一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法
【專利摘要】一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，本發明涉及防腐木材的制備方法。本發明要解決現有木材防腐劑危害環境和易流失，而單獨使用不污染環境的糠醇和氮羥甲基樹脂為處理藥液存在處理后的木材無法同時兼具優良的抗流失率和防腐效果兩種性能，而使用糠醇和氮羥甲基樹脂簡單復配制備成的處理藥液則存在糠醇和氮羥甲基樹脂之間的協效性差、處理藥液不穩定和處理木材收縮變形的問題。方法：一、木材的氣干處理；二、處理藥液的配置；三、木材的真空加壓浸漬處理；四、干燥，即得到利用環保低分子有機藥劑制備的具有高度尺寸穩定性的防腐木材。本發明是一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法。
【專利說明】一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及防腐木材的制備方法。
【背景技術】
[0002]木材是一種生物質多孔材料，容易遭受微生物、蟲的腐朽。尤其，將木質品用于室夕卜，這對木材防腐性能就有更高的要求。而通過物理或者化學的方法對木材進行防腐處理是一種有效改善木材防腐性能的方法，木材防腐劑主要包括油類防腐劑(如雜酚右和蔥油)、油載防腐劑(如五氯酚、環烷酸酮等)和水載防腐劑(鉻砷酸酮、無機金屬類和無機鵬類)三大類。目前使用最為廣泛的是水載防腐劑，但是存在的技術問題是防腐劑的抗流失性較差和防腐劑在木材中的分布不均勻。煤雜酚油(creosote)是一種傳統的油類防腐劑，可是煤雜酚油(creosote)除了具有毒性對人畜和環境會造成很大的影響外，還存在的技術缺陷就是處理后木材的防腐劑溶液滲出，木材表面天然的紋理會受到影響。五氯酚是油基防腐劑中使用較多的一種，它不但對人畜毒性較大，而且對環境也有負面影響，因此在許多國家如新西蘭、德國、日本和瑞典等已經被禁止使用。鉻砷酸銅CCA(chromated copperarsenate)是公認的防腐效能較高的水基防腐劑。但是CCA中含有的砷和鉻對人和應用環境土壤和水源存在潛在危害，CCA處理材的廢棄處理或者回收仍缺乏妥善的途徑，因此很多歐美國家如美國、加拿大、德國等已經開始禁用CCA。除CCA之外，其它含有砷或鉻的防腐劑還有ACC (酸性鉻酸銅)、ACA (氨溶砷酸銅)、ACZA (氨溶砷酸鋅銅)、CCB (加鉻硼酸銅)等，這些防腐劑也面臨著與CCA相似的問題。
[0003]為了避免傳統防腐劑的環境危害性和易流失問題，世界上已經發展成熟了利用低分子量有機功能藥劑處理木材，制備具有優異防腐效果的處理木材，比如利用醋酸酐單體或者氮羥甲基樹脂處理的木材。先前葡萄牙的Esteves等已經在學術期干丨J European Journal of Wood and Wood Products 上發表了 文章 Properties offurfurylated wood(Pinus Pinaster),挪威的“木聚合物技術有限公司”也申請相關專利，如W02004/011214、W02005/016606，他們系統的報道了利用糠醇單體和低聚體處理木材，通過糠醇分子在細胞壁中的縮合和/或交聯反應，增強木材的尺寸穩定性和力學性能，處理木材的藥劑流失率低于10%，但發現糠醇處理后的木材防腐性能有限(歐洲標準EN113檢測發現在10%的增重率條件下，白腐和褐腐降解導致的重量損失高于30%);德國哥廷根大學謝延軍博士在其博士論文中報道了氮羥甲基樹脂處理木材具有非常好的耐腐朽菌侵害能力(ENl 13檢測低于10%)，但其水解較為嚴重，流失率較高(>40%)，不能賦予室外木材持久的尺寸穩定性，且對木材的強度損害較明顯。為了充分利用糠醇和氮羥甲基樹脂處理木材的優點、避開其對木材的負面影響，制備抗流失性高的防腐木材，將兩種藥劑復配是一種選擇，但簡單的復配又會因為糠醇與氮羥甲基樹脂水溶液協效性差，所得處理木材收縮嚴重(>10%)。
[0004]綜上所述，現有木材防腐方法處理藥液主要存在以下問題:
