專利名稱：木材改性專用改性液及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種改性液，特別涉及一種木材改性用改性液及其制備方法，屬于林產化工領域。
背景技術：
木材是人類的朋友，是當今公認的四大建材(鋼材、木材、水泥、塑料)中唯一可再 生資源，但是我國又是一個森林資源相對不足的國家，人均森林蓄積量只有世界平均水平 的六分之一。近年來，由于人們的過度采伐，導致世界范圍內的森林資源急劇減少，非洲一 些國家原始森林的破壞，我國天然林面積的急劇下降，更加重了人們的擔心。
我國有森林面積1. 337億公頃，森林蓄積量為101. 3億立方米，僅次于俄羅斯、巴 西、加拿大和美國，居世界第五位。但是我國人口眾多，人均森林蓄積量僅為世界平均水平 的八分之一；年人均消費木材只有O. 22立方米，而世界平均水平為O. 65立方米。發達國家 人均消費1. 6立方米，比我國高5倍多，差距是相當大的。按人均計算，我國是一個木材使 用困乏的國家，人均森林面積為世界平均水平的百分之二十二，列世界第134位。然而我國 又是世界上木材及木制品的消耗大國，又是全世界人均占有森林資源最少的國家之一。隨 著國內經濟的穩步發展，人民生活水平的提高，我國木材消耗進一步增加，供求矛盾對進一 步加劇。
為了緩解我國木材供需的壓力，國家大力推進速生豐產林的建設，經過這些年來 的不斷努力，也取得了相當的成就。但是，速生豐產林的木材生長迅速，可以緩解我國木材 的供需矛盾，但是木材又存在著材質疏松、易開裂變形和易潮易腐的缺點，嚴重的影響了應 用范圍。如何有效的延長速生材的使用壽命，改善其自身的缺點，對我國建設資源節約型社 會和環境保護具有重要的戰略意義。
目前有一些學者對木材改性方面進行了一些研究，但是都存在一個弊端就是改性 之后僅大幅度的提高了基材的密度，但是尺寸穩定性方面表現依然不佳。通過研究發現，要 想解決尺寸穩定性問題，必須解決木材的吸水性問題，而木材吸濕吸水主要是細胞壁纖維 素無定性區和微晶表面上存在大量的極性基(主要是羥基)及纖維表面的電荷對水分子的 吸附作用，所以解決吸水性問題一方面就是將纖維上的羥基與水分子隔離；另一方面就是 將纖維上的羥基反應掉，進行羥基封閉。發明內容
本發明的目的是提供一種價格低廉、工藝簡單，有效的提高木材的密度、硬度、尺 寸穩定性、抗水性的改性液及其制備方法。
為了達到上述目的，本發明一種木材改性專用改性液，含有以下重量份的組分甲 醛240份、尿素180份、工業石蠟30 80份、堿性催化劑3 10份、乳化劑O.1 10份、 水30-50份，其中甲醛濃度為37%。
優選甲醛240份、尿素180份、工業石蠟30 60份、堿性催化劑3 7份、乳化劑I 8份、水30-40份，其中甲醛濃度為37%。
更優選為甲醛240份、尿素180份、工業石蠟40份、堿性催化劑5份、乳化劑7份、 水30份、其中甲醛濃度為37%
本發明木材專用改性液，所述的工業石蠟選自精煉石蠟、半精煉石蠟、粗石蠟、液 體石蠟、聚乙烯蠟中的一種或幾種的組合，更優選為半精煉石蠟；所述堿性催化劑可以是任 意本領域常用的堿性催化劑，優選碳酸鈉、醋酸鈉、叔丁醇鉀、檸檬酸鈉中的任意一種或幾 種，更優選為檸檬酸鈉。
本發明木材專用改性液，所述的乳化劑選自硬脂酸、三乙醇胺、吐溫-60 (Tween-60)、吐溫-80 (Tween-80)>Span-60 (失水山梨醇棕櫚酸單酯-60)、Span_80 (失水 山梨醇棕櫚酸單酯-80)中的一種或他們的組合。
本發明木材專用改性液，所述的水為去離子水，加入量為石蠟重量的O. 5 I倍， 更優化為O. 7倍。
本發明木材專用改性液，其制備方法如下
I)在反應釜I中加入甲醛，用30% (質量濃度)的碳酸鈉溶液調節pH=8 10 ；
2)加入尿素重量的3/5,然后將爸溫升至80°C保溫2h ；
3)加入堿性催化劑,攪拌5min,然后加入剩下的尿素,攪拌30min后用40% (質量 濃度)硫酸調節pH=7 9，然后將合成的樹脂保溫在90°C的水浴中，保持以200 700r/min 速度勻速攪拌；
4)將石蠟與乳化劑加入反應釜2中，60°C加熱融化，然后升溫至90°C，同時開始攪 拌，調節攪拌速度為200 700r/min，保溫攪拌IOmin ；
5)加入90°C的水，勻速攪拌IOmin ；
