适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺及使用方法，本发明制备工艺为：将甲醛溶液和苯酚一次性投料，加入反应釜中，反应一段时间；然后加入硼酸继续反应至终点，冷却出料。树脂的使用方法包含树脂浓度调整、树脂浸渍和固化。本发明在具有良好阻燃功能酚醛树脂的常规合成工艺基础上，与硼酸元素复配，利用具有优异阻燃功能的硼酸进一步提高酚醛树脂的阻燃滞火性能，合成出木建筑用材改性树脂，工艺步骤少、重现性优异、可操作性强；经该树脂浸渍处理的木材，其阻燃功能大幅度提高的同时，力学和防腐均显著改善。
【专利说明】适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑结构工程【技术领域】，具体为一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺及使用方法。
【背景技术】
[0002]木材作为可再生资源，质量轻、弹性好、纹理美观、亲和性好，深受人们喜爱。由于人民生活水平的不断提高，装饰装修行业快速发展，同时，为响应国家低碳减排的号召，木结构建筑展现出广阔的发展前景，木材消耗量正逐年上升，而木材又属于可燃材料，据调查，虽然火灾的起因不同，但是火势蔓延和人员伤亡都与建筑内使用的易燃材料或织物有关，因此，具有可燃性的木材在建筑中大量使用，会对人们的生命财产安全带来巨大隐患和威胁。而对木结构工程材进行阻燃处理和抗火设计则是保障人民生命财产安全的关键因素。
[0003]目前，对木材进行阻燃处理用的阻燃剂主要有:
[0004]1.有机阻燃剂
[0005]《水性木质阻燃液》(专利号200410016318.5)报道了一种水性木质阻燃液，由18% — 22%的氢氧化镁粉、8% — 12%的甲基磷酸二甲酯和水构成；《浸渍树脂配置剂》(专利号200580011747.6)报道了用含烯丙醚的不饱和聚酯树脂以及二环戊二烯的聚酯树脂，同时混合一定的固化剂、促进剂等添加剂处理木材。
[0006]2.无机阻燃剂
[0007]《木材阻燃剂及其制备方法》(专利号200610051758.3)公开了一种以卤族元素为主要有效成分的木制材料用阻燃剂，由氨基类化合物、含磷化合物、醇类化合物、硼类化合物、醛类化合物和水配制而成；《一种木材阻燃剂及其制备方法》(专利号200810058529.3)提供一种由脲基磷酸盐、磷酸蜜胺盐、硼化合物、锑化合物和表面活性剂组成的木材阻燃剂。
[0008]3.树脂型阻燃剂
[0009]《木材阻燃浸渍胶生产方法》(专利号200910096020.2)报道了一种含有尿素改性三聚氰胺、阻燃剂、增强剂、表面活性剂、水的木材阻燃浸渍胶，阻燃剂由硼砂、聚磷酸铵、钼酸铵混合而成；《多功能木材阻燃剂及利用其制备抑烟阻燃樟子松实木的方法》(专利号201310058525.6)中报道了一种由磷酸脒基脲、硼酸、水溶性聚磷酸铵、钼酸铵和硅溶胶构成的木材阻燃剂。
[0010]有机阻燃剂阻燃效率较高，但是价格昂贵而且燃烧时释放大量的有毒气体；无机阻燃剂的抗流失性能较差，由其处理后的木材，阻燃剂会在变湿度环境中迀移，材料易返潮，同时浸渍后木材的力学性能有所下降，使用功能下降；目前现有专利中所述的树脂型木材阻燃剂，所用材料组份多，树脂合成工艺复杂，操作性不强。
[0011]综上所述，用于木材阻燃改性处理的阻燃剂主要为有机阻燃剂、无机阻燃剂和树脂型阻燃剂。由于各种阻燃剂的组分不同，阻燃效果也不同，但距理想的阻燃效果还有差距。
【发明内容】
[0012]本发明目的是针对以上现有技术中存在的无机阻燃剂处理木材易返潮、强度下降，有机阻燃剂价格昂贵而且燃烧时释放大量的有毒气体、树脂型木材阻燃剂工艺复杂可操作性不强等问题，提供一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺及使用方法。
[0013]本发明采用的技术方案为:一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺，包括以下步骤:
[0014]第一步:升温至35?40°C范围内，将熔化的苯酚液体和质量分数为38.5%甲醛溶液加入反应器中，搅拌均匀，加入氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为30% -40%，苯酸与甲醛的摩尔比为1:(1.8-2.0);
[0015]第二步:升温至70?75°C，保持45?50min ；
[0016]第三步:向反应釜中加入硼酸，升温至90?95°C，保温反应15min，苯酚与硼酸的摩尔比为1:(0.2-0.4)，硼酸与氢氧化钠的摩尔比为1:1 ;
