起放入水热反应釜中，密封放置，然后将水热反应釜的温度升高至35℃～65℃并保温，使酚醛树脂原位聚合反应液浸渍到杉木木材中；
S4、酚醛树脂原位聚合反应液的原位聚合固化反应：待步骤S3中的保温时间达到后，继续将水热反应釜的温度升高至80℃～95℃，使浸渍到杉木木材中的酚醛树脂原位聚合反应液进行原位聚合反应；之后再继续将水热反应釜的温度升高至100℃～120℃，使原位聚合反应所得的酚醛树脂原位聚合物进行原位固化反应，得到酚醛树脂强化杉木木材。
2.根据权利要求1所述的酚醛树脂强化杉木木材的方法，其特征在于，所述步骤S3中，密封放置的时间为8h～24h，保温的时间为0.5h～3h。
3.根据权利要求2所述的酚醛树脂强化杉木木材的方法，其特征在于，所述步骤S4中，原位聚合反应的时间为0.5h～2h。
4.根据权利要求3所述的酚醛树脂强化杉木木材的方法，其特征在于，所述步骤S4中，原位固化反应的时间为1h～5h。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的酚醛树脂强化杉木木材的方法，其特征在于，组成所述催化剂a的一价金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾。
6.根据权利要求5所述的酚醛树脂强化杉木木材的方法，其特征在于，组成所述催化剂b的二价金属氢氧化物为氢氧化钡、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化锌中的一种或多种，二价金属氧化物为氧化钡、氧化镁、氧化钙、氧化锌中的一种或多种。
7.根据权利要求1～4或6中任一项所述的酚醛树脂强化杉木木材的方法，其特征在于，所述步骤S1中，杉木木材的锯制规格：长为10mm～40mm、宽为10mm～40mm、高为200mm～800mm，锯制后的杉木木材干燥至含水率为8%～12%。
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