一种高渗透性树脂型木材增强改性剂及高效浸渍处理控制方法
技术领域
本发明属于一种可对难浸注木材进行有效渗透的高活性高渗透树脂型木材增强改性剂及高效浸渍处理控制方法。
背景技术
我国人工林面积居世界第一,由于人工林木材存在密度小、材质软、强度低等缺陷，需要进行增强改性处理，才能实现其高附加值利用，从而促进我国人工林资源优势向经济优势转化.但有些木材(如杉木）浸注难一直以来是木材改性专家力图攻克的难题。由于杉木木材纹孔通常被无定形物质沉积和形成完全结壳的纹孔膜等原因，渗透性差,国内外研究人员曾分别提出机械处理、溶剂置换处理、蒸汽爆破、水热处理、微生物处理和冷冻干燥等多种改善木材渗透性的方法，但从没有用于杉木的成功报道.所以，提高改性药液渗透性、改良浸渍处理工艺，从而实现对难浸注木材的有效渗透是解决难浸注人工林木材改性的关键.
国内外学者对树脂浸渍改性进行了大量研究，多致力于提高低质木材的密度、尺寸稳定性及力学性能。树脂浸渍改性存在的问题：改性液分子量偏大、粘度较高，难以实现对大规格板材的均匀、有效渗透;改性液的制备过程中，游离甲醛含量超标，对人体和环境有害；药剂储存期较短,短期内易浑浊,不能重复利用；改性木材表面吸潮,影响油漆和胶合性能；树脂浸渍增强处理在提高木材强度的同时常会引起韧性降低；改性处理综合成本较高。因此，低成本、低甲醛、保韧、增强、可重复利用、高渗透、低分子量有机树脂的研制是树脂浸渍改性要解决的重要问题.
发明内容
本发明的目的是设计一种高渗透性树脂型木材增强改性剂及高效浸渍处理控制方法，可对难浸注的木材进行充分渗透,显著改善木材性能,经该方法改性的人工林软质木材，具有密度大,强度高，韧性好,尺寸稳定，阻燃,防霉防腐,加工性能好，生产环保，使用效果好,附加值高等优点.
为此，本发明的方法有如下步骤:
（1）按照三聚氰胺、甲醛、甲醇、尿素摩尔比为1：2～2.5:0。5～1.0：0.2～1.0的配比备料，增韧剂加入量为三聚氰胺的10％～30%;
(2）将占三聚氰胺重量份30%～35％的三聚氰胺和占三聚氰胺重量份10％～30%的增韧剂加入反应釜中,升温搅拌,用乙酸调节溶液pH值为4。5～6.0，升温至80~90℃，反应60～90分钟，得到三聚氰胺和增韧剂混合液;
(3）将反应釜降低温度至60℃,加入甲醛和剩余的三聚氰胺,用浓度20%氢氧化钠溶液调节溶液pH值为8。0～9。0,温度控制在70～80℃，反应40～60分钟,得到醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂混合液；
（4)在醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂混合液中加入占尿素重量份80%～85％的尿素和全部甲醇，用浓度40%氢氧化钠溶液调节溶液pH值为11.5～12.5,升温至65～75℃,反应60分钟，降低温度至60～62℃，加入剩余尿素，用浓度10%盐酸溶液调节溶液PH值为7。0～8。0,继续反应,得到醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂以及脲醛树脂的混合液.