[0017]第四步:将反应液温度降至35?40°C，出料。
[0018]作为优选，所述反应器始终置于水浴环境中加热，以利于反应液在恒定的温度环境中反应。
[0019]一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的使用方法，包括以下步骤:
[0020]1、树脂浓度调整
[0021]树脂浓度的调整通过添加蒸馏水稀释实现；
[0022]2、待改性材预处理
[0023]待改性材预处理为木材的含水率控制，在木材改性前，将待改性材含水率控制在10?25%范围内；
[0024]3、树脂浸渍和固化
[0025]树脂浸渍工艺为常温常压浸渍或真空加压浸渍，其中作为优选的是真空加压浸渍。针对木建筑常用的38_厚度的规格材，树脂的真空加压浸渍工艺为:先进行抽真空处理至真空度为-0.08?-0.09MPa，保持20min_60min，再加压至0.4?1.0MPa,保持30?120min，树脂在处理过程中温度不超过50°C，木材始终位于树脂液面以下。
[0026]树脂固化工艺为:经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置2-6d，在40?45°C通风环境中维持6_12小时，最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在130?140°C范围内。
[0027]本发明结合硼酸优异的防火阻燃和防虫防腐功能，以及酚醛树脂的粘结抗流失性能、抗火性能和高的残炭率，合成一种硼酸改性的低分子酚醛树脂，通过调节树脂的浓度，可以得到不同药剂保持量的改性木材，不仅可以使木建筑用材的阻燃性能得到显著提高且可控，还使木材的强度、防腐性能及尺寸稳定性得到改善，拓宽了木材，尤其是国产低质材的利用范围、安全系数和产品附加值。
[0028]本发明制备工艺为:将甲醛溶液和苯酚一次性投料，加入反应釜中，反应一段时间；然后加入硼酸继续反应至终点，冷却出料。树脂的使用方法包含树脂浓度调整、树脂浸渍和固化。本发明在阻燃功能良好的酚醛树脂的常规合成工艺基础上，与硼酸元素复配，利用具有阻燃功能的硼酸进一步提高酚醛树脂的阻燃滞火性能，合成出木建筑用材改性树月旨，工艺步骤少、重现性优异、可操作性强；经该树脂浸渍处理的木材，其力学和防腐均能大幅度提高。通过合成工艺的调整赋予树脂低分子量以便于木材浸渍改性；通过配方赋予树脂浅色调和高透明性以便于木材改性外观装饰效果；改性树脂为水溶性，能够通过添加不同质量比例的蒸馏水以改变树脂浓度，进而控制改性木材中改性剂的质量百分含量，最终形成阻燃性能、防腐性能和力学性能可控的木建筑用改性木材。
[0029]本专利中硼酸改性低分子酚醛树脂的合成工艺包含两个阶段:第一阶段，苯酚和甲醛在氢氧化钠碱性催化剂的催化作用下反应生成羟甲基苯酚；第二阶段，在合成酚醛树脂的过程中加入硼酸，使硼酸与酚醛树脂发生化学键结合，最终制成硼酸改性的低分子量酚醛树脂。相比于木材工业中常规的脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂，以及其改性树脂等，硼酸改性酚醛树脂具有以下特点而在特定领域使用质量优异:
[0030]1、成本适中，处于脲醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂之间；
[0031]2、易于保存，树脂贮存期间性能稳定性良好；
[0032]3、酚醛具有稳定的芳香环结构，由它处理的木材的耐久性能稳定性优异，尤其是应用于恶劣的环境条件中稳定性能更突出；
[0033]4、酚醛树脂的重复单元与木材内质量百分含量占50%左右的纤维素的基本结构相近，根据“相似相溶”基本原理，低分子量的酚醛树脂更易于处理木材得到良好的浸渍处理效果。
[0034]5、硼酸改性酚醛树脂改性木建筑用材阻燃性能显著提高，其原理为:酚醛树脂常用作汽车刹车片和航空复合材料耐烧蚀零部件，原因在于固化后的酚醛树脂含有大量的芳香环结构，且高度交联，原子之间键能高，分子链之间存在高的内聚力，因此酚醛树脂显示出显著的耐热和耐高温摩擦性；此外，酚醛树脂高温条件下成炭的残留率高、发烟率低、高温时的强度保持率高。而硼酸具有良好的阻燃滞火功能，在酚醛树脂分子结构中引入硼元素可以使硼改性低分子酚醛树脂分子链中含有键能较高的-B-O-键，该结构能够进一步提高树脂的耐热性。因此，经由硼酸改性的酚醛树脂处理木材后，材料阻燃滞火性能提高效果明显。
