一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木材的方法

2023-05-08 09:38:56

一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木材的方法
【專利摘要】一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木材的方法，通過真空高壓技術將混合均勻的異氰酸酯單體、真空脫水的多元醇、擴鏈劑、交聯劑、催化劑等改性劑浸注到木材內部；然後，經過陳化勻質後利用加熱或微波引發聚合反應，使異氰酸酯和多元醇在木材空隙的內表面原位發生聚合反應形成聚氨酯強化木材。通過本發明製備出的木材，兼具木材和聚氨酯的優良性能，可用於各個領域，具有較高的附加值和市場前景。
【專利說明】一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木材的方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木材的方法，屬於木材強化功能性改良和高值化利用【技術領域】，特別涉及到原木、鋸材、板方等實體木材填充強化和高附加值利用。
【背景技術】
[0002]木質材料是四大建築裝修材料之一，木質材料具有天然的紋理和美感，自古以來人們就十分珍愛木材所具有的色、香、質、紋等特性，並將其廣泛應用於建築、家具等工作和生活環境中。它無毒、無害，是唯一可再生和可永續利用的「綠色材料」。隨著人們生活水平的提高，高檔珍貴木材的需求量日益增長。但是，許多木材由於材質鬆軟、硬度小、強度低、開裂變形等缺陷使用價值不高。因此，對木材進行功能性改良很有必要。
[0003]聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯，是主鏈上含有重複氨基甲酸酯基團的大分子化合物的統稱。它是由有機二異氰酸酯或多異氰酸酯與二羥基或多羥基化合物加聚而成。聚氨酯大分子中除了氨基甲酸酯外，還可含有醚、酯、脲、縮二脲，脲基甲酸酯等基團。根據所用原料的不同，可有不同性質的產品，一般為聚酯型和聚醚型兩類。可用於製造塑料、橡膠、纖維、硬質和軟質泡沫塑料、膠粘劑和塗料等。聚氨酯是一種新興的有機高分子材料，被譽為「第五大塑料」，因其卓越的性能而被廣泛應用於建築、汽車、輕工、紡織、石化、冶金、電子、國防、醫療、機械等眾多領域。在日常生活領域聚氨酯被用來製造各種泡沫和塑料海綿。
[0004]目前，有多項專利報導可以用聚氨酯來仿製木質材料。聚氨酯泡沫塑料仿木材，可以用於替代木材製作家具和室內裝飾。
[0005]一種增強型聚氨酯仿木材料及其製造方法(CN201210186202.0)採用納米纖維素、
多異氰酸酯、聚醚多元醇及助劑，各組分按照一定配比混合後通過「一步成型法」製備工藝合成增強型聚氨酯仿木材料。
[0006]一種聚氨酯硬泡仿木材料的製備方法(CN200810244406.9)採用聚醚多元醇、催化劑、泡沫穩定劑、發泡劑、阻燃劑等的混合物為白料，以多亞甲基多苯基多異氰酸酯為黑料，在白料和黑料的溫度均為23-25°C，機械攪拌速度為200(T3000r/min，白料/黑料(質量比)100/105-110的條件下，將一定量的混合料注入模具後，35°C恆溫半小時脫模，即可得到聚氨酯硬泡仿木材料。
[0007]家具用木粉增強聚氨酯仿木材料及其生產方法(CN200910232395.7)採用聚醚多元醇、發泡劑、催化劑、穩定劑、阻燃劑的混合物為白料，以多異氰酸酯為黑料，以80-100目木粉填料為增強劑，白料、黑料、木粉的組分質量比112: 112: 7。
[0008]環保阻燃型聚氨酯仿木材料(CN201110449542.3)報導了一種環保阻燃型聚氨酯仿木材料是由:Α組份由聚醚多元醇、泡沫穩定劑、催化劑、發泡劑和阻燃劑組成；Β組份為多亞甲基多苯基多異氰酸酯；製備時，將A組份與B組份混合攪拌，注入溫度為4(T50°C的恆溫模具中，反應熟化10-13分鐘，即可得到環保阻燃型聚氨酯仿木材料。
[0009]然而，仿木材料雖然在一定程度上可以替代木材來使用，但在一些方面依然不如與真正的木材，比如木材的天然紋理，比如一些特殊木材擁有的珍貴特性，所以對木材進行 改性加工依然是不可缺少的技術工藝。

【發明內容】