[0005]一、現有處理藥液危害環境和易流失；[0006]二、采用糠醇和氮羥甲基為處理藥液不污染環境，但單獨采用糠醇和氮羥甲基為處理藥液存在處理后的木材無法兼具優良的抗流失率和防腐效果兩種性能，單獨采用糠醇為處理藥液可增強木材的尺寸穩定性和力學性能，處理木材的藥劑流失率低于10%，但糠醇處理后的木材防腐性能有限(歐洲標準EN113檢測發現在10%的增重率條件下，白腐和褐腐降解導致的重量損失高于30%)，單獨采用氮羥甲基樹脂為藥液處理的木材具有非常好的耐腐朽菌侵害能力(ENl 13檢測低于10%)，但其水解較為嚴重，流失率較高(>40%)，不能賦予室外木材持久的尺寸穩定性，且對木材的強度損害較明顯；
[0007]三、直接將糠醇和氮羥甲基樹脂復合制備處理藥液則存在糠醇和氮羥甲基樹脂之間的協效性差，處理藥液不穩定的問題，處理后的木材尺寸不穩定，收縮嚴重(>10%)。
【發明內容】
[0008]本發明要解決現有木材防腐方法存在處理藥液危害環境和易流失，而單獨使用不污染環境的糠醇和氮羥甲基樹脂為處理藥液存在處理后的木材無法兼具優良的抗流失率和防腐效果兩種性能，如使用糠醇和氮羥甲基樹脂簡單復配制備處理藥液則存在糠醇和氮羥甲基樹脂之間的協效性差，藥液不穩定和處理木材易變形的問題，從而提供一種利用環保低分子有機藥劑處理木材，制備防腐木材的方法。
[0009]一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0010]一、木材的氣干處理:將木材放置在空氣中氣干，得到氣干后的木材；
[0011]二、處理藥液的配置:按質量份數稱取3份?10份的表面活性劑、2份?15份的糠醇、40份?89份的水、5份?30份的氮羥甲基樹脂和I份?5份的催化劑；然后將3份?10份的表面活性劑、2份?15份的糠醇和40份?89份的水混合均勻，再加入5份?30份的氮羥甲基樹脂和I份?5份的催化劑，混合均勻，并調節溶液pH值到3.5?7或7?8.5，得到處理藥液；
[0012]所述的糠醇和氮羥甲基樹脂的總質量份數為7份?45份；
[0013]三、木材的真空加壓浸潰處理:在木材防腐真空加壓設備中，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，并在真空度為-0.1MPa?-0.05MPa下浸潰Ih?24h，然后在壓力為0.1MPa?3.5MPa下，將真空浸潰后的木材保壓2h?48h，得到真空加壓浸潰處理后的木材；
[0014]四、干燥:將真空加壓浸潰處理后的木材放置在空氣中氣干，得到氣干后的浸潰木材，然后利用鼓風干燥箱對氣干后的浸潰木材進行梯度升溫干燥處理，即得到利用環保低分子有機藥劑制備的防腐木材。
[0015]本發明的有益效果是:一、解決了防腐藥液中功能主劑糠醇和氮羥甲基樹脂之間的協效性難題，配制穩定的處理藥液；二、處理后的木材兼具優良的抗流失性能和防腐效果，提高處理木材的抗流失率(93%?95%),增強防腐效果好(腐朽失重5%?17%,遠低于未處理木材的腐朽失重65%以上)；三、改善木材的尺寸穩定性，抗脹縮系數>65% ;四、為環境友好型防腐木，制備和使用過程中無重金屬和毒液等環境污染影響。
[0016]本發明用于一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法。【具體實施方式】
[0017]本發明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0018]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0019]一、木材的氣干處理:將木材放置在空氣中氣干，得到氣干后的木材；
[0020]二、處理藥液的配置:按質量份數稱取3份?10份的表面活性劑、2份?15份的糠醇、40份?89份的水、5份?30份的氮羥甲基樹脂和I份?5份的催化劑；然后將3份?10份的表面活性劑、2份?15份的糠醇和40份?89份的水混合均勻，再加入5份?30份的氮羥甲基樹脂和I份?5份的催化劑，混合均勻，并調節溶液pH值到3.5?7或7?8.5，得到處理藥液；
[0021]所述的糠醇和氮羥甲基樹脂的總質量份數為7份?45份；
[0022]三、木材的真空加壓浸潰處理:在木材防腐真空加壓設備中，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，并在真空度為-0.1MPa?-0.05MPa下浸潰Ih?24h，然后在壓力為0.1MPa?3.5MPa下，將真空浸潰后的木材保壓2h?48h，得到真空加壓浸潰處理后的木材；
