一种在实木中原位自组装制备聚氨酯强化木材的方法
【专利摘要】一种在实木中原位自组装制备聚氨酯强化木材的方法，通过真空高压技术将混合均匀的异氰酸酯单体、真空脱水的多元醇、扩链剂、交联剂、催化剂等改性剂浸注到木材内部；然后，经过陈化匀质后利用加热或微波引发聚合反应，使异氰酸酯和多元醇在木材空隙的内表面原位发生聚合反应形成聚氨酯强化木材。通过本发明制备出的木材，兼具木材和聚氨酯的优良性能，可用于各个领域，具有较高的附加值和市场前景。
【专利说明】一种在实木中原位自组装制备聚氨酯强化木材的方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种在实木中原位自组装制备聚氨酯强化木材的方法，属于木材强化功能性改良和高值化利用【技术领域】，特别涉及到原木、锯材、板方等实体木材填充强化和高附加值利用。
【背景技术】
[0002]木质材料是四大建筑装修材料之一，木质材料具有天然的纹理和美感，自古以来人们就十分珍爱木材所具有的色、香、质、纹等特性，并将其广泛应用于建筑、家具等工作和生活环境中。它无毒、无害，是唯一可再生和可永续利用的“绿色材料”。随着人们生活水平的提高，高档珍贵木材的需求量日益增长。但是，许多木材由于材质松软、硬度小、强度低、开裂变形等缺陷使用价值不高。因此，对木材进行功能性改良很有必要。
[0003]聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称。它是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成。聚氨酯大分子中除了氨基甲酸酯外，还可含有醚、酯、脲、缩二脲，脲基甲酸酯等基团。根据所用原料的不同，可有不同性质的产品，一般为聚酯型和聚醚型两类。可用于制造塑料、橡胶、纤维、硬质和软质泡沫塑料、胶粘剂和涂料等。聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于建筑、汽车、轻工、纺织、石化、冶金、电子、国防、医疗、机械等众多领域。在日常生活领域聚氨酯被用来制造各种泡沫和塑料海绵。
[0004]目前，有多项专利报道可以用聚氨酯来仿制木质材料。聚氨酯泡沫塑料仿木材，可以用于替代木材制作家具和室内装饰。
[0005]一种增强型聚氨酯仿木材料及其制造方法(CN201210186202.0)采用纳米纤维素、
多异氰酸酯、聚醚多元醇及助剂，各组分按照一定配比混合后通过“一步成型法”制备工艺合成增强型聚氨酯仿木材料。
[0006]一种聚氨酯硬泡仿木材料的制备方法(CN200810244406.9)采用聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂等的混合物为白料，以多亚甲基多苯基多异氰酸酯为黑料，在白料和黑料的温度均为23-25°C，机械搅拌速度为200(T3000r/min，白料/黑料(质量比)100/105-110的条件下，将一定量的混合料注入模具后，35°C恒温半小时脱模，即可得到聚氨酯硬泡仿木材料。
[0007]家具用木粉增强聚氨酯仿木材料及其生产方法(CN200910232395.7)采用聚醚多元醇、发泡剂、催化剂、稳定剂、阻燃剂的混合物为白料，以多异氰酸酯为黑料，以80-100目木粉填料为增强剂，白料、黑料、木粉的组分质量比112: 112: 7。
[0008]环保阻燃型聚氨酯仿木材料(CN201110449542.3)报道了一种环保阻燃型聚氨酯仿木材料是由:Α组份由聚醚多元醇、泡沫稳定剂、催化剂、发泡剂和阻燃剂组成；Β组份为多亚甲基多苯基多异氰酸酯；制备时，将A组份与B组份混合搅拌，注入温度为4(T50°C的恒温模具中，反应熟化10-13分钟，即可得到环保阻燃型聚氨酯仿木材料。
[0009]然而，仿木材料虽然在一定程度上可以替代木材来使用，但在一些方面依然不如与真正的木材，比如木材的天然纹理，比如一些特殊木材拥有的珍贵特性，所以对木材进行 改性加工依然是不可缺少的技术工艺。
【发明内容】
[0010]本发明所解决的技术问题在于提供一种在实木中原位自组装制备聚氨酯强化木 材的方法，以解决上述【背景技术】中的缺点。
