CN116494337A - 一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法，涉及木材改性技术领域。硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法为：S1.硅烷偶联剂预处理木材；S2.有机烷氧基硅烷水解液的制备：将有机烷氧基硅烷缓慢滴加到由烷醇、去离子水和一元酸构成的底液中，并将混合溶液在30℃下搅拌水解3～5h；S3.有机硅增强木材：将硅烷偶联剂处理的木材浸泡在有机烷氧基硅烷水解液中，真空浸渍2h后，取出木材放置在80℃下缩合3～5h，再置于160～180℃下进一步缩合2～3h。本发明选用含烷氧基的硅烷偶联剂改性木材表面，将带有烷氧基的改性木材与有机烷氧基硅烷水解后分子上的羟基反应，从而改善木基复合材料的界面相容性，提高木材的力学强度。
Description
技术领域
本发明涉及木材改性技术领域，具体是一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法。
背景技术
木材是一种天然可再生多孔材料，凭借其独特的层状结构、易加工和价格低廉等优势在木材改性领域具有广阔的应用前景。然而，从人均水平来看，我国是一个十分缺乏木材的国家。2017年，国家全面禁伐天然木，国内商品木材产量每年减少约4×107cm3。为了满足需求，我国将大量进口木材来弥补原料的供应不足，目前我国木材的对外依赖度已达到了50％，木材进口量约占全球木材进口贸易总额的四分之一。此外，随着我国经济水平的发展以及人民生活质量的提高，建筑装饰类材料的需求量逐步增高，与之矛盾的是，人们对天然资源的保护意识也在提高。同时，常用木材的密度低、强度弱以及尺寸稳定性差等固有劣势，也极大地限制了木材的应用。因此，如何增强木材的强度、赋予木材优异的性能，进而提高木材的综合利用率已成为亟待解决的课题。
硅烷偶联剂的结构通式可用Y(CH2)nSiX3来表示。其中，X为可水解基团，可与木材纤维结合，烷氧基、氯基和乙酰氧基等都是X的典型代表；Y表示同非极性有机物结合的氨基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基或乙烯基等有机基团。因此，通过硅烷偶联剂的“分子桥”作用，可把两种相容性差的材料复合在一起。进一步地，通过筛选合适的硅烷偶联有机物方案，可赋予复合木令人满意的实用性能，如提高的力学强度、增强的耐水性、优秀的粘结性以及可观的防腐性等。其中，有机烷氧基硅烷凭借其丰富的功能基团使其成为上述有机物的重要来源，包括正硅酸乙酯、甲基苯基二乙氧基硅烷和苯基三乙氧基硅烷等。因此，硅烷偶联有机烷氧基硅烷的复合木材，其界面相容性得到了有效的改善，其强度也有望得到显著增强。进一步地，可建立木基材料的有机硅烷改性方案，从而拓展木基复合材料的应用领域，减少国内日益增长的木材需求压力。
中国专利CN 101664945 A公开了一种增强、阻燃改性人工林木材制备方法，通过三聚氰胺改性脲醛树脂溶液与硼修饰木材，但是该制备方法描述的过程中可能会造成空气污染，且改性后木材中的填充物存在甲醛泄露等问题。
中国专利CN 101603623 A公开了表面强化实木型材、地板及其制造方法，通过在210～250℃的热压机中压缩20～60min，并且压缩率控制在15～25％之间，从而增强木材。但是该木材增强方法的产率较低，制备过程较为严苛，且由于木材持续置于高温环境下，存在木材烧焦的风险，进而有损产品的整体美感。
发明内容
本发明的目的在于解决目前木材改性技术存在的一些问题，提供一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法，利用硅烷偶联剂的“分子桥”作用对原始木材进行改性并与有机烷氧基硅烷相连接，从而实现木材尺寸稳定性的改善以及机械强度的提高。
本发明硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法采用下述技术方案实现：
S1.硅烷偶联剂预处理木材：
通过真空浸渍法，将木材浸泡在硅烷偶联剂溶液中20～40min。
S2.有机烷氧基硅烷水解液的制备：
a.在烧杯A中加入定量的正硅酸乙酯与甲基苯基二乙氧基硅烷，搅拌均匀，制得添加液；
b.在烧杯B中加入定量的烷醇、去离子水和一元酸，搅拌均匀，制得底液；
c.将烧杯A中的添加液缓慢滴加在烧杯B中的底液中，将混合溶液在30℃下搅拌水解3～5h，制得有机烷氧基硅烷水解液。
S3.有机硅增强木材：
将硅烷偶联剂处理的木材浸泡在有机烷氧基硅烷水解液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，抽真空，真空浸渍后，排出有机烷氧基硅烷水解液，升温至80℃，将真空浸渍后的木材置于该温度下恒温3～5h，再升温至160～180℃，恒温缩合2～3h。
优选的，在步骤S1所述的真空浸渍过程中，真空压力设置为-0.1～-0.08MPa，真空浸渍时间为20min。
优选的，所述硅烷偶联剂溶液的质量分数为2～5wt％。
优选的，所述木材为巴尔杉木、桐木、杨木或者椴木中的一种或者几种。
优选的，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)或者γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)中的一种。
优选的，所述正硅酸乙酯与甲基苯基二乙氧基硅烷的摩尔比为1:(0.5～3)。
优选的，所述烷醇为甲醇或者乙醇。
优选的，所述一元酸为盐酸或者冰乙酸
优选的，所述烷氧基、烷醇、去离子水与一元酸的摩尔比为3:100:30:0.3。
优选的，在步骤S3所述的真空浸渍过程中，真空压力设置为-0.1～-0.08MPa，真空浸渍时间为2h。
本发明增强复合木材的有益效果如下：
1、本发明建立的木基复合材料的有机硅烷改性方案，反应过程操作简单、生产效率高、可重复性强，易于工业化生产。
2、本发明制备的增强复合木材通过硅烷偶联剂的“分子桥”作用对原始木材进行改性并与有机烷氧基硅烷相连接，从而实现木材尺寸稳定性的改善、机械强度的提高以及密度的增大，进而提高木材的综合利用率，拓展木材的应用前景。