[0023]四、干燥:將真空加壓浸潰處理后的木材放置在空氣中氣干，得到氣干后的浸潰木材，然后利用鼓風干燥箱對氣干后的浸潰木材進行梯度升溫干燥處理，即得到利用環保低分子有機藥劑制備的防腐木材。
[0024]本實施方式步驟三中真空度和壓力可以根據具體木材尺寸調整，從而達到最好的浸潰效果。
[0025]本實施方式步驟四中將真空加壓浸潰處理后的木材放置在空氣中氣干是為了防止直接固化干燥時導致開裂或變形。
[0026]本實施方式步驟一中所述的將木材放置在空氣中氣干和步驟四中所述的將真空加壓浸潰處理后的木材放置在空氣中氣干至大氣含水率平衡，通常情況下含水率在8%?15%以內。
[0027]藥劑在木材中的固定機理是，在高溫和催化劑的作用下，糠醇主要以縮合的方式在細胞壁中形成大分子，填充細胞壁微孔；氮羥甲基樹脂則與細胞壁物質發生交聯，封閉木材細胞壁(主要是非結晶區)中的吸濕性羥基。處理后的木材含水率降低、細胞壁微孔變小、細胞壁物質化學結構發生永久改變，各種腐朽菌的降解酶不能進入細胞壁內部，也不能識別交聯后木材細胞壁的物質，因此，處理木材不能為這些腐朽菌提供它們所需要的食物和適宜它們生存環境的條件，從而達到防腐效果。
[0028]本實施方式的有益效果是:一、解決了防腐藥液中功能主劑糠醇和氮羥甲基樹脂之間的協效性難題，配制穩定的處理藥液；二、處理后的木材兼具優良的抗流失性能和防腐效果，提高處理木材的抗流失率(93%?95%)，增強防腐效果好(腐朽失重5%?17%，遠低于未處理木材的腐朽失重65%以上)；三、改善木材的尺寸穩定性,抗脹縮系數>65% ;四、為環境友好型防腐木，制備和使用過程中無重金屬和毒液等環境污染影響。
[0029]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟二中所述的表面活性劑為脂肪酸甘油酯或脂肪酸山梨坦。其它與【具體實施方式】一相同。[0030]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:步驟二中所述的催化劑為氯化鎂、檸檬酸或康定素。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0031]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:步驟二中按質量份數稱取3份?7份的表面活性劑、3份?10份的糠醇、50份?80份的水、7份?25份的氮羥甲基樹脂和2份?4份的催化劑；所述的糠醇和氮羥甲基樹脂的總質量份數為10份?30份。其它與【具體實施方式】一至三相同。
[0032]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟二中調節溶液PH值到1.5?6.5。其它與【具體實施方式】一至四相同。
[0033]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:步驟三中在木材防腐真空加壓設備中，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，并在真空度為-0.1MPa?-0.05MPa下浸潰Ih?24h，然后在壓力為0.1MPa?3.0MPa下，將真空浸潰后的木材保壓2h?48h，得到真空加壓浸潰處理后的木材。其它與【具體實施方式】一至五相同。
[0034]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:步驟四中所述的梯度升溫干燥處理具體操作如下:將氣干后的浸潰木材從室溫升溫至40°C?60°C，并在溫度為40°C?60°C下保持Ih?24h，然后將溫度由40°C?60°C升溫至60V?80°C，并在溫度為60V?80°C下保持Ih?24h，再將溫度由60°C?80V升溫至80°C?100°C，在溫度為80°C?100°C下保持Ih?24h，最后將溫度從80°C?100°C升溫至100°C?140°C，并在溫度為100°C?140°C下繼續加熱干燥12h?48h。其它與【具體實施方式】一至六相同。
[0035]本實施方式步驟四中在溫度為100°C?140°C下繼續加熱干燥12h?48h是為了使藥液完全固化在木材中。
[0036]采用以下實施例驗證本發明的有益效果:
[0037]實施例一:
