專利名稱：木材專用改性劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改性劑，特別是涉及一種用于木材改性的改性劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
木材是當(dāng)今社會(huì)公認(rèn)的四大建材中唯一可再生的建材資源，它幾乎出現(xiàn)在各行各業(yè)中。從遠(yuǎn)古時(shí)代的猿人棲樹而息到鉆木取火，再到現(xiàn)代的家居作業(yè)，人類從未離開過(guò)木材，可以說(shuō)人類的發(fā)展也是伴隨著木材進(jìn)行的。隨著人類文明的發(fā)展，無(wú)論是造紙業(yè)、家具業(yè)、包裝業(yè)、汽車行業(yè)等等各種行業(yè)都離不開木制品的身影。木材的消耗量越來(lái)越大，我國(guó)也由一個(gè)森林儲(chǔ)量大國(guó)變成了一個(gè)木材進(jìn)口大國(guó)，而且國(guó)內(nèi)木材需求缺口日益增大。為了緩解這種供需矛盾，國(guó)家提出了速生豐產(chǎn)林建設(shè)的計(jì)劃，但是隨著速生豐產(chǎn)林面積的增加，國(guó)內(nèi)木材缺口應(yīng)該縮小，但是經(jīng)過(guò)調(diào)查 發(fā)現(xiàn)效果并沒有像預(yù)想的那么湊效，究其原因主要是因?yàn)樗偕值牟馁|(zhì)不理想，易發(fā)生變形、密度低，而且硬度不高，只能使用在一些對(duì)材質(zhì)要求較低的行業(yè)。所以只有將速生材進(jìn)行優(yōu)化，提高其性能，這樣才能緩解目前的供需難題。木材優(yōu)化已經(jīng)有幾千年的歷史了，最早可以追溯到5200年前，北歐的薩米族人就通過(guò)熱處理引發(fā)木材內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)來(lái)提高木材的尺寸穩(wěn)定性。而從埃及出土的公元前2500年到3000年的凳子有些部分就經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，埃及出土的公元前1900年的壁畫上就展示當(dāng)時(shí)人們將弓弩的木料進(jìn)行化學(xué)處理。十一世紀(jì)維京造船匠也通過(guò)化學(xué)方法處理造船的木料，提高其抗水性和尺寸穩(wěn)定性。所以說(shuō)木材優(yōu)化由來(lái)已久，也許許多處理工藝已經(jīng)失傳，但是通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)目前優(yōu)化木材主要有兩種方法一是通過(guò)物理方法處理，例如將木材高溫碳化,通過(guò)改變木材內(nèi)部組成以提高其尺寸穩(wěn)定性,或者將木材壓縮,通過(guò)提高木材密實(shí)度以提高其穩(wěn)定性；二是通過(guò)化學(xué)改性處理，例如用化學(xué)原料將木材中的羥基封閉以提高其穩(wěn)定性，或者向木材中填充高分子物質(zhì)來(lái)抑制其尺寸變化。隨著科技的發(fā)展，許多專家借助先進(jìn)儀器研究發(fā)現(xiàn)，造成木材易變形的主要原因是由于木材屬于多孔性物質(zhì)。內(nèi)部存在大量的毛細(xì)管孔道，對(duì)水具有極強(qiáng)的毛細(xì)管作用力，而且木材細(xì)胞壁上又存在大量的由半纖維素組成的無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)。這些區(qū)域都存在大量裸露的極性集團(tuán)——主要是羥基，當(dāng)水在毛細(xì)管的吸引力作用下進(jìn)入木材內(nèi)部，大量水分子與羥基結(jié)合造成木材細(xì)胞發(fā)生形變，從而引起木材尺寸穩(wěn)定性的變化。所以要想解決木材尺寸穩(wěn)定性的問(wèn)題主要還是賦予木材一定的抗水性，而要解決木材的硬度則要將一些剛性的物質(zhì)充入木材中，所以解決速生材的關(guān)鍵就是將一些既有剛性又可以賦予木材抗水性的物質(zhì)充入木材中，只有這樣，速生材的使用范圍才能擴(kuò)大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種價(jià)格適中、工藝簡(jiǎn)單、甲醛釋放量低、改性效果明顯的木材用改性劑及其制備方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種木材專用改性劑，含有以下重量份的組分甲醛500 800份、尿素20份、酚類化合物200 400份、有機(jī)硅150 300份、堿性催化劑5 30份，助劑10 50份，其中所述甲醛為質(zhì)量濃度為35% 37%的甲醛水溶液。