CN1781687A

CN1781687A - 木材阻燃、防腐、强化改性剂的合成方法

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Publication number: CN1781687A
Application number: CN 200410100981
Authority: CN
Inventors: 吴子良; 王文涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-07

Abstract

一种多功能木材改性药剂的合成方法。采用有机氮化合物、有机磷－氮化合物、氨水、磷酸、硼化物、醛类、烷基铵化合物和渗透剂为原料。本药剂可对木材一次性地进行阻燃、防腐、强化改性处理，并且改性后的木材颜色、光泽等外观基本上保持不变，最大程度地保留原木的视觉环境学特性。

Description

木材阻燃、防腐、强化改性剂的合成方法

I技术领域

本发明属木材保护技术领域，涉及一种多功能木材保护药剂，尤其是一种木材阻燃、防腐、强化改性剂的合成方法。

II背景技术：

木材作为建材和建筑内装修、家具及其它室内装饰品等材料，与国民经济的发展和人民生活息息相关。由于其易燃烧之特点，从古到今乃是引起火灾及使火灾蔓延扩大的罪魁祸首之一；木材是天然有机材料，因而又具有易腐朽、易虫蛀等缺点，在使用过程中，特别是露天使用的木质制品设施，易受虫蚁、真菌等生物危害而蛀蚀腐朽，轻则缩短使用年限，重则失去利用价值，甚至造成重大经济损失。因此，对木材进行阻燃、防腐改性处理，以及为提高木材的品质如提高硬度、密度和加工性能等而进行的强化改性处理，是消防或延长木材和木制品的使用期、合理利用和节约木材的有效手段。

常用的木材阻燃剂有磷-氮系的磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、聚磷酸铵、双氰胺、三聚氰胺等；硼系的硼砂、硼酸、硼酸锌、五硼酸铵等；卤系的卤化铵如氯化铵、溴化铵和氯化石蜡等；无机氧化物和氧氢化物系的水合氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑等；另外还可以用一些其它铵盐如碳酸铵、硫酸铵及硅酸钠(水玻璃)作为木材阻燃剂。上述阻燃剂大部分为水溶性物质。非水溶性阻燃剂如水合氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑等本身为非透明粉状固体，因难以渗透入木材内部，一般只应用于表面涂敷阻燃。聚磷酸铵是浸注法用得最多的一种阻燃剂，它与其它水溶性阻燃剂一样存在易吸潮、不耐水的缺点，使材料的使用性能受到很大的影响。于阻燃木材而言，它的表面油漆性能变差，如容易出现涂层泛白、起泡、耐老化性差等现象。另外木材浸注这些水溶性阻燃剂后，大部分会引强度下降，一般下降5～10％左右。公开号为CN 1075673A的专利申请披露了一种有机-无机混合型，采用聚磷酸铵、磷酸氢二铵、三氯化磷、三氯亚磷、胶体氧化锑、四溴双酚A、硅酸钠和磷酸等水溶液，经高温高压处理后制成木材浸注用的阻燃剂，具有较好的阻燃效果，但未考虑处理后木材的吸潮性及强度下降问题，并且要使用高压制造设备；公开号为CN 1030110A的专利申请提出了一种阻燃剂：一组分是经130℃反应的磷酸、尿素溶液，与在40～70℃处理过的另一组分甲醛、三聚氰胺溶液混合后使用。这种阻燃剂从其合成工艺来看，若用于木材处理，有可能会由于游离醛过高、含酸量过大而导致木材甲醛释放量超标、木质易腐变。