[0010]本發明所解決的技術問題在於提供一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木 材的方法，以解決上述【背景技術】中的缺點。
[0011]本發明所解決的技術問題採用以下技術方案來實現：
一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木材的方法，通過真空高壓浸注法將混合均 勻的原料異氰酸酯單體、多元醇、擴鏈劑、交聯劑、催化劑、表面活性劑、阻燃劑和著色劑浸 注到木材基體內部；然後，經過陳化勻質後利用加熱或微波引發原位自組裝聚合反應，使異 氰酸酯單體和多元醇在木材基體空隙的內表面原位發生聚合反應形成聚氨酯強化木材。
[0012]所述多元醇、擴鏈劑、交聯劑均經過真空脫水處理，真空脫水處理的具體步驟 包括：將低聚物多元醇、擴鏈劑或交聯劑在1(KT13(TC和0. oro. 02MPa條件下真空脫水 2. (T4. Oh,然後冷卻至室溫。
[0013]所述木材基體是將原木鋸解、乾燥後製備得到，具體是將原木先鋸解成需要的規 格，然後按照木材幹燥基準進行乾燥，使其含水率控制在69^20%。
[0014]所述原料異氰酸酯單體、多元醇、擴鏈劑、交聯劑、催化劑和發泡劑按以下質量份 數配製混勻：異氰酸酯單體100份、多元醇100飛00份、擴鏈劑和交聯劑5(T200份、催化劑 10^30份、表面活性劑(T40份、阻燃劑(T80份、著色劑(T40份。
[0015]所述真空高壓浸注法具體包括以下步驟：將鋸解乾燥好的木材基體裝入真空高壓 浸注罐中，開啟真空泵抽真空，罐內壓力為0. oro. 02MPa且維持l(Tl20min ;開啟進液閥 門將所述原料按照配方配置後得到的改性劑抽入浸注罐內，使改性劑液面完全覆蓋木材基 體，加0. 8^1. 8MPa壓力浸潰2. (T8. Oh,開啟排液閥門將改性劑壓送回儲液槽進行回收利 用，將浸注處理後的木材基體取出裝入固化反應室。
[0016]所述原位自組裝聚合反應包括：將裝入固化反應室的木材基體在4(T60°C溫度 下保溫0. 5^2. 0h，使異氰酸酯單體和多元醇在木材基體內部通過氫鍵進行自組裝，然後在 6(Tll(TC溫度下聚合固化反應2. (T24h，在木材空隙內原位形成聚氨酯。
[0017]所述異氰酸酯單體為甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰 酸酯、環己烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯中的一種或多種；所述多元醇為三羥基聚氧 化丙醚、環氧E-51、二氧化聚羥基乙醚、聚四氫呋喃二醇、聚碳酸酯多元醇、己二酸聚酯二 醇、聚氧化丙烯二醇、端羥基丁二烯中的一種或多種；所述擴鏈劑和交聯劑為乙二醇、丙三 醇、1，4- 丁二醇、1，4- 二（2-羥乙基）對苯二酚、3，3』 - 二氯-4，4』 - 二苯基甲烷二胺、2-甲 基_1，3丙二醇、N，N-(2-羥丙基）苯胺、聚氧乙烯苯胺醚二醇中的一種或多種；所述催化劑 為1，4-二氮雜雙環辛烷、二甲基環己胺、二甲基乙醇胺、四甲基丁二胺、氧化二丁基錫中的 一種或多種；所述表面活性劑為矽酮油、壬基苯酚醚中的一種或多種；所述阻燃劑為甲基 膦酸二甲酯。
[0018]所述異氰酸酯單體與多元醇的投料比由活性官能團NC0/0H的摩爾比例確定， NC0/0H 在 0. 8^1. 4 範圍內。
[0019]有益效果： 本發明與現有技術相比，具有很多優點，具體如下:
①聚氨酯強化木材兼具木材和聚氨酯的共同特性，因而與未處理木材相比，具有良好的尺寸穩定性、硬度、強度和耐磨性，且可塗飾，刨、切、釘等加工與實體木材無區別，不受使用條件和加工方式等的限制，它還保留了木材美觀的天然紋理等優點，聚氨酯強化木材的耐水性、防腐防黴性優於素材；
②聚氨酯在實體木材內部與木材的化學交聯結構大幅度增加了材料的內結合力，因此，本發明製備的聚氨酯強化木材內結合強度特別高，不易開裂、變形，產品尺寸穩定；
③通過調節實木中的含水率，控制聚氨酯的孔結構和發泡量，可以調控聚氨酯強化木材的密度；
④在改性劑中適量添加染料或顏料，可以突顯或調控木材的紋理，賦予木材高貴典雅的色彩和紋理；
⑤在改性劑中適量添加阻燃劑，可以同步實現實木的增強和阻燃。