優(yōu)選為甲醛600 800份、尿素20份、酚類化合物200 300份、有機(jī)硅200 300份、堿性催化劑10 20份，助劑20 30份，其中所述甲醛為質(zhì)量濃度為35% 37%的甲醛水溶液；更優(yōu)選為甲醛720份、尿素20份、酚類化合物250份、有機(jī)硅200份、堿性催化劑15份、助劑20份，其中所述甲醛為質(zhì)量濃度為35% 37%的甲醛水溶液。本發(fā)明的酚類化合物選自苯酚、烷基酚或芳香基酚，優(yōu)選為苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚、羥甲基苯酚、雙酚A，更優(yōu)選為苯酚、對(duì)二甲基苯酚、羥甲基苯酚。本發(fā)明所述的有機(jī)硅化合物選自正硅酸乙酯、烷基硅醇、端羥基硅氧烷、苯基烷氧基娃燒、_■甲基環(huán)娃氧燒、甲基二甲氧基娃燒，優(yōu)選為燒基娃醇、端輕基娃氧燒、_■甲基環(huán)娃氧烷，更優(yōu)選為羥甲基硅氧烷、甲基硅醇、乙基硅醇、丙基硅醇、六甲基環(huán)三硅氧烷、甲基硅·油。本發(fā)明所述的堿性催化劑可以是任意本領(lǐng)域常用的堿性催化劑，優(yōu)選選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇、氫氧化銨、氫氧化鈣、乙二胺、二乙胺，更優(yōu)選為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇、氫氧化鈣。本發(fā)明所述的助劑選自氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、氯化鎂、氯化鋇、氯化鋁，優(yōu)選為氯化鉀、氯化銨、氯化鋇、氯化鋁，更有選為氯化鋇、氯化鋁。本發(fā)明還涉及上述木材專用改性劑的制備方法，其合成工藝如下將融化的酚類化合物加入到反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌，再加入1/3重量的甲醛，同時(shí)緩慢加入1/2重量的堿性催化劑，然后將釜溫升至45°C 50°C后停止加熱，此時(shí)釜溫繼續(xù)上升，控制釜溫不超過(guò)60°C，升溫結(jié)束后在50°C保溫lh，保溫結(jié)束后加入剩余的甲醛和有機(jī)硅，并緩慢加入剩余的堿性催化劑，然后將釜溫升至85°C 90°C，保溫lh，保溫結(jié)束后加入尿素和助劑，保溫?cái)嚢?0分鐘后降溫至30°C，得紅棕色黏稠液體。本發(fā)明的木材專用改性劑，其中各組分的選擇以及各組分重量比，是經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)和長(zhǎng)期試驗(yàn)得出的較佳范圍值。改性劑制備過(guò)程中首先是合成一羥甲基苯酚和二羥甲基苯酚，然后再聚合成小分子的羥甲基預(yù)聚物，然后再在催化劑作用下將有機(jī)硅引入到苯酚環(huán)上。抑制有機(jī)硅的強(qiáng)滲透性和流失性，提高原料的使用率和效果耐久性。當(dāng)改性劑固化后，酚類化合物如苯酚會(huì)在木材細(xì)胞壁的無(wú)定形區(qū)形成支架作用，抑制其發(fā)生變形。同時(shí)細(xì)胞外部的毛細(xì)管壁上也會(huì)覆蓋一層固化膜，并且有機(jī)硅的有機(jī)端會(huì)在毛細(xì)管內(nèi)均勻排列，形成一層疏水膜，抑制毛細(xì)管對(duì)水的吸附作用，而且固化后的苯酚呈體型結(jié)構(gòu)，有機(jī)硅端穿插其中，硅羥基在一定條件下與纖維素和半纖維素上的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)，減少了木材中的吸水集團(tuán)，提高了木材的抗水性。再者酚醛膠固化后呈不溶的剛性結(jié)構(gòu)，既提高了木材密度又增加了硬度。本發(fā)明木材專用改性劑的特點(diǎn)是粘度低、水溶性好、儲(chǔ)存穩(wěn)定性好、合成工藝簡(jiǎn)單、甲醛釋放量低，適用于各種樹種的改性，尤其是對(duì)速生材的改性，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。