6)用40% (質量濃度)的氫氧化鈉溶液調節pH=7 11，勻速攪拌lOmin，然后將該 乳液加入到反應釜I中(即步驟3得到的保溫的樹脂中)，繼續勻速攪拌30min ；
7)用40%硫酸調節pH=7. O 10. 5，降溫至40°C出料。
優選地，上述步驟3)中用40%硫酸調節pH值7. O 8. O,更優選為7. O 7. 5;
上述步驟4)所述調節攪拌速度為200 500r/min,更優選為300r/min;
上述步驟6)中所述用40%的氫氧化鈉溶液調節pH為8 10，更優選為8. 5 9. 5。
上述步驟7)中所述的用硫酸溶液調節反應液的酸堿性,調節pH=7. O 7. 5。
本發明的木材專用改性液，其中各組分的選擇以及各組分重量比，是在長期生產 經驗的基礎上結合無數次試驗調整篩選優化配方得到的較佳范圍值，具有粘度低、水溶性 優良、儲存穩定性良好等特點。改性液制備過程中先合成小分子的脲醛樹脂預聚物，然后利 用乳化劑將熔融的石蠟溶解與脲醛樹脂膠中，將小分子石蠟均勻的分散在脲醛樹脂之間， 然后用改性液將木材改性之后，再在加熱條件下使脲醛樹脂膠固化。一方面改性液中的部 分羥甲基可以與纖維素上的羥基發生醚化反應，封閉羥基，另一方面樹脂固化后在基材的 細胞內及毛細導管內形成堅硬的空間網狀的體形結構。而于此同時小分子的石蠟又填充在 膠的縫隙當中，降低了木材的毛細管作用，阻止了大量水的進入，保證木材中纖維的干燥狀 態，提高了木材的尺寸穩定性，同時也提高了木材的密度和硬度。除此之外，木材中加入部 分石蠟，由于石蠟在達到一定溫度之后呈油狀物，可以滋潤木纖維，這樣當木材在高溫狀態下干燥時可以避免木材因水分流失太快應力太大而發生內裂，提高出材率。
本發明木材改性專用改性液主要由一種低分子量的改性脲醛樹脂組成，具有粘度 低、水溶性優良、儲存穩定性良好等特點，適用于各種樹種的真空加壓浸潰使用，尤其對各 種速生材，低檔材比較適用。采用本發明的改性液對速生材進行改性處理后，不僅使木材的 尺寸穩定性得到顯著的提高，而且賦予了木材一定的抗水功能，可以將改性后的木材使用 于一些較潮濕的環境下長時間而不會發生變形。
具體實施方式
以下結合實施例和試驗數據，對本發明上述的和另外的技術特征和優點作更詳細 的說明。
實施例1
準確稱量以下重量的原料組分甲醛240g、尿素180g、半精煉石蠟40g、檸檬酸鈉 5g、硬脂酸7g、水30g，其中甲醛濃度為37%。
在反應釜I中加入上述甲醛溶液，用30%的碳酸鈉溶液調節pH=8. O ;加入尿素重 量的3/5即108g，然后將釜溫升至80°C保溫2h ;加入堿性催化劑檸檬酸鈉，攪拌5min，然 后加入剩下的尿素，攪拌30min后用40%硫酸調節pH=7. 5，然后將合成的樹脂保溫在90°C 的水浴中，保持以200 700r/min速度勻速攪拌，備用；將石蠟與乳化劑硬脂酸加入反應 釜2中，60°C加熱融化，然后升溫至90°C，同時開始攪拌，調節攪拌速度為300r/min，保溫攪 拌IOmin ;加入90°C的水，勻速攪拌IOmin ;用40%的氫氧化鈉溶液調節pH=9. 5，勻速攪拌 IOmin,然后將該乳液加入到上述得到的保溫樹脂中，繼續勻速攪拌30min，用40%硫酸調節 pH=7. 5，降溫至40°C出料，即得。
實施例2
準確稱量以下重量的原料組分甲醛180g、尿素135g、半精煉石蠟30g、檸檬酸鈉 3. 75g、Tween-805. 25g、水 22. 5g，其中甲醛濃度為 37%。
在反應釜I中加入甲醛，用30%的碳酸鈉溶液調節pH=8. 5 ;加入尿素重量的3/5， 然后將釜溫升至80°C保溫1. 5h ;加入堿性催化劑，攪拌5min，然后加入剩下的尿素，攪拌 30min后用40%硫酸調節pH=7. O,然后將合成的樹脂保溫在90°C的水浴中，保持以200 700r/min速度勻速攪拌；將石蠟與乳化劑加入反應釜2中，60°C加熱融化，然后升溫至 900C，同時開始攪拌，調節攪拌速度為300r/min，保溫攪拌IOmin ;加入90°C的水，勻速攪拌 IOmin ;用40%的氫氧化鈉溶液調節pH=8. 0，勻速攪拌lOmin，然后將該乳液加入到保溫的樹 脂中，繼續勻速攪拌30min，用40%硫酸調節pH=7. 5，降溫至40°C出料，即得。
實施例3
準確稱量以下重量的原料組分甲醛2000g、尿素1500g、半精煉石蠟300g、檸檬酸 鈉 41. 7g、Tween-6036. 7g、水 250g，其中甲醛濃度為 37%。