3、本发明针对的常用木材，如巴尔杉木等木质偏软，生产过程中常出现毛刺等影响美观的问题，硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材界面相容性显著改善，木材外表平滑，极大地增强了木材的可加工性能，同时复合木基材料的粘合能力和涂装能力也不受影响，可进一步赋予复合木材更多的实用性能。
具体实施方式
特列以下实施例对本发明的技术方案作进一步地说明，但这些实施例并不是对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法，包括如下步骤：
S1.硅烷偶联剂预处理木材：
将5g的γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)缓慢滴加到95g的乙醇溶液中，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌8min，制得质量分数为5wt％的KH550溶液。再将10g的巴尔杉木浸泡在KH550乙醇溶液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，真空压力设置为-0.1MPa，真空浸渍40min。
S2.有机烷氧基硅烷水解液的制备：
a.在烧杯A中加入摩尔比为1:1的正硅酸乙酯(1g)与甲基苯基二乙氧基硅烷(1.0097g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌10min，制得添加液；
b.在烧杯B中加入摩尔比为100:30:0.3的乙醇(44.160g)、去离子水(5.184g)和37％含量的盐酸(0.284g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌10min，制得底液；
c.将烧杯A中的添加液缓慢滴加在烧杯B中的底液中，将混合溶液固定在恒温磁力搅拌器中，并将温度设置为30℃，转速设置为100r/min，搅拌水解4h，制得有机烷氧基硅烷水解液。
S3.有机硅增强木材：
将硅烷偶联剂处理的木材浸泡在有机烷氧基硅烷水解液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，抽真空，真空浸渍后，排出有机烷氧基硅烷水解液，升温至80℃，将真空浸渍后的木材置于该温度下恒温4h，再升温至170℃，恒温缩合2h。
实施例2
一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法，包括如下步骤：
S1.硅烷偶联剂预处理木材：
将2g的γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)缓慢滴加到98g的甲醇溶液中，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌5min，制得质量分数为2wt％的KH560溶液。再将4g的杨木浸泡在KH560甲醇溶液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，真空压力设置为-0.1MPa，真空浸渍20min。
S2.有机烷氧基硅烷水解液的制备：
a.在烧杯A中加入摩尔比为1:0.5的正硅酸乙酯(1g)与甲基苯基二乙氧基硅烷(0.5048g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌5min，制得添加液；
b.在烧杯B中加入摩尔比为100:30:0.3的甲醇(27.307g)、去离子水(4.320g)和冰乙酸(0.144g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌5min，制得底液；
c.将烧杯A中的添加液缓慢滴加在烧杯B中的底液中，将混合溶液固定在恒温磁力搅拌器中，并将温度设置为30℃，转速设置为100r/min，搅拌水解3h，制得有机烷氧基硅烷水解液。
S3.有机硅增强木材：
将硅烷偶联剂处理的木材浸泡在有机烷氧基硅烷水解液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，抽真空，真空浸渍后，排出有机烷氧基硅烷水解液，升温至80℃，将真空浸渍后的木材置于该温度下恒温3h，再升温至160℃，恒温缩合2h。
实施例3
一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法，包括如下步骤：
S1.硅烷偶联剂预处理木材：
将4g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)缓慢滴加到96g的甲醇溶液中，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌10min，制得质量分数为4wt％的KH570溶液。再将8g的桐木浸泡在KH570甲醇溶液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，真空压力设置为-0.1MPa，真空浸渍30min。
S2.有机烷氧基硅烷水解液的制备：
a.在烧杯A中加入摩尔比为1:2的正硅酸乙酯(1g)与甲基苯基二乙氧基硅烷(2.0194g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌10min，制得添加液；
b.在烧杯B中加入摩尔比为100:30:0.3的甲醇(40.960g)、去离子水(6.912g)和冰乙酸(0.230g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌10min，制得底液；
c.将烧杯A中的添加液缓慢滴加在烧杯B中的底液中，将混合溶液固定在恒温磁力搅拌器中，并将温度设置为30℃，转速设置为100r/min，搅拌水解4h，制得有机烷氧基硅烷水解液。
S3.有机硅增强木材：
将硅烷偶联剂处理的木材浸泡在有机烷氧基硅烷水解液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，抽真空，真空浸渍后，排出有机烷氧基硅烷水解液，升温至80℃，将真空浸渍后的木材置于该温度下恒温5h，再升温至170℃，恒温缩合2h。