而且用該改性劑對(duì)木材進(jìn)行處理之后，基材的密度、尺寸穩(wěn)定性、硬度、抗水性、抗腐蝕性均有大幅度的提高。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例I準(zhǔn)確稱量以下重量的原料組分質(zhì)量濃度為35%的甲醛水溶液720份、尿素20份、苯酚250份、甲基硅醇200份、氫氧化鈉15份、氯化鋇20份。將融化的苯酚加入到反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌，再加入1/3重量的甲醛水溶液，同時(shí)緩慢加入1/2重量的堿性催化劑氫氧化鈉，然后將釜溫升至45°C 50°C后停止加熱，此時(shí)釜 溫繼續(xù)上升，控制釜溫不超過(guò)60°C，升溫結(jié)束后在50°C保溫lh，保溫結(jié)束后加入有機(jī)硅和剩余的甲醛溶液，并緩慢加入剩余的堿性催化劑，然后將釜溫升至85°C 90°C，保溫lh，加入尿素和助劑，保溫?cái)嚢?0分鐘后降溫至30°C，得紅棕色黏稠液體，即為本發(fā)明的木材改性劑。實(shí)施例2準(zhǔn)確稱量以下重量的原料組分質(zhì)量濃度為36%的甲醛水溶液350份、尿素10份、二甲酚130份、甲基硅醇110份、氫氧化鋇10份、氯化鋇10份。將融化的苯酚加入到反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌，再加入1/3重量的甲醛水溶液，同時(shí)緩慢加入1/2重量的堿性催化劑氫氧化鋇，然后將釜溫升至45°C 50°C后停止加熱，此時(shí)釜溫繼續(xù)上升，控制釜溫不超過(guò)60°C，升溫結(jié)束后在50°C保溫lh，保溫結(jié)束后加入剩余的甲醛溶液和有機(jī)硅，并緩慢加入剩余的堿性催化劑，然后將釜溫升至85°C 90°C，保溫lh，加入尿素和助劑，保溫?cái)嚢?0分鐘后降溫至30°C，得紅棕色黏稠液體，即為本發(fā)明的木材改性劑。實(shí)施例3準(zhǔn)確稱量以下重量的原料組分質(zhì)量濃度為36%的甲醛水溶液540份、尿素20份、苯酚200份、乙基硅醇165份、氫氧化鈉15份、氯化鋁15份。將融化的苯酚加入到反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌，再加入1/3重量的甲醛水溶液，同時(shí)緩慢加入1/2重量的堿性催化劑，然后將釜溫升至45°C 50°C后停止加熱，此時(shí)釜溫繼續(xù)上升，控制釜溫不超過(guò)60°C，升溫結(jié)束后在50°C保溫lh，保溫結(jié)束后加入剩余的甲醛溶液和有機(jī)硅，并緩慢加入剩余的堿性催化劑氫氧化鈉，然后將釜溫升至85°C 90°C，保溫lh，加入尿素和助劑，保溫?cái)嚢?0分鐘后降溫至30°C，得紅棕色黏稠液體，即為本發(fā)明的木材改性劑。實(shí)施例4準(zhǔn)確稱量以下重量的原料組分質(zhì)量濃度為35%的甲醛水溶液720份、尿素20份、羥甲基苯酚250份、甲基硅醇200份、氫氧化鈣20份、氯化鋇20份。將融化的苯酚加入到反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌，再加入1/3重量的甲醛水溶液，同時(shí)緩慢加入1/2重量的堿性催化劑氫氧化鈣，然后將釜溫升至45°C 50°C后停止加熱，此時(shí)釜溫繼續(xù)上升，控制釜溫不超過(guò)60°C，升溫結(jié)束后在50°C保溫lh，保溫結(jié)束后加入剩余的甲醛溶液和有機(jī)硅，并緩慢加入剩余的堿性催化劑，然后將釜溫升至85°C 90°C，保溫lh，力口入尿素和助劑，保溫?cái)嚢?0分鐘后降溫至30°C，得紅棕色黏稠液體，即為本發(fā)明的木材改性劑。實(shí)施例5準(zhǔn)確稱量以下重量的原料組分質(zhì)量濃度為35%的甲醛水溶液400份、尿素10份、苯酚150份、甲基硅醇130份、氫氧化鉀13份、氯化鋁15份。