[0020]在實木中原位自組裝製備的聚氨酯強化木材以其優良的性能，可用於家具、建築、樂器、雕刻工藝品、運動器材、武器和工業器材等領域，尤其是作為高檔木方、高檔家具面板材料和高檔地板材料具有較高的附加值和市場前景。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施例，本發明進行詳細描述。
[0023]實施案例1:
(I)聚醚多元醇(EP-330NG)110 份，1,4-丁 二醇(1，4-BD0) 50 份，1，4-二氮雜雙環[2.2.2]辛烷(DABCO) 10份，矽酮油40份，甲基磷酸二甲酯20份，蘇木色素10份，單獨或混合後在110°C和0.0lMPa條件下真空脫水3.0h，然後冷卻至室溫。與100份甲苯二異氰酸酯(TDI)混合，充分攪拌均勻，作為改性劑備用。
[0024](2)將規格為910mmX 123mmX 18mm的香脂木豆地板鋸材在乾燥窯中根據乾燥基準進行乾燥，然後調節含水率為10%。
[0025](3)將香脂木豆地板鋸材裝入真空高壓浸注罐中；開啟真空泵抽真空，罐內壓力為0.0lMPa維持60min ;開啟進液閥門將改性劑抽入浸注罐內，使液面完全覆蓋香脂木豆地板鋸材，在1.8MPa壓力條件下浸潰4.0h。
[0026](4)開啟排液閥門，將處理液壓送回儲液槽，調整配比後留作下次使用。
[0027](5)香脂木豆地板鋸材從真空高壓浸注罐中取出，裝入密閉反應室中，在50°C溫度條件下保溫1.0h，然後加熱至70°C反應10h，讓改性劑在木材孔道中充分聚合固化。
[0028](6)用本發明方法製備的聚氨酯強化香脂木豆地板鋸材密度達到1.03g/cm3，色澤清晰亮麗，抗脹縮率(ASE)指標可達68%，阻溼率MEE為96%，體積膨脹率減小86%，抗壓強度增加35%，磨耗量下降68%。
[0029]實施案例2:
(I)環氧(E-51)80份，2-甲基-1,3丙二醇(MPD) 50份，二甲基環己胺(DMCHA) 10份，矽酮油80份，甲基磷酸二甲酯80份，胭脂紅色素30份，單獨或混合後在120°C和0.0lMPa條件下真空脫水2.0h，然後冷卻至室溫。與100份二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)混合，充分攪拌均勻，作為改性劑備用。
[0030](2)將規格為2400mmX400mmX22mm的橡膠木板方在乾燥窯中根據乾燥基準進行
乾燥，然後調節含水率為10%。
[0031](3)將橡膠木板方裝入真空高壓浸注罐中；開啟真空泵抽真空，罐內壓力為
0.0lMPa維持60min ;開啟進液閥門將改性劑抽入浸注罐內，使液面完全覆蓋橡膠木板方，在1.8MPa壓力條件下浸潰2.0 h。
[0032](4)開啟排液閥門，將處理液壓送回儲液槽，調整配比後留作下次使用。
[0033](5)橡膠木板方從真空高壓浸注罐中取出，裝入密閉反應室中，在50°C溫度條件下保溫1.0h，然後加熱至70°C反應10h，讓改性劑在木材孔道中充分聚合固化。
[0034](6)用本發明方法製備的聚氨酯強化橡膠木板方密度達到0.92g/cm3，紋理清晰，色澤鮮豔，抗脹縮率(ASE)指標可達62%，阻溼率MEE為92%，體積膨脹率減小81%，抗壓強度增加46%，磨耗量下降73%。
[0035]實施案例3:
(I)環氧(E-51)80份，2-甲基-1,3丙二醇(MPD) 50份，二甲基環己胺(DMCHA) 10份，矽酮油80份，甲基磷酸二甲酯80份，胭脂紅色素30份，單獨或混合後在120°C和0.0lMPa條件下真空脫水2.0h，然後冷卻至室溫。與100份二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)混合，充分攪拌均勻，作為改性劑備用。
[0036](2)將規格為2400mmX400mmX50mm的楊木鋸材在乾燥窯中根據乾燥基準進行乾燥，然後調節含水率為16%。
[0037](3)將楊木鋸材裝入真空高壓浸注罐中；開啟真空泵抽真空,罐內壓力為0.0lMPa維持1.5h ;開啟進液閥門將改性劑抽入浸注罐內，使液面完全覆蓋楊木鋸材，在1.8MPa壓力條件下浸潰4.0h。
[0038](4)開啟排液閥門，將處理液壓送回儲液槽，調整配比後留作下次使用。
[0039](5)楊木鋸材從真空高壓浸注罐中取出，裝入密閉反應室中，在50°C溫度條件下保溫1.0h，然後加熱至70°C反應12h，讓改性劑在木材孔道中充分聚合固化。