木材处理用的较多的防腐剂有如下几种：CCA木材防腐剂、CCB木材防腐剂和ACQ木材防腐剂。CCA防腐剂由砷化物(AS₂O₅、H₃AsO₄、Na₃AsO₄)、铬化合物(CrO₃、Na₂Cr₂O₇等)、铜化物(Cu(OH)₂、Cu₂(OH)₂CO₃、CuO、CuSO₄)等组成，具有较高的杀菌、防虫防白蚁、防海生钻孔动物的能力，有效成分能固定在木材中，不被雨水和土壤中的水分所流失，持久性好，处理后的木材无气味，可以油漆、胶合，对木材强度性质影响小。CCA曾经在全世界广泛用于住宅、园林景观建筑、户外家具、游乐场设施等木材制品的防护处理，但由于人们对砷、铬等的恐惧心理，特别是CCA处理木材废弃物的处置给环境带来的危害，世界许多国家现已限制CCA的使用，并且正在考虑作进一步的限制；CCB防腐剂由铬化合物(CrO₃、Na₂Cr₂O₇等)、铜化物(Cu(OH)₂、Cu₂(OH)₂CO₃、CuO、CuSO₄)和硼化物(Na₂B₄O₇、H₃BO₃)等组成，在二次大战期间研制成功，是目前在世界各国，特别是在欧洲和大洋洲许多国家广泛使用的优良防腐剂之一(汤宜庄，刘燕吉主编.木材工业实用大全·木材保护卷.北京：中国林业出版社，2002.79)。CCB防腐剂对木腐菌的抗腐力大，也具有抗虫和防白蚁的能力。其中的硼渗透力强，固定速度慢，适合处理难浸注树种的木材。CCB防腐剂的缺点是无法将硼固定在木材中，因此抗流失性能稍差，主要用来处理木结构用材；ACQ防腐剂由二价铜盐、烷基铵化合物(主要是二癸基二甲基氯化铵或十二烷基二甲基苄基氯化铵)、氨(ACQ-B)或胺(ACQ-D)和水按一定的比例组成的一种木材防护剂。它是由美国化学专业公司(CSI)研制开发，在抗生物危害的性能力方面能与CCA相媲美，而在对环境的安全性方面大大优于CCA的新一代木材防护剂(American Wood-Preservers’Association.Standard for Waterbome Preservatives.Standards2001.2001：5)。其它亦有一些防腐剂被应用，如CBA-A木材防腐剂(二价铜盐、戊唑醇、氯氰菊酯、和硼酸的氨溶液组成)、CDDC木材防腐剂(由乙醇胺铜和二甲基二硫代氨基甲酸钠组成)、BAAC木材防腐剂(由烷基铵化合物和硼化物组成)等。常用的木材防腐剂都有较好的防腐性能，但有的毒性大(如CCA)、有的抗流失性相对较差(如CCB、BAAC等)，有的价格相对较昂贵、工艺复杂(如ACQ、CBA-A、CDDC等)。另外，这些防腐剂处理木材后大都使木材染上了颜色，使防腐材明显的不够自然。

一些低密度木材的物理力学性能差，如硬度和耐磨性低等原因，限制了它们的开发利用。要提高木材的材质性能，拓宽其使用范围，增加其经济价值，对木材进行提高密度、硬度、强度等的强化改性处理是一有效的方法。木材强化处理技术国内研究颇多，如使用有机化合物水溶性酚醛(PF)、脲醛(UF)、三聚氰胺-甲醛(MF)等树脂和聚乙二醇等，以及无机硅化物、硼化物等对木材强化。但至今我国甚少规模化、产业化地强化处理木材，市售强化木材更是鲜见。

III发明内容：

本发明是一种多功能木材改性药剂的合成方法。本药剂可对木材一次性地进行阻燃、防腐、强化改性处理，并且木材的颜色、光泽等外观基本上保持不变，最大程度地保留原木的视觉环境学特性。

IV技术问题：

木材的阻燃、防腐和强化处理工艺通常是逐一进行，否则达不到理想的效果，因此存在工艺繁杂、处理成本高、可能影响木材材性等缺点。例如要使木材同时具有优秀的防腐和阻燃能力，常用的工艺是先对木材进行防腐处理，干燥并陈化后再进行阻燃处理，然后再经干燥后方得到防腐阻燃材。工艺要经过两次药剂浸注、两次木材干燥及其它多道工序，加上不同的药剂之间有可能发生相互不良作用，往往木材处理后颜色、光泽变化大，有时还会出现木材强度降低、易吸潮等现象。