將融化的苯酚加入到反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌，再加入1/3重量的甲醛水溶液，同時(shí)緩慢加入1/2重量的堿性催化劑氫氧化鉀，然后將釜溫升至45°C 50°C后停止加熱，此時(shí)釜溫繼續(xù)上升，控制釜溫不超過(guò)60°C，升溫結(jié)束后在50°C保溫lh，保溫結(jié)束后加入剩余的甲醛溶液和有機(jī)硅，并緩慢加入剩余的堿性催化劑，然后將釜溫升至85°C 90°C，保溫lh，加 入尿素和助劑，保溫?cái)嚢?0分鐘后降溫至30°C，得紅棕色黏稠液體，即為本發(fā)明的木材改性劑。本發(fā)明木材改性劑，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)證明，在其他具體實(shí)施例中，改性劑的組分在甲醛500 800份、尿素20份、酚類化合物200 400份、有機(jī)硅150 300份、堿性催化齊IJ 5 30份，助劑10 50份范圍內(nèi)均可達(dá)到預(yù)定效果，密度、硬度、尺寸穩(wěn)定性、抗水性均有較大的改善。當(dāng)甲醛600 800份、尿素20份、酚類化合物200 300份、有機(jī)硅200 300份、堿性催化劑10 20份，助劑20 30份時(shí)，改性效果更好。優(yōu)選地，其中酚類化合物可選自苯酚、對(duì)二甲基苯酚、羥甲基苯酚；有機(jī)硅化合物可選自羥甲基硅氧烷、甲基硅醇、乙基硅醇、丙基硅醇、六甲基環(huán)三硅氧烷、甲基硅油；堿性催化劑可選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇、氫氧化鈣；助劑可選自氯化鋁或氯化鋇。效果評(píng)價(jià)本發(fā)明木材專用改性劑對(duì)木材的尺寸穩(wěn)定性、硬度和密度影響的試驗(yàn)改性劑試驗(yàn)例1-5得到的改性劑500g和65g水混合均勻，即得。改性方法采用常溫真空加壓法改性，真空度-O. 095MPa下保壓20min，后在O. 6MPa條件下，加壓I. 5小時(shí)。試件干燥45°C干燥至含水率小于50%，55°C干燥至含水率小于30%，65°C干燥至含水率小于20%，80°C干燥至含水率小于15%，120°C干燥至含水率小于8%，干燥完成。試件基材楊木(設(shè)有兩種處理材和未處理材)試件規(guī)格硬度檢測(cè)試件規(guī)格100mm*50mm*2Omm尺寸穩(wěn)定性試件規(guī)格20mm*20mm*2Omm檢測(cè)設(shè)備電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)=WDW-IO濟(jì)南君瀾試金實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)檢測(cè)方法1、硬度檢測(cè)用電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試件硬度，各測(cè)兩次取平均值。2、尺寸穩(wěn)定性、抗水性檢測(cè)檢測(cè)試件處理前后的絕干質(zhì)量，處理前的絕干體積，浸泡(40°C 72h)后處理后的體積和質(zhì)量3、甲醛釋放量檢測(cè)采用穿孔法檢測(cè)計(jì)算方法體積膨脹系數(shù)S= (V2-V1) /Vl*100%抗縮系數(shù)ASE= (S1-S2)/Sl*100%增重率WPG= (G2_G1)/G1* 100%
未處理材的吸水率Wl = (G3-G1)/61*100%處理材的吸水率W2=(G4_G2)/G2抗吸水性RWA= (W1-W2) /Wl密度P=G/V
式中V1 :試樣在浸水之前的絕干體積，mm3 ；V2 :試樣在浸水之前的絕干體積，mm3 ；SI :未處理材的體積膨脹系數(shù)；S2 :處理材的體積膨脹系數(shù)；:G1 :未處理材絕干重，g ；G2:處理材絕干重，g;G3:未處理材的濕重，g G4:處理才的濕重，g;Wl:未處理材的吸水率；W2 :處理材的吸水率。測(cè)量結(jié)果如表I至表5所不表I本發(fā)明改性劑對(duì)木材尺寸穩(wěn)定性的影響
實(shí)驗(yàn)編I 絕千質(zhì)量/g體積Zmm3
-「--1- g WPG ASE
號(hào)處理前處理后處理前處理后____、
實(shí)驗(yàn)一 3.7042 5.11546 8346.558563.22.53% 38.10% 79
實(shí)驗(yàn)二 3.8736 5.93535 8214.848475.93.08% 53.23% 75
實(shí)驗(yàn)三 I 3.9586 5.6956 8279.568546.23.12% 43.88% 74