(5）当反应液与水的混合倍数为1：5～10时,降温至30～60℃，加入占醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂以及脲醛树脂的混合液体积5％~7％的阻聚剂，降低温度至40℃以下，得到增强保韧改性剂；
（6）将增强保韧改性剂加水，调配成质量百分数为10％～30%的水溶液,加入占水溶液体积1%～10％的阻燃剂和占水溶液体积0。05％～5％的防霉防腐剂，混合均匀，得到高渗透性树脂型木材增强改性剂；
（7）将含水率为10%或以下的人工林木材置入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内负压为—0.08～—0。10MPa,保持30～60分钟；利用浸渍处理罐内的负压作用将高渗透高活性树脂型木材增强保韧改性剂注入处理罐并充分淹没木材，解除真空，向罐体内施加0.4～1。2MPa的气压，保持1~4小时；
（8）解除浸渍处理罐压力，抽真空使罐内负压为—0。08～-0。10MPa,保持30～60分钟;解除真空，向罐体内施加0。4～1.2MPa的气压,保持1~4小时；以相同或在范围内不同的压力和时间交替进行抽真空、卸压、加压、保压、卸压过程，共计2～5次；
(9）解除浸渍处理罐的压力，将剩余的高渗透性树脂型木材增强改性剂排出、收集并重复使用,取出经过浸渍处理的木材,码垛，气干至含水率50%以下,再进行窑干，干燥温度40~160℃，干燥时间7~17天，最终得到含水率为8%～12%的改性木材。
所述的增韧剂为聚乙二醇、聚硅氧烷、聚乙烯醇、二甘醇、聚丙二醇缩水甘油醚中的一种,或多种的组合.
所述的阻聚剂聚为乙二醇、一缩二丙二醇、二甘醇、环氧丙烷丁基醚中的一种或多种
的组合.
所述的阻燃剂为硼酸、硼砂、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、低聚合度聚磷酸铵中的一种或多种的组合。
所述的防霉防腐剂为硼酸、硼砂、季铵铜、戊唑醇、丙环唑、环丙唑醇、三溴化硼、二癸基二甲基氯化铵、三甲氧基硅基丙基—十八烷基二甲基氯化铵中的一种或多种的组合。
所述的人工林木材为人工种植的杨木、杉木、松木、泡桐、橡胶木等速生木材.
上述方法达到了本发明的目的.
本发明可对难浸注的木材进行充分渗透，显著改善木材性能，经该方法改性的人工林软质木材，具有密度大，强度高,韧性好，尺寸稳定，阻燃,防霉防腐,加工性能好,生产环保，使用效果好，附加值高等优点。
利用本发明的高渗透性树脂型木材增强改性剂及“呼吸式\"浸渍和控制方法，可有效打通如杉木纹孔等渗透通道.经本发明处理的杉木在SEM扫描电镜下可见杉木具缘纹孔缘被破坏等情况，在TEM透射电镜下可见杉木闭塞纹孔复原等情况.处理后木材增重率达32％。含水率8％.密度由处理前的0。352g/cm3增大到0。590g/cm3.抗胀率可提升53%以上。抗弯弹性模量由4。9Gpa增大到7。4Gpa。抗弯强度由47。7Mpa增大到79.3Mpa。抗压强度由22。5Mpa增大到44。2Mpa。表面硬度由1042N增大到2354N。冲击韧性由21.58KJ/m2增大到22。96KJ/m2.干燥器法甲醛释放量≤0。4mg/L。氧指数由23％提升到49％；防霉防腐性能良好。
经本发明改性处理后的人工林杉木、杨木等软质木材,最突出的优点是密度大，强度高,韧性好，尺寸稳定，阻燃，防霉防腐，加工性能好,环保，可直接用于实木地板、门窗、家具、装饰墙板等高附加值产品加工,而且可根据需要加入水溶性染料赋予处理材染色等其它功能,完全适应当前市场对改性木材的多功能化需求。本发明可应用到杨木、杉木、松木、泡桐、橡胶木等人工林速生木材，大大提升其利用价值和产品附加值.