[0038]本實施例所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0039]一、木材的氣干處理:將木材放置在空氣中氣干至含水率平衡，得到氣干后的木材；
[0040]二、處理藥液的配置:按質量份數稱取5份的脂肪酸甘油、3份的糠醇、83份的水、7份的氮羥甲基樹脂和2份的氯化鎂；然后將5份的脂肪酸甘油、3份的糠醇和83份的水混合均勻，再加入7份的氮羥甲基樹脂和2份的氯化鎂，混合均勻，并調節溶液pH值到4.5，得到處理藥液；
[0041]所述的糠醇和氮羥甲基樹脂的總質量份數為10份；
[0042]三、木材的真空加壓浸潰處理:采用防腐處理用的真空/加壓設備，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，并在真空度為-0.1MPa下浸潰12h，然后在壓力為
0.6MPa下，將真空浸潰后的木材保壓24h，得到真空加壓浸潰處理后的木材；
[0043]本實施例采用尺寸10mm*20mm*20mm (依次為軸向、徑向和弦向)的楊木小木塊；
[0044]四、干燥:將真空加壓浸潰處理后的木材放置在空氣中氣干至含水率平衡，得到氣干后的浸潰木材，然后利用鼓風干燥箱，將氣干后的浸潰木材梯度升溫干燥至80°C，再將溫度從80°C升溫至120°C，并在溫度為120°C下繼續加熱干燥24h，即得到利用環保低分子有機藥劑制備的防腐木材。
[0045]步驟四中所述的梯度升溫干燥具體操作如下:將氣干后的浸潰木材從室溫升溫至40°C，并在溫度為40°C下保持4h，然后將溫度由40°C升溫至60°C，并在溫度為60°C下保持4h，最后將溫度由60°C升溫至80°C，在溫度為80°C下保持4h。
[0046]實施例二:本實施例與實施例一的不同點是:步驟二中按質量份數稱取5份的脂肪酸甘油、6份的糠醇、73份的水、14份的氮羥甲基樹脂和2份的氯化鎂；然后將5份的脂肪酸甘油、6份的糠醇和73份的水混合均勻，再加入14份的氮羥甲基樹脂和2份的氯化鎂，混合均勻，并調節溶液PH值到4.5，得到處理藥液。其他與實施例一相同。
[0047]實施例三:本實施例與實施例一的不同點是:步驟二中按質量份數稱取5份的脂肪酸甘油、9份的糠醇、63份的水、21份的氮羥甲基樹脂和2份的氯化鎂；然后將5份的脂肪酸甘油、9份的糠醇和63份的水混合均勻，再加入21份的氮羥甲基樹脂和2份的氯化鎂，混合均勻，并調節溶液PH值到4.5，得到處理藥液。其他與實施例一相同。
[0048]實施例四:本實施例所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的對比實驗，具體是按照以下步驟進行的:
[0049]一、木材的氣干處理:將木材放置在空氣中氣干至含水率平衡，得到氣干后的木材；
[0050]二、真空加壓浸潰處理:采用防腐處理用的真空/加壓設備，將氣干后的木材浸潰到水中，并在真空度為-0.1MPa下浸潰12h，然后在壓力為0.6MPa下，將真空浸潰后的木材保壓24h，得到真空加壓浸潰處理后的木材，用于防腐處理木材的參照樣；
[0051]本實施例采用尺寸10mm*20mm*2Omm (依次為軸向、徑向和弦向)的楊木小木塊；
[0052]三、干燥:將真空加壓浸潰處理后的木材放置在空氣中氣干至含水率平衡，得到氣干后的浸潰木材，然后利用鼓風干燥箱，將氣干后的浸潰木材梯度升溫干燥至80°C，再將溫度從80°C升溫至120°C，并在溫度為120°C下繼續加熱干燥24h，即得到對比實驗處理后的木材。
[0053]步驟三中所述的梯度升溫干燥具體操作如下:將氣干后的浸潰木材從室溫升溫至40°C，并在溫度為40°C下保持4h，然后將溫度由40°C升溫至60°C，并在溫度為60°C下保持4h，最后將溫度由60°C升溫至80°C，在溫度為80°C下保持4h。
[0054]對實施例一至三得到的利用環保低分子有機藥劑制備的防腐木材及實施例四得到的對比實驗處理后的木材進行增重率(WPG)和流失率測試，測試步驟如下所示:1、將實施例一至三得到的利用環保低分子有機藥劑制備的防腐木材及實施例四得到的對比實驗處理后的木材直接進行增重率的測試及計算，得到WPG (未清洗);2、將實施例一至三得到的利用環保低分子有機藥劑制備的防腐木材及實施例四得到的對比實驗處理后的木材放置于蒸餾水中浸泡清洗，浸泡10天，每天更換三次蒸餾水，得到浸泡清洗后的防腐木材，然后將清洗后的防腐木材放置于空氣中氣干至含水率平衡、在干燥箱中于103° C下干燥至恒重(連續三次稱重質量變化在0.02g左右內波動)并稱重，可計算獲得未清洗前及清洗后的增重率、藥劑的流失率，測試結果如表I所示。