實(shí)驗(yàn)四 3.9473 5.47834 8620.628872.62.84% 38.79% 76
實(shí)驗(yàn)五 3.6771 5.13764 8151.718380.52.73% 39.72% 77
基材 I 3.3451___8005.529105.4612.08%___表2本發(fā)明改性劑對(duì)木材硬度的影響
試驗(yàn)編號(hào)平均硬度/KN 硬度變化率~
實(shí)驗(yàn)一3852.685.81%
實(shí)驗(yàn)二4213.21103.20%
實(shí)驗(yàn)三4203.01102. 71%
實(shí)驗(yàn)四3953. 790.69%
權(quán)利要求
1.一種木材專用改性劑，其特征在于，含有以下重量份的組分甲醛500 800份、尿素20份、酚類化合物200 400份、有機(jī)硅150 300份、堿性催化劑5 30份，助劑10 50份，其中所述甲醛為質(zhì)量濃度為35% 37%的水溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的木材專用改性劑，其特征在于，含有以下重量份的組分甲醛600 800份、尿素20份、酚類化合物200 300份、有機(jī)硅200 300份、堿性催化劑10 20份，助劑20 30份，其中所述甲醛為質(zhì)量濃度為35% 37%的水溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的改性劑，其特征在于，所述的酚類化合物選自苯酚、烷基酚或芳香基酚中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的改性劑，其特征在于，所述的有機(jī)硅選自正硅酸乙酯、端輕基娃氧燒、燒基娃醇、端輕基娃氧燒、苯基燒氧基娃燒、~■甲基環(huán)娃氧燒、甲基二甲氧基硅烷中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利I或2中所述的改性劑，其特征在于，所述的堿性催化劑選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇、氫氧化銨、氫氧化鈣、乙二胺、二乙胺中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利I或2中所述的改性劑，其特征在于，所述的助劑選自氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、氯化鎂、氯化鋇、氯化鋁中的一種或多種。
7.制備權(quán)利要求I或2所述的木材專用改性劑的方法，其特征在于，按照如下方法合成將融化的酚類化合物加入到反應(yīng)釜中，開動(dòng)攪拌，再加入1/3重量的甲醛溶液，同時(shí)緩慢加入1/2重量的堿性催化劑，然后將釜溫升至45°C 50°C后停止加熱，此時(shí)釜溫繼續(xù)上升，控制釜溫不超過(guò)60°C，升溫結(jié)束后在50°C保溫lh，保溫結(jié)束后加入有機(jī)硅和剩余的甲醛溶液，并緩慢加入剩余的堿性催化劑，然后將釜溫升至85°C 90°C，保溫lh，加入尿素和助劑，保溫?cái)嚢?0分鐘后降溫至30°C，得紅棕色黏稠液體，即得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種木材專用改性劑及其制備方法，含有以下重量份的組分甲醛500～800份、尿素20份、酚類化合物200～400份、有機(jī)硅150～300份、堿性催化劑5～30份，助劑10～50份，其中所述甲醛為質(zhì)量濃度為35%～37%的水溶液。本發(fā)明木材專用改性劑主要由一種低分子量的改性酚醛樹脂組成，其特點(diǎn)是粘度低、水溶性好、儲(chǔ)存穩(wěn)定性好、合成工藝簡(jiǎn)單、甲醛釋放量低，適用于各種樹種的改性，尤其是對(duì)速生材的改性，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。而且用該改性劑對(duì)木材進(jìn)行處理之后，基材的密度、尺寸穩(wěn)定性、硬度、抗水性、抗腐蝕性均有大幅度的提高。
文檔編號(hào)C08G8/28GK102941605SQ20121041064
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者雷得定, 毛彥杰, 郝丙業(yè) 申請(qǐng)人:永港偉方(北京)科技股份有限公司