按照GB/T14074-2006《木材胶黏剂及其树脂检验方法》测试该高渗透性树脂型木材增强改性剂的各项性能指标如下：
外观：无色透明均质液体；
固体含量:54~58%;
pH值:7。0~8.0；
黏度（23℃）：4～7mPa。s;
游离甲醛含量:0.15％；
水混合倍数：5~10倍;
储存期：大于45天。
本发明可应用到杨木、杉木、松木、泡桐、橡胶木等人工林速生木材,大大提升其利用价值和产品附加值。
具体实施方式
一种高渗透性树脂型木材增强改性剂及高效浸渍处理控制方法，步骤如下:
（1）按照三聚氰胺、甲醛、甲醇、尿素摩尔比为1：2～2。5：0。5～1.0：0。2～1。0的配比备料，增韧剂加入量为三聚氰胺的10％~30％；
(2）将占三聚氰胺重量份30％～35％的三聚氰胺和占三聚氰胺重量份10％～30％的增韧剂加入反应釜中，升温搅拌，用乙酸调节溶液pH值为4。5～6。0，升温至80～90℃，反应60～90分钟,得到三聚氰胺和增韧剂混合液；
(3）将反应釜降低温度至60℃,加入甲醛和剩余的三聚氰胺，用浓度20％氢氧化钠溶液调节溶液pH值为8。0~9.0，温度控制在70~80℃，反应40～60分钟，得到醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂混合液;
（4)在醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂混合液中加入占尿素重量份80％～85％的尿素和全部甲醇,用浓度40％氢氧化钠溶液调节溶液pH值为11。5～12。5，升温至65～75℃，反应60分钟,降低温度至60～62℃，加入剩余尿素，用浓度10%盐酸溶液调节溶液PH值为7。0～8。0，继续反应，得到醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂以及脲醛树脂的混合液。
（5)当反应液与水的混合倍数为1：5~10时，降温至30~60℃，加入占醚化增韧的三聚氰胺甲醛树脂以及脲醛树脂的混合液体积5％～7%的阻聚剂，降低温度至40℃以下，得到增强保韧改性剂；
(6）将增强保韧改性剂加水，调配成质量百分数为10%～30%的水溶液,加入占水溶液
体积1％~10%的阻燃剂和占水溶液体积0.05％～5％的防霉防腐剂,混合均匀,得到高渗透性树脂型木材增强改性剂;
(7）将含水率为10％或以下的人工林木材置入密闭的浸渍处理罐中，抽真空使罐内负压为-0。08~-0。10MPa，保持30～60分钟;利用浸渍处理罐内的负压作用将高渗透高活性树脂型木材增强保韧改性剂注入处理罐并充分淹没木材,解除真空，向罐体内施加0。4～1。2MPa的气压,保持1～4小时；
（8）解除浸渍处理罐压力，抽真空使罐内负压为—0。08～-0。10MPa，保持30~60分钟；解除真空,向罐体内施加0。4～1.2MPa的气压，保持1～4小时;以相同或在范围内不同的压力和时间交替进行抽真空、卸压、加压、保压、卸压过程,共计2～5次；
（9）解除浸渍处理罐的压力，将剩余的高渗透性树脂型木材增强改性剂排出、收集并重复使用,取出经过浸渍处理的木材，码垛，气干至含水率50%以下,再进行窑干，干燥温度40～160℃，干燥时间7～17天，最终得到含水率为8%～12％的改性木材。
所述的增韧剂为聚乙二醇、聚硅氧烷、聚乙烯醇、二甘醇、聚丙二醇缩水甘油醚中的一种，或多种的组合。
所述的阻聚剂聚为乙二醇、一缩二丙二醇、二甘醇、环氧丙烷丁基醚中的一种或多种的组合.
所述的阻燃剂为硼酸、硼砂、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、低聚合度聚磷酸铵中的一种或多种的组合。
所述的防霉防腐剂为硼酸、硼砂、季铵铜、戊唑醇、丙环唑、环丙唑醇、三溴化硼、二癸基二甲基氯化铵、三甲氧基硅基丙基—十八烷基二甲基氯化铵中的一种或多种的组合。
所述的人工林木材为人工种植的杨木、杉木、松木、泡桐、橡胶木等速生木材。
实施例1：
将10kg三聚氰胺和1kg聚乙烯醇、4kg聚乙二醇加入反应釜中,升温至80℃，搅拌均匀后用乙酸调节溶液pH值为5。0,温度保持在80℃,反应60分钟；降温至60℃，加入38kg甲醛和18kg三聚氰胺，用氢氧化钠调节溶液pH值为9.0,温度保持在75℃，反应60分钟；加入10.5kg尿素和17kg甲醇，调节溶液pH值为12，升温至70℃,反应60分钟；降温至65℃，加入2kg尿素，调节溶液pH值为7。5，继续反应；当反应液与水的混合倍数为7时，降温至40℃,加入3.5kg一缩二丙二醇、2kg二甘醇,得到一种高渗透高活性树脂型木材增强保韧改性剂.将合成的浸渍改性剂加水稀释成质量分数为20％的树脂溶液,加入占溶液质量百分数分别为1％的硼酸、2％的硼砂和0.1％丙环唑，得到木材浸渍改性处理溶液。
按照GB/T14074-2006《木材胶黏剂及其树脂检验方法》测试该高活性高渗透树脂型木材增强改性处理溶液的各项性能指标如下：
外观:无色透明均质液体；
固体含量:56％;
pH值：7。0～8。0；
黏度(23℃）：6mPa.s；
游离甲醛含量：0。15％；
水混合倍数:9倍；
储存期：60天.