[0055]表1:木材增重率和流失率
[0056]
【權利要求】
1.一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，其特征在于一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法是按照以下步驟進行的: 一、木材的氣干處理:將木材放置在空氣中氣干，得到氣干后的木材； 二、處理藥液的配置:按質量份數稱取3份?10份的表面活性劑、2份?15份的糠醇、40份?89份的水、5份?30份的氮羥甲基樹脂和I份?5份的催化劑；然后將3份?10份的表面活性劑、2份?15份的糠醇和40份?89份的水混合均勻，再加入5份?30份的氮羥甲基樹脂和I份?5份的催化劑，并調節溶液pH值到1.0?6.5，混合均勻，得到處理藥液； 所述的糠醇和氮羥甲基樹脂的總質量份數為7份?45份； 三、木材的真空加壓浸潰處理:在木材防腐真空加壓設備中，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，并在真空度為-0.1MPa?-0.05MPa下浸潰Ih?24h，然后在壓力為0.1MPa?3.5MPa下，將真空浸潰后的木材保壓2h?48h，得到真空加壓浸潰處理后的木材； 四、干燥:將真空加壓浸潰處理后的木材放置在空氣中氣干，得到氣干后的浸潰木材，然后利用鼓風干燥箱對氣干后的浸潰木材進行梯度升溫干燥處理，即得到利用環保低分子有機藥劑制備的防腐木材。
2.根據權利要求1所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，其特征在于步驟二中所述的表面活性劑為脂肪酸甘油酯或脂肪酸山梨坦。
3.根據權利要求1所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，其特征在于步驟二中所述的催化劑為氯化鎂、檸檬酸或康定素。
4.根據權利要求1所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，其特征在于步驟二中按質量份數稱取3份?7份的表面活性劑、3份?10份的糠醇、50份?80份的水、7份?25份的氮羥甲基樹脂和2份?4份的催化劑；所述的糠醇和氮羥甲基樹脂的總質量份數為10份?30份。
5.根據權利要求1所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，其特征在于步驟二中調節溶液pH值到1.5?6.5。
6.根據權利要求1所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，其特征在于步驟三中在木材防腐真空加壓設備中，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，將氣干后的木材浸潰到步驟二得到的處理藥液中，并在真空度為-0.1MPa?-0.05MPa下浸潰Ih?24h，然后在壓力為0.1MPa?3.0MPa下，將真空浸潰后的木材保壓2h?48h，得到真空加壓浸潰處理后的木材。
7.根據權利要求1所述的一種利用環保低分子有機藥劑制備防腐木材的方法，其特征在于步驟四中所述的梯度升溫干燥處理具體操作如下:將氣干后的浸潰木材從室溫升溫至40°C?60°C，并在溫度為40°C?60°C下保持Ih?24h，然后將溫度由40°C?60°C升溫至60V?80°C，并在溫度為60V?80°C下保持Ih?24h，再將溫度由60V?80°C升溫至80°C?100°C，在溫度為80°C?100°C下保持Ih?24h，最后將溫度從80°C?100°C升溫至100°C?140°C，并在溫度為100°C?140°C下繼續加熱干燥12h?48h。
【文檔編號】B27K5/04GK103659968SQ201310652295
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】謝延軍, 劉培培, 王海剛, 符啟良, 王清文, 溫旭雯, 吳寧, 王德良 申請人:東北林業大學