[0011]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种在实木中原位自组装制备聚氨酯强化木材的方法，通过真空高压浸注法将混合均 匀的原料异氰酸酯单体、多元醇、扩链剂、交联剂、催化剂、表面活性剂、阻燃剂和着色剂浸 注到木材基体内部；然后，经过陈化匀质后利用加热或微波引发原位自组装聚合反应，使异 氰酸酯单体和多元醇在木材基体空隙的内表面原位发生聚合反应形成聚氨酯强化木材。
[0012]所述多元醇、扩链剂、交联剂均经过真空脱水处理，真空脱水处理的具体步骤 包括：将低聚物多元醇、扩链剂或交联剂在1(KT13(TC和0. oro. 02MPa条件下真空脱水 2. (T4. Oh,然后冷却至室温。
[0013]所述木材基体是将原木锯解、干燥后制备得到，具体是将原木先锯解成需要的规 格，然后按照木材干燥基准进行干燥，使其含水率控制在69^20%。
[0014]所述原料异氰酸酯单体、多元醇、扩链剂、交联剂、催化剂和发泡剂按以下质量份 数配制混匀：异氰酸酯单体100份、多元醇100飞00份、扩链剂和交联剂5(T200份、催化剂 10^30份、表面活性剂(T40份、阻燃剂(T80份、着色剂(T40份。
[0015]所述真空高压浸注法具体包括以下步骤：将锯解干燥好的木材基体装入真空高压 浸注罐中，开启真空泵抽真空，罐内压力为0. oro. 02MPa且维持l(Tl20min ;开启进液阀 门将所述原料按照配方配置后得到的改性剂抽入浸注罐内，使改性剂液面完全覆盖木材基 体，加0. 8^1. 8MPa压力浸溃2. (T8. Oh,开启排液阀门将改性剂压送回储液槽进行回收利 用，将浸注处理后的木材基体取出装入固化反应室。
[0016]所述原位自组装聚合反应包括：将装入固化反应室的木材基体在4(T60°C温度 下保温0. 5^2. 0h，使异氰酸酯单体和多元醇在木材基体内部通过氢键进行自组装，然后在 6(Tll(TC温度下聚合固化反应2. (T24h，在木材空隙内原位形成聚氨酯。
[0017]所述异氰酸酯单体为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰 酸酯、环己烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种；所述多元醇为三羟基聚氧 化丙醚、环氧E-51、二氧化聚羟基乙醚、聚四氢呋喃二醇、聚碳酸酯多元醇、己二酸聚酯二 醇、聚氧化丙烯二醇、端羟基丁二烯中的一种或多种；所述扩链剂和交联剂为乙二醇、丙三 醇、1，4- 丁二醇、1，4- 二（2-羟乙基）对苯二酚、3，3’ - 二氯-4，4’ - 二苯基甲烷二胺、2-甲 基_1，3丙二醇、N，N-(2-羟丙基）苯胺、聚氧乙烯苯胺醚二醇中的一种或多种；所述催化剂 为1，4-二氮杂双环辛烷、二甲基环己胺、二甲基乙醇胺、四甲基丁二胺、氧化二丁基锡中的 一种或多种；所述表面活性剂为硅酮油、壬基苯酚醚中的一种或多种；所述阻燃剂为甲基 膦酸二甲酯。
[0018]所述异氰酸酯单体与多元醇的投料比由活性官能团NC0/0H的摩尔比例确定， NC0/0H 在 0. 8^1. 4 范围内。
[0019]有益效果： 本发明与现有技术相比，具有很多优点，具体如下:
①聚氨酯强化木材兼具木材和聚氨酯的共同特性，因而与未处理木材相比，具有良好的尺寸稳定性、硬度、强度和耐磨性，且可涂饰，刨、切、钉等加工与实体木材无区别，不受使用条件和加工方式等的限制，它还保留了木材美观的天然纹理等优点，聚氨酯强化木材的耐水性、防腐防霉性优于素材；
②聚氨酯在实体木材内部与木材的化学交联结构大幅度增加了材料的内结合力，因此，本发明制备的聚氨酯强化木材内结合强度特别高，不易开裂、变形，产品尺寸稳定；
③通过调节实木中的含水率，控制聚氨酯的孔结构和发泡量，可以调控聚氨酯强化木材的密度；
④在改性剂中适量添加染料或颜料，可以突显或调控木材的纹理，赋予木材高贵典雅的色彩和纹理；
⑤在改性剂中适量添加阻燃剂，可以同步实现实木的增强和阻燃。
[0020]在实木中原位自组装制备的聚氨酯强化木材以其优良的性能，可用于家具、建筑、乐器、雕刻工艺品、运动器材、武器和工业器材等领域，尤其是作为高档木方、高档家具面板材料和高档地板材料具有较高的附加值和市场前景。
[0021]
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，本发明进行详细描述。