所以，有必要提出一种一次工艺过程便可使木材具有优秀的防腐、阻燃性能的方法，并且处理后的木材得到密度、硬度、强度增加的强化改性，也不会产生上述缺点。

V技术方案：

本发明的多功能木材处理药剂采用化学合成法得到。该药剂与水互溶，组成为有机磷-氮-硼-醛聚合物、烷基铵化合物及少量的渗透剂。合成所用的原材料为有机氮化合物、有机磷-氮化合物、氨水、磷酸、硼化物、醛类、烷基铵化合物、渗透剂和水等。有机氮化合物采用脲类、氰胺类和丙烯尿素等，选用其中一种或一种以上；有机磷-氮化合物采用磷酸脒基脲、八聚磷酸氰胺和磷酸胍，选用其中一种或混合使用；硼化物采用硼酸和硼砂选用其中一种或混合使用；醛类采用甲醛、乙醛和乙二醛等，选用其中一种或一种以上；烷基铵化合物采用烷基(64％C₁₂，30％C₁₄，6％C₁₆)二甲基苄基氯化铵、二烷基(50％C₈C₁₀，25％C₈C₈，25％C₁₀C₁₀)二甲基氯化铵、烷基(14％C_8-10，49％C₁₂，22％C₁₂，15％C_16-18)二甲基乙酸铵、烷基(5％C₁₄，14％C₁₆，81％C₁₈)二甲基乙酸铵以及烷基(10％C₁₆，90％C₁₈)三甲基乙酸铵等，选用其中一种或一种以上；渗透剂采用Tx-10、快速渗透剂T、渗透剂JFC等，选用其中一种或一种以上。水可用去离子水、软水、或无沉淀无杂质的自来水，最好用去离子水或软水。

本多功能木材处理药剂的合成方法为：往反应釜加入醛类溶液，用氨水和/或硼砂调整反应釜中的反应物pH＝8.0～9.5，加入计算量45～62％的有机氮化合物，加热升温至90～95℃，保温40～60min.，加入计算量55～38％的有机氮化合物，在30min.内降温至75℃，加入硼酸和/或磷酸调整pH＝5.5±0.5，保温45min.，加入有机磷-氮化合物再保温20min.，用氨水和/或硼砂调整pH＝7～7.5，然后降温至50℃时加入烷基铵化合物，温度≤40℃加入计算量的水后出料，即为本发明的多功能木材处理药剂。药剂静置稳定化7天后使用。

原料的具体配比为：有机氮化合物：3.2～4.0％(W/W，下同)、有机磷-氮化合物：12.7～15.2％、氨水：11～15％、磷酸：18.6～22.4％、硼化物：0.5～2.0％、醛类：9.5～11.2％(换算成100％含量)、烷基铵化合物：5～8‰(换算成100％含量)、渗透剂：1～3‰、水：余量。

反应物中的有机氮化合物、有机磷-氮化合物与醛类在反应条件下生成聚合物。该聚合物浸注入木材内部后，在常温或高温(≤120℃)条件下，与木材发生交联，即聚合物与木材结构中的木素、半纤维素、果胶等物质进行化学反应或物理结合。随着水分的挥发，聚合物固化成为不溶于水的高分子塑料物质，塑料物质与木材纤维形成了类似于钢筋混凝土的结构，在使木材得到强化，密度、硬度、强度增加的同时，又让阻燃、防腐防蛀功能具有抗流失性；氨水、磷酸、硼化物作为聚合催化剂加入，同时使药剂成为协同阻燃效果的P-N-B三元阻燃剂；所用的烷基铵化合物为阳离子表面活性剂，是一种安全的广谱性低毒杀虫剂，能与木材成分发生离子交换作用而牢固地固定在木材中。烷基铵化合物与硼化物一起作为木材的防腐剂，防腐、防蛀能力强，对木材腐朽菌、霉菌、变色菌以及白蚁、蛀木甲虫均有效；渗透剂则起到促进药剂在木材中的渗透能力的作用。

上述多功能木材处理药剂，采用满细胞法浸注入木材内部：将待处理木材放入压力容器中，先抽真空一段时间，接着吸入药剂全浸没木材。然后施以一定的压力，当木材的药剂浸入量达到要求后将药剂从压力容器中排出，再进行5～10mim后真空处理。木材从压力容器中取出，最后经干燥工艺后成为阻燃、防腐、强化改性木材。