[0040](6)用本發明方法製備的聚氨酯強化楊木鋸材密度達到0.61g/cm3,紋理清晰，色澤鮮豔，抗脹縮率(ASE)指標可達54%，阻溼率MEE為89%，體積膨脹率減小78%，抗壓強度增加51%，磨耗量下降54%。
[0041]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種在實木中原位自組裝製備聚氨酯強化木材的方法，其特徵在於，通過真空高壓浸注法將混合均勻的原料異氰酸酯單體、多元醇、擴鏈劑、交聯劑、催化劑、表面活性劑、阻燃劑和著色劑浸注到木材基體內部；然後，經過陳化勻質後利用加熱或微波引發原位自組裝聚合反應，使異氰酸酯單體和多元醇在木材基體空隙的內表面原位發生聚合反應形成聚氨酯強化木材。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述多元醇、擴鏈劑、交聯劑均經過真空脫水處理，真空脫水處理的具體步驟包括:將低聚物多元醇、擴鏈劑或交聯劑在i0(Ti3(rc和0.Ο1~Ο.02MPa條件下真空脫水2.0-4.0h，然後冷卻至室溫。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述木材基體是將原木鋸解、乾燥後製備得到，具體是將原木先鋸解成需要的規格，然後按照木材幹燥基準進行乾燥，使其含水率控制在6%~20%。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述原料異氰酸酯單體、多元醇、擴鏈劑、交聯劑、催化劑和發泡劑按以下質量份數配製混勻:異氰酸酯單體100份、多元醇100-500份、擴鏈劑和交聯劑50-200份、催化劑10-30份、表面活性劑0-40份、阻燃劑0-80份、著色劑0~40份。
5.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，所述真空高壓浸注法具體包括以下步驟:將鋸解乾燥好的木材基體裝入真空高壓浸注罐中，開啟真空泵抽真空，罐內壓力為0.Ο1~Ο.02MPa且維持l(Tl20min ;開啟進液閥門將所述原料按照配方配置後得到的改性劑抽入浸注罐內，使改性劑液面完全覆蓋木材基體,加0.8^1.8MPa壓力浸潰2.0-8.0h，開啟排液閥門將改性劑壓送回儲液槽進行回收利用，將浸注處理後的木材基體取出裝入固化反應室。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述原位自組裝聚合反應包括:將裝入固化反應室的木材基體在4(T60°C溫度下保溫0.5^2.0h,使異氰酸酯單體和多元醇在木材基體內部通過氫鍵進行自組裝，然後在6(Tll(TC溫度下聚合固化反應2.(T24h，在木材空隙內原位形成聚氨酯。
7.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，所述異氰酸酯單體為甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯、環己烷二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯中的一種或多種；所述多元醇為三羥基聚氧化丙醚、環氧E-51、二氧化聚羥基乙醚、聚四氫呋喃二醇、聚碳酸酯多元醇、己二酸聚酯二醇、聚氧化丙烯二醇、端羥基丁二烯中的一種或多種；所述擴鏈劑和交聯劑為乙二醇、丙三醇、1，4-丁二醇、1，4-二(2-羥乙基)對苯二酚、3，3』 - 二氯-4，4』 - 二苯基甲烷二胺、2-甲基_1，3丙二醇、N，N-(2-羥丙基)苯胺、聚氧乙烯苯胺醚二醇中的一種或多種；所述催化劑為1，4-二氮雜雙環辛烷、二甲基環己胺、二甲基乙醇胺、四甲基丁二胺、氧化二丁基錫中的一種或多種；所述表面活性劑為矽酮油、壬基苯酚醚中的一種或多種；所述阻燃劑為甲 基膦酸二甲酯。
8.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，所述異氰酸酯單體與多元醇的投料比由活性官能團NC0/0H的摩爾比例確定，NC0/0H在0.8~1.4範圍內。
【文檔編號】B27K3/50GK103586947SQ201310555348
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】胡云楚, 陳旬, 袁利萍, 田梁材, 王潔, 吳義強 申請人:中南林業科技大學