将规格为2000mm×200mm×25mm（纵向×弦向×径向）、含水率为8—10%的人工林杉木和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,使罐内负压达—0.10MPa，保持30min;利用罐内负压作用吸入改性液充分淹没木材,解除真空,向罐体内施加0。6MPa的气压，保持2小时。解除压力，抽真空至—0.10MPa,保持30min；解除真空，加压至0。8MPa,保持2小时。解除压力，抽真空至-0.10MPa,保持30min;解除真空，加压至1。0MPa，保持2小时。解除压力，抽真空至—0。10MPa，保持30min；解除真空,加压至1。2MPa，保持2小时。解除压力，排出余液，取出处理材,码垛，气干至50％以下含水率，移入干燥窑，在40～160℃的温度下,梯度式升温干燥，干燥10天，得到改性木材.
按照GB/T1927~1943—2009《木材物理力学性质试验方法》等标准方法对木材改性处理前后的各项物理力学性能指标进行检测,结果如下：
人工林杨木处理材：处理后木材增重率达36％，含水率8%，密度由处理前的0.395g/cm3增大到0。687g/cm3;抗胀率可提升55%以上；抗弯弹性模量由8。6Gpa增大到13.2Gpa；抗弯强度由58。3Mpa增大到112。8Mpa;抗压强度由29.8Mpa增大到63.5Mpa;表面硬度由1128N增大到3158N；冲击韧性由22。14KJ/m2增大到25。
36KJ/m2;干燥器法甲醛释放量≤0.35mg/L；氧指数由24％提升到50％；防霉防腐性能良好。
人工林杉木处理材:利用本发明的高活性高渗透性树脂型木材增强改性剂及“呼吸式\"浸渍控制技术,可有效打通杉木纹孔等渗透通道,在SEM扫描电镜下可见杉木具缘纹孔缘被破坏等情况,在TEM透射电镜下可见杉木闭塞纹孔复原等情况；处理后木材增重率达32％，含水率8%，密度由处理前的0.352g/cm3增大到0.590g/cm3;抗胀率可提升53％以上；抗弯弹性模量由4。9Gpa增大到7.4Gpa；抗弯强度由47。7Mpa增大到79.3Mpa;抗压强度由22。5Mpa增大到44.2Mpa；表面硬度由1042N增大到2354N；冲击韧性由21.58KJ/m2增大到22。96KJ/m2，干燥器法甲醛释放量≤0。45mg/L；氧指数由23％提升到49%；防霉防腐性能良好。
经本发明改性处理后的人工林杉木、杨木等软质木材,最突出的优点是密度大，强度高，韧性好，尺寸稳定，阻燃,防霉防腐,加工性能好，环保，可直接用于实木地板、门窗、家具、装饰墙板等高附加值产品加工，而且可根据需要加入水溶性染料赋予处理材染色等其它功能,完全适应当前市场对改性木材的多功能化需求。本发明可应用到杨木、杉木、松木、泡桐、橡胶木等人工林速生木材，大大提升其利用价值和产品附加值。
总之,本发明可对难浸注的木材进行充分渗透,显著改善木材性能,经该方法改性的人工林速生木材，具有密度大，强度高,韧性好，尺寸稳定,阻燃，防霉防腐,加工性能好，生产环保,使用效果好，附加值高等优点。