在反應釜I中加入甲醛，用30%的碳酸鈉溶液調節pH=8. O ;加入尿素重量的3/5， 然后將釜溫升至80°C保溫2h;加入堿性催化劑，攪拌lOmin，然后加入剩下的尿素，攪拌 30min后用40%硫酸調節pH=7. 3，然后將合成的樹脂保溫在90°C的水浴中，保持以200 700r/min速度勻速攪拌；將石蠟與乳化劑加入反應釜2中，60°C加熱融化，然后升溫至 900C，同時開始攪拌，調節攪拌速度為300r/min，保溫攪拌IOmin ;加入90°C的水，勻速攪拌IOmin ;用40%的氫氧化鈉溶液調節pH=9. 5，勻速攪拌lOmin，然后將該乳液加入到保溫的樹 脂中，繼續勻速攪拌30min，用40%硫酸調節pH=7. O,降溫至40°C出料，即得。
實施例4
準確稱量以下重量的原料組分甲醛500g、尿素375g、半精煉石蠟83g、檸檬酸鈉 10g、Span-80 10g、水62g，其中甲醛濃度為37%。
在反應釜I中加入甲醛，用30%的碳酸鈉溶液調節pH=8. 5 ;加入尿素重量的3/5， 然后將釜溫升至80°C保溫2h ;加入堿性催化劑，攪拌5min，然后加入剩下的尿素，攪拌 30min后用40%硫酸調節pH=7. 5，然后將合成的樹脂保溫在90°C的水浴中，保持以200 700r/min速度勻速攪拌；將石蠟與乳化劑加入反應釜2中，60°C加熱融化，然后升溫至 90°C，同時開始攪拌，調節攪拌速度為300r/min，保溫攪拌IOmin ;加入90°C的水，勻速攪拌 IOmin ;用40%的氫氧化鈉溶液調節pH=9. 3，勻速攪拌lOmin，然后將該乳液加入到保溫的樹 脂中，繼續勻速攪拌30min，用40%硫酸調節pH=7. O,降溫至40°C出料，即得。
實施例5
準確稱量以下重量的原料組分甲醛1400g、尿素1200g、半精煉石蠟250g、檸檬酸 鈉31g、三乙醇胺40g、水190g、其中甲醛濃度為37%。
在反應釜I中加入甲醛，用30%的碳酸鈉溶液調節pH=8. 5 ;加入尿素重量的3/5， 然后將釜溫升至80°C保溫2h ;加入堿性催化劑，攪拌5min，然后加入剩下的尿素，攪拌 30min后用40%硫酸調節pH=7. 5，然后將合成的樹脂保溫在90°C的水浴中，保持以200 700r/min速度勻速攪拌；將石蠟與乳化劑加入反應釜2中，60°C加熱融化，然后升溫至 900C，同時開始攪拌，調節攪拌速度為300r/min，保溫攪拌IOmin ;加入90°C的水，勻速攪拌 IOmin ;用40%的氫氧化鈉溶液調節pH=9. 3，勻速攪拌lOmin，然后將該乳液加入到保溫的樹 脂中，繼續勻速攪拌30min，用40%硫酸調節pH=7. O,降溫至40°C出料，即得。
本發明木材專用改性劑，經過大量的試驗證明，在其他具體實施例中，以重量份 計，改性劑的組分在甲醛240份、尿素180份、工業石蠟30 60份、堿性催化劑3 7份、 乳化劑I 8份、水30-40份范圍內均可以達到較好的效果。如改性后木材的尺寸穩定 性、密度、硬度、抗水性。其中乳化劑選自硬脂酸、三乙醇胺、Tween-60、Tween-80、Span-60、 Span-80中的一種或他們的組合。其中所使用的水為去離子水，加入量為石蠟重量的O. 5 I倍，更優選為O. 7倍。
改性效果評價
本發明木材專用改性劑對木材的尺寸穩定性、硬度和密度影響的試驗
改性劑試驗例1-5得到的改性劑500g和65g水混合均勻，即得。
染色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1. 5小時。
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(設有兩種處理材和未處理材)
試件規格硬度檢測試件規格100mm*5Omm*2Omm
尺寸穩定性試件規格20mm*2Omm*2Omm
檢測設備電子式萬能試驗機(型號WDW-10濟南君瀾試金實驗設備有限公司)
檢測方法1、硬度檢測用電子式萬能試驗機檢測試件硬度，各測兩次取平均值。
2、尺寸穩定性、抗水性檢測檢測試件處理前后的絕干質量，處理前的絕干體積， 浸泡(40°C 72h)后處理后的體積和質量
計算方法體積膨脹系數S= (V2-V1) /Vl*100%
抗縮系數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