[0023]实施案例1:
(I)聚醚多元醇(EP-330NG)110 份，1,4-丁 二醇(1，4-BD0) 50 份，1，4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷(DABCO) 10份，硅酮油40份，甲基磷酸二甲酯20份，苏木色素10份，单独或混合后在110°C和0.0lMPa条件下真空脱水3.0h，然后冷却至室温。与100份甲苯二异氰酸酯(TDI)混合，充分搅拌均匀，作为改性剂备用。
[0024](2)将规格为910mmX 123mmX 18mm的香脂木豆地板锯材在干燥窑中根据干燥基准进行干燥，然后调节含水率为10%。
[0025](3)将香脂木豆地板锯材装入真空高压浸注罐中；开启真空泵抽真空，罐内压力为0.0lMPa维持60min ;开启进液阀门将改性剂抽入浸注罐内，使液面完全覆盖香脂木豆地板锯材，在1.8MPa压力条件下浸溃4.0h。
[0026](4)开启排液阀门，将处理液压送回储液槽，调整配比后留作下次使用。
[0027](5)香脂木豆地板锯材从真空高压浸注罐中取出，装入密闭反应室中，在50°C温度条件下保温1.0h，然后加热至70°C反应10h，让改性剂在木材孔道中充分聚合固化。
[0028](6)用本发明方法制备的聚氨酯强化香脂木豆地板锯材密度达到1.03g/cm3，色泽清晰亮丽，抗胀缩率(ASE)指标可达68%，阻湿率MEE为96%，体积膨胀率减小86%，抗压强度增加35%，磨耗量下降68%。
[0029]实施案例2:
(I)环氧(E-51)80份，2-甲基-1,3丙二醇(MPD) 50份，二甲基环己胺(DMCHA) 10份，硅酮油80份，甲基磷酸二甲酯80份，胭脂红色素30份，单独或混合后在120°C和0.0lMPa条件下真空脱水2.0h，然后冷却至室温。与100份二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)混合，充分搅拌均匀，作为改性剂备用。
[0030](2)将规格为2400mmX400mmX22mm的橡胶木板方在干燥窑中根据干燥基准进行
干燥，然后调节含水率为10%。
[0031](3)将橡胶木板方装入真空高压浸注罐中；开启真空泵抽真空，罐内压力为
0.0lMPa维持60min ;开启进液阀门将改性剂抽入浸注罐内，使液面完全覆盖橡胶木板方，在1.8MPa压力条件下浸溃2.0 h。
[0032](4)开启排液阀门，将处理液压送回储液槽，调整配比后留作下次使用。
[0033](5)橡胶木板方从真空高压浸注罐中取出，装入密闭反应室中，在50°C温度条件下保温1.0h，然后加热至70°C反应10h，让改性剂在木材孔道中充分聚合固化。
[0034](6)用本发明方法制备的聚氨酯强化橡胶木板方密度达到0.92g/cm3，纹理清晰，色泽鲜艳，抗胀缩率(ASE)指标可达62%，阻湿率MEE为92%，体积膨胀率减小81%，抗压强度增加46%，磨耗量下降73%。
[0035]实施案例3:
(I)环氧(E-51)80份，2-甲基-1,3丙二醇(MPD) 50份，二甲基环己胺(DMCHA) 10份，硅酮油80份，甲基磷酸二甲酯80份，胭脂红色素30份，单独或混合后在120°C和0.0lMPa条件下真空脱水2.0h，然后冷却至室温。与100份二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)混合，充分搅拌均匀，作为改性剂备用。
[0036](2)将规格为2400mmX400mmX50mm的杨木锯材在干燥窑中根据干燥基准进行干燥，然后调节含水率为16%。
[0037](3)将杨木锯材装入真空高压浸注罐中；开启真空泵抽真空,罐内压力为0.0lMPa维持1.5h ;开启进液阀门将改性剂抽入浸注罐内，使液面完全覆盖杨木锯材，在1.8MPa压力条件下浸溃4.0h。
[0038](4)开启排液阀门，将处理液压送回储液槽，调整配比后留作下次使用。
[0039](5)杨木锯材从真空高压浸注罐中取出，装入密闭反应室中，在50°C温度条件下保温1.0h，然后加热至70°C反应12h，让改性剂在木材孔道中充分聚合固化。