VI有益效果：

本多功能木材处理药剂，较合理地将对木材的阻燃、防腐、强化改性功能结合为一体，并且改性后的木材颜色、光泽等外观基本上保持不变，最大程度地保留原木的视觉环境学特性。本多功能木材处理药剂成本相对较低，加上对木材的阻燃、防腐、强化改性处理工艺一次性完成，因而使得木材处理工艺简单、成本相对要低得多。

VII实施例：

下面实施例是对发明的进一步说明。

实施例(1)

往反应釜加入甲醛溶液9.8％(换算成100％含量)，用氨水和硼砂(各一半左右)调整反应釜中的反应物pH＝8.0，加入2.1％的尿素，加热升温至90℃，保温60min.，加入0.4％的三聚氰氨和1.％丙烯尿素，在30min.内降温至75℃，加入硼酸调整pH＝6.0，加入磷酸调整pH＝5.5，保温45min.，加入磷酸胍13.5％再保温20min.，用氨水调整pH＝7.0，然后降温至50℃时加入7‰的烷基三甲基乙酸铵，温度≤40℃加入水使物料总量为100％后出料，即为本发明的多功能木材处理药剂。药剂静置稳定化7天后使用。采用满细胞法浸将药剂注入木材内部：将待处理木材放入压力容器中，先抽真空一段时间，接着吸入药剂全浸没木材；然后施以一定的压力，当木材的药剂浸入量达到要求后将药剂从压力容器中排出，再进行5～10mim后真空处理。木材从压力容器中取出，最后经干燥工艺后成为阻燃、防腐、强化改性木材。

实施例(2)

往反应釜加入甲醛溶液7.5％、乙二醛溶液1.5％(换算成100％含量)，用氨水调整反应釜中的反应物pH＝7.5，再用硼砂调pH＝8.5，加入1.5％的尿素、0.5％的三聚氰氨和0.2％的丙烯尿素，加热升温至95℃，保温50min.，再加入0.7％的尿素、0.6％的三聚氰氨，在30min.内降温至75℃，加入磷酸调整pH＝5.5±0.5，保温45min.，加入磷酸脒基脲15.0％再保温20min.，用氨水调整pH＝6.3，用硼砂调整pH＝7.0，然后降温至50℃时加入5‰的烷基二甲基苄基氯化铵、3‰的二烷基二甲基氯化铵，温度≤40℃加入水使物料总量为100％后出料，即为本发明的多功能木材处理药剂。药剂静置稳定化7天后使用。采用满细胞法浸将药剂注入木材内部：将待处理木材放入压力容器中，先抽真空一段时间，接着吸入药剂全浸没木材；然后施以一定的压力，当木材的药剂浸入量达到要求后将药剂从压力容器中排出，再进行5～10mim后真空处理。木材从压力容器中取出，最后经干燥工艺后成为阻燃、防腐、强化改性木材。

实施例(3)

往反应釜加入甲醛8.5％、乙醛2.5％和乙二醛溶液1.0％(换算成100％含量)，用硼砂调整反应釜中的反应物pH＝8.5，用氨水调pH＝9.0，加入1.0％的尿素、0.5％的三聚氰氨和1.0％的丙烯尿素，加热升温至90℃，保温45min.，加入1.0％的尿素、0.5％的三聚氰氨，在30min.内降温至75℃，加入硼酸调整pH＝6.0，保温45min.，加入八聚磷酸氰胺5.0％、磷酸胍8.2％再保温20min.，用氨水调整pH＝7.0，然后降温至50℃时加入3‰二烷基二甲基氯化铵、5％烷基二甲基乙酸铵，温度≤40℃加入水使物料总量为100％后出料，即为本发明的多功能木材处理药剂。药剂静置稳定化7天后使用。采用满细胞法浸将药剂注入木材内部：将待处理木材放入压力容器中，先抽真空一段时间，接着吸入药剂全浸没木材；然后施以一定的压力，当木材的药剂浸入量达到要求后将药剂从压力容器中排出，再进行5～10mim后真空处理。木材从压力容器中取出，最后经干燥工艺后成为阻燃、防腐、强化改性木材。