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 ；
S1:未處理材的體積膨脹系數；
S2 :處理材的體積膨脹系數；
Gl :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。
測量結果如表2至表4所示
表I本發明改性劑對木材尺寸穩定性的影響
權利要求
1.一種木材專用改性液，其特征在于，含有以下重量份的組分甲醛240份、尿素180 份、工業石蠟30 80份、堿性催化劑3 10份、乳化劑O.1 10份、水30-50份，其中所述甲醛為質量濃度為37%的甲醛水溶液。
2.如權利要求1所述的木材專用改性液，其特征在于，含有以下重量份的組分甲醛 240份、尿素180份、工業石蠟30 60份、堿性催化劑3 7份、乳化劑I 8份、水30-40 份，其中所述甲醛為質量濃度為37%的甲醛水溶液。
3.如權利要求1或2所述的改性液，其特征在于，所述的乳化劑選自硬脂酸、三乙醇胺、 吐溫-60、吐溫-80、Span-60、Span-80中的一種或多種的組合，加入量為所述原料總重量的 2%。
4.如權利要求1或2所述的改性液，其特征在于，所述的工業石蠟選自精煉石蠟、半精煉石蠟、粗石蠟、液體石蠟、聚乙烯蠟中的一種或幾種的組合。
5.如權利要求1或2所述的改性液，其特征在于，所述堿性催化劑選自碳酸鈉、醋酸鈉、 叔丁醇鉀、檸檬酸鈉中的一種或多種的組合。
6.如權利要求5所述的改性液，其特征在于，所述堿性催化劑加入量為所述原料總重量的1%。
7.一種制備權利要求1或2所述的改性液的方法，其特征在于，包括以下步驟1)在反應釜I中加入甲醛，用碳酸鈉溶液調節pH=8 10；2)加入尿素重量的3/5，然后將釜溫升至80°C保溫2h；3)加入堿性催化劑,攪拌5min,然后加入剩下的尿素，攪拌30min后用硫酸調節pH=7 9，然后將合成的樹脂保溫在90°C的水浴中，保持以200 700r/min速度勻速攪拌；4)將工業石蠟與乳化劑加入反應釜2中，60°C加熱融化，然后升溫至90°C，同時開動攪拌，調節攪拌速度為200 700r/min，保溫攪拌IOmin ；5)加入90°C的水，勻速攪拌IOmin；6)用氫氧化鈉溶液調節pH=7 11，勻速攪拌lOmin，然后將該乳液加入到步驟3)得到的保溫的樹脂中，繼續勻速攪拌30min ；7)用硫酸調節pH=7.O 10. 5，降溫至40°C出料。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟5)所述的水為去離子水，加入量為石蠟重量的O. 5 I倍。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟3)用硫酸調節pH至7.O 8. O。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟4)中調節攪拌速度為200 500r/mino
11.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟6)中用氫氧化鈉溶液調節pH為 8 10。
12.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟7)中用硫酸溶液調節反應液的酸堿性，調節pH=7. O 9. O。
全文摘要
本發明公開了一種木材專用改性液及其制備方法，其含有以下重量份的組分甲醛240份、尿素180份、工業石蠟30～80份、堿性催化劑3～10份、乳化劑0.1～10份、水30-50份，其中所述甲醛為質量濃度為37%的甲醛水溶液。本發明木材專用改性液具有粘度低、水溶性優良、儲存穩定性良好等特點，適用于各種樹種的真空加壓浸漬使用，尤其對各種速生材，低檔材比較適用。采用本發明對速生材進行改性處理后，不僅使木材的尺寸穩定性得到顯著的提高，而且賦予了木材一定的抗水功能，可以將改性后的木材使用于一些較潮濕的環境下長時間而不會發生變形。
文檔編號B27K3/50GK102990742SQ201210537110
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月12日 優先權日2012年12月12日
發明者雷得定, 毛彥杰, 郝丙業 申請人:永港偉方(北京)科技股份有限公司