[0040](6)用本发明方法制备的聚氨酯强化杨木锯材密度达到0.61g/cm3,纹理清晰，色泽鲜艳，抗胀缩率(ASE)指标可达54%，阻湿率MEE为89%，体积膨胀率减小78%，抗压强度增加51%，磨耗量下降54%。
[0041]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种在实木中原位自组装制备聚氨酯强化木材的方法，其特征在于，通过真空高压浸注法将混合均匀的原料异氰酸酯单体、多元醇、扩链剂、交联剂、催化剂、表面活性剂、阻燃剂和着色剂浸注到木材基体内部；然后，经过陈化匀质后利用加热或微波引发原位自组装聚合反应，使异氰酸酯单体和多元醇在木材基体空隙的内表面原位发生聚合反应形成聚氨酯强化木材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多元醇、扩链剂、交联剂均经过真空脱水处理，真空脱水处理的具体步骤包括:将低聚物多元醇、扩链剂或交联剂在i0(Ti3(rc和0.Ο1~Ο.02MPa条件下真空脱水2.0-4.0h，然后冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述木材基体是将原木锯解、干燥后制备得到，具体是将原木先锯解成需要的规格，然后按照木材干燥基准进行干燥，使其含水率控制在6%~20%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述原料异氰酸酯单体、多元醇、扩链剂、交联剂、催化剂和发泡剂按以下质量份数配制混匀:异氰酸酯单体100份、多元醇100-500份、扩链剂和交联剂50-200份、催化剂10-30份、表面活性剂0-40份、阻燃剂0-80份、着色剂0~40份。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述真空高压浸注法具体包括以下步骤:将锯解干燥好的木材基体装入真空高压浸注罐中，开启真空泵抽真空，罐内压力为0.Ο1~Ο.02MPa且维持l(Tl20min ;开启进液阀门将所述原料按照配方配置后得到的改性剂抽入浸注罐内，使改性剂液面完全覆盖木材基体,加0.8^1.8MPa压力浸溃2.0-8.0h，开启排液阀门将改性剂压送回储液槽进行回收利用，将浸注处理后的木材基体取出装入固化反应室。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述原位自组装聚合反应包括:将装入固化反应室的木材基体在4(T60°C温度下保温0.5^2.0h,使异氰酸酯单体和多元醇在木材基体内部通过氢键进行自组装，然后在6(Tll(TC温度下聚合固化反应2.(T24h，在木材空隙内原位形成聚氨酯。
7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述异氰酸酯单体为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、环己烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或多种；所述多元醇为三羟基聚氧化丙醚、环氧E-51、二氧化聚羟基乙醚、聚四氢呋喃二醇、聚碳酸酯多元醇、己二酸聚酯二醇、聚氧化丙烯二醇、端羟基丁二烯中的一种或多种；所述扩链剂和交联剂为乙二醇、丙三醇、1，4-丁二醇、1，4-二(2-羟乙基)对苯二酚、3，3’ - 二氯-4，4’ - 二苯基甲烷二胺、2-甲基_1，3丙二醇、N，N-(2-羟丙基)苯胺、聚氧乙烯苯胺醚二醇中的一种或多种；所述催化剂为1，4-二氮杂双环辛烷、二甲基环己胺、二甲基乙醇胺、四甲基丁二胺、氧化二丁基锡中的一种或多种；所述表面活性剂为硅酮油、壬基苯酚醚中的一种或多种；所述阻燃剂为甲 基膦酸二甲酯。
8.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述异氰酸酯单体与多元醇的投料比由活性官能团NC0/0H的摩尔比例确定，NC0/0H在0.8~1.4范围内。
【文档编号】B27K3/50GK103586947SQ201310555348
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】胡云楚, 陈旬, 袁利萍, 田梁材, 王洁, 吴义强 申请人:中南林业科技大学