实施例4
一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法，包括如下步骤：
S1.硅烷偶联剂预处理木材：
将3g的γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)缓慢滴加到97g的甲醇溶液中，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌8min，制得质量分数为3wt％的KH792溶液。再将6g的椴木浸泡在KH792甲醇溶液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，真空压力设置为-0.1MPa，真空浸渍30min。
S2.有机烷氧基硅烷水解液的制备：
a.在烧杯A中加入摩尔比为1:3的正硅酸乙酯(1g)与甲基苯基二乙氧基硅烷(3.0291g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌15min，制得添加液；
b.在烧杯B中加入摩尔比为100:30:0.3的甲醇(51.2g)、去离子水(8.64g)和冰乙酸(0.288g)，并在400r/min的磁力搅拌下，充分搅拌10min，制得底液；
c.将烧杯A中的添加液缓慢滴加在烧杯B中的底液中，将混合溶液固定在恒温磁力搅拌器中，并将温度设置为30℃，转速设置为100r/min，搅拌水解5h，制得有机烷氧基硅烷水解液。
S3.有机硅增强木材：
将硅烷偶联剂处理的木材浸泡在有机烷氧基硅烷水解液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，抽真空，真空浸渍后，排出有机烷氧基硅烷水解液，升温至80℃，将真空浸渍后的木材置于该温度下恒温5h，再升温至180℃，恒温缩合3h。
上述提供的实施例仅为本发明的优选实施方案，但是本发明并非只局限于上述所提供的实施例，而可通过对上述实施例的分析进而对相关的具体实施内容进行组合或者改进。相关技术领域人员应当明了，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明的任何等同替代或是改动，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材制备方法,其特征在于该硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法按照以下步骤实现：
S1.硅烷偶联剂预处理木材：
通过真空浸渍法，将木材浸泡在硅烷偶联剂溶液中。
S2.有机烷氧基硅烷水解液的制备：
a.在烧杯A中加入定量的正硅酸乙酯与甲基苯基二乙氧基硅烷，搅拌均匀，制得添加液；
b.在烧杯B中加入定量的烷醇、去离子水和一元酸，搅拌均匀，制得底液；
c.将烧杯A中的添加液缓慢滴加在烧杯B中的底液中，将混合溶液在30℃下搅拌水解3～5h，制得有机烷氧基硅烷水解液；
S3.有机硅增强木材：
将硅烷偶联剂处理的木材浸泡在有机烷氧基硅烷水解液中，放入真空干燥箱中，开启真空泵，抽真空，真空浸渍后，排出有机烷氧基硅烷水解液，升温至80℃，将真空浸渍后的木材置于该温度下恒温3～5h，再升温至160～180℃，恒温缩合2～3h。
2.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S1中所述的真空浸渍过程中，真空压力设置为-0.1～-0.08MPa，真空浸渍时间为20～40min。
3.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S1中所述的硅烷偶联剂溶液的质量分数为2～5wt％。
4.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S1中所述的木材为巴尔杉木、桐木、杨木或者椴木中的一种或者几种。
5.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S1中所述的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)或者γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S2中所述的正硅酸乙酯与甲基苯基二乙氧基硅烷的摩尔比为1：(0.5～3)。
7.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S2中所述的烷醇为甲醇或者乙醇。
8.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S2中所述的一元酸为盐酸或者冰乙酸。
9.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S2中所述的烷氧基、烷醇、去离子水与一元酸的摩尔比为3:100:30:0.3。
10.根据权利要求1所述的一种硅烷偶联有机烷氧基硅烷的增强复合木材的制备方法，其特征在于步骤S3中所述的真空浸渍过程中，真空压力设置为-0.1～-0.08MPa，真空浸渍时间为2h。
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| KR101996507B1 (ko) * | 2018-08-29 | 2019-10-01 | 권순남 | Silicification을 이용한 목재의 개질 방법 |
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| Title |
|---|
| 陈志林: "陶瓷化复合木材复合方法与性能的基础性研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (博士)工程科技Ⅰ辑》, no. 04, pages 75 - 80 * |
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