实施例(4)

往反应釜加入乙二醛溶液9.5％(换算成100％含量)，用氨水调整反应釜中的反应物pH＝9.0，加入2.8％的尿素，加热升温至90～95℃，保温45min.，加入0.7％的丙烯尿素，在30min.内降温至75℃，加入硼酸调整pH＝6.5，加入磷酸调整pH＝5.5保温45min.，加入八聚磷酸氰胺14.2％再保温20min.，用硼砂调整pH＝6.0，用氨水pH＝6.5，然后降温至50℃时加入5.5‰二烷基二甲基氯化铵，温度≤40℃加入水使物料总量为100％后出料，即为本发明的多功能木材处理药剂。药剂静置稳定化7天后使用。采用满细胞法浸将药剂注入木材内部：将待处理木材放入压力容器中，先抽真空一段时间，接着吸入药剂全浸没木材；然后施以一定的压力，当木材的药剂浸入量达到要求后将药剂从压力容器中排出，再进行5～10mim后真空处理。木材从压力容器中取出，最后经干燥工艺后成为阻燃、防腐、强化改性木材。

Claims

1.一种木材阻燃、防腐、强化改性剂的合成方法，采用有机氮化合物、有机磷-氮化合物、氨水、磷酸、硼化物、醛类、烷基铵化合物和渗透剂为原料；

2.根据权利要求1所述的木材改性剂，其特征为有机氮化合物采用脲类、氰胺类和丙烯尿素等，选用其中一种或一种以上；

3.根据权利要求1所述的木材改性剂，有机磷-氮化合物采用磷酸脒基脲、八聚磷酸氰胺和磷酸胍，选用其中一种或混合使用；

4.根据权利要求1所述的木材改性剂，硼化物采用硼酸和硼砂，选用其中一种或混合使用；

5.根据权利要求1所述的木材改性剂，醛类采用甲醛、乙醛和乙二醛等，选用其中一种或一种以上；

6.根据权利要求1所述的木材改性剂，烷基铵化合物采用烷基二甲基苄基氯化铵、二烷基二甲基氯化铵、烷基二甲基乙酸铵、烷基二甲基乙酸铵以及烷基三甲基乙酸铵等，选用其中一种或一种以上；

7.根据权利要求1所述的木材改性剂，渗透剂采用Tx-10、快速渗透剂T、渗透剂JFC等，选用其中一种或一种以上。

8.根据权利要求7所述的烷基铵化合物，烷基二甲基苄基氯化铵中的烷基组成为64％C₁₂，30％C₁₄，6％C₁₆；二烷基二甲基氯化铵中的烷基组成为50％C₈C₁₀，25％C₈C₈，25％C₁₀C₁₀；烷基二甲基乙酸铵中的烷基组成为14％C_8-10，49％C₁₂，22％C₁₂，15％C_16-18；烷基二甲基乙酸铵中的烷基组成为5％C₁₄，14％C₁₆，81％C₁₈；烷基三甲基乙酸铵中的烷基组成为10％C₁₆，90％C₁₈。

9.根据权利要求1所述的木材改性剂，其特征为合成时，往反应釜加入醛类溶液，用氨水和/或硼砂调整反应釜中的反应物pH＝8.0～9.5，加入计算量45～62％的有机氮化合物，加热升温至90～95℃，保温40～60min.，加入计算量55～38％的有机氮化合物，在30min.内降温至75℃，加入硼酸和/或磷酸调整pH＝5.5±0.5，保温45min.，加入有机磷-氮化合物再保温20min.，用氨水和/或硼砂调整pH＝7～7.5，然后降温至50℃时加入烷基铵化合物，温度≤40℃加入计算量的水后出料。

10.根据权利要求9所述的木材改性剂，合成时原料的比例为有机氮化合物：3.2～4.0％(W/W，下同)、有机磷-氮化合物：12.7～15.2％、氨水：11～15％、磷酸：18.6～22.4％、硼化物：0.5～2.0％、醛类：9.5～11.2％(换算成100％含量)、烷基铵化合物：5～8‰(换算成100％含量)、渗透剂：1～3‰。