[0035]6、硼酸改性酚醛树脂改性木建筑用材的防腐性能明显改善，其原理为:根据有机化学基本反应原理，浸入到木材内部的低分子树脂，在热的作用下，可与木材内部大量的羟基、羧基等官能团发生反应，形成牢固的化学键结合，形成类似于木质素、半纤维素等结壳类物质从而包裹在纤维素微纤丝周围，可供腐朽菌、虫食用的木材有机成分极少外露，且由于树脂的浸入，极大程度地封闭了菌虫的生存空间，此外，硼酸，以及树脂中的游离未完全参与化学反应的甲醛和苯酚也是非常有效的杀虫剂。因此，经由硼酸改性的酚醛树脂处理木材后，材料防腐防虫性能改善效果明显。
[0036]7、硼酸改性酚醛树脂改性木建筑用材的力学性能大幅度提高，其原理为:木材在外载荷作用下，首先发生破坏的不是由于纤维素分子链的断裂，而是纤丝中应力集中部位，即纤丝间联接最薄弱的部位，纤丝间相对滑移增大造成材料的破坏。而浸入到木材内部的低分子树脂，在热的作用下，与木材内部大量的羟基、羧基等官能团发生反应，形成牢固的化学键结合，对木材纤丝起到捆缚作用，外力作用下更好的起到分散和传递应力的作用，使材料在承受外载荷过程中纤维素纤丝间抵抗滑移破坏的能力增强。因此，经树脂浸渍改性处理后，材料的力学性能可得到不同程度的提高，将无机硼酸引入酚醛树脂中，由于柔性较大的-B-O-键的存在，树脂的脆性得到改善，力学性能进一步提高。
[0037]木材改性程度可控性原理:硼酸改性的低分子酚醛树脂浸渍进木材内部，在热的作用下树脂与木材组份发生化学反应，从而提高木材的各项性能，其各项性能提升的幅度与树脂在木材内部浸渍的量相关，而木材内部树脂的质量百分含量能够通过树脂浓度进行调节。因此，可以通过添加蒸馏水，将水溶性的硼酸改性低分子酚醛树脂稀释至不同的浓度，处理木材，使材料的各项性能指标提升幅度可控。
[0038]综上所述，利用硼酸改性，进一步提高酚醛树脂的阻燃滞火和防腐防虫性能，再由改性树脂处理木材，其防火性能、防腐性能、力学性能均能够得到显著提高，能够适于木建筑使用。有益效果:
[0039]1.本发明所制备的集阻燃和防腐功能性为一体的木建筑结构用国产速生改性材，产品制备工艺简单，生产周期短，且可重复性好，有利于工业化的生产和推广。
[0040]2.基于国产低质速生材材质松软、密度低、内部空隙率大，其力学性能、天然防腐性能、阻燃滞火性能能够通过有效成份不同质量百分含量的低分子树脂浸渍处理得到，材料材质改良程度可根据使用要求可控。
[0041]3.本发明针对国产低质速生杨木、杉木、马尾松、桉木等力学性能低，阻燃滞火和天然防腐性能差的不足，通过专利方法进行处理，改性处理后材料的力学强度等级自处理前TB15级及以下提高至TB20级或TC13级及以下到TC17级、防腐性能等级自处理前不耐腐IV级提高到强耐腐I级、阻燃性能等级自处理前易燃性B3级提高到难燃性BI级范围内可控，材料改良效果显著。
[0042]4.本发明所述的速生改性材保留了原有木材的纹理，不显著改变原有木材的色调，贴近自然，且改性处理不影响油漆、防护油的涂饰，具有良好的视觉效果。
[0043]5.本发明所述的速生材改性方法不影响材料的粘结性能，能够通过胶粘剂粘结的方式获得尺寸规格更大的构件。
【具体实施方式】
[0044]下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0045]实施例1
[0046]一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺，包括以下步骤:
[0047]第一步:升温至35°C范围内，将熔化的苯酚液体和质量分数为38.5%甲醛溶液加入反应器中，搅拌均匀，加入氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为30 %，苯酸与甲醛的摩尔比为I:1.8 ；
[0048]第二步:升温至70°C，保持45min ；
[0049]第三步:向反应釜中加入硼酸，升温至90°C，保温反应15min，苯酚与硼酸的摩尔比为1:0.2，硼酸与氢氧化钠的摩尔比为1:1 ;所述反应釜置于水浴环境中加热，以利用温度保持恒定；
[0050]第四步:将反应液温度降至35°C，出料。
[0051]一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的使用方法，包括以下步骤:
[0052]1、树脂浓度调整
[0053]树脂浓度的调整通过添加蒸馏水稀释实现；
[0054]2、待改性材预处理
[0055]待改性材预处理为木材的含水率控制，在木材改性前，将待改性材含水率控制在10% ；
[0056]3、树脂浸渍和树脂固化
[0057]树脂浸渍工艺为常温常压浸渍或真空加压浸渍，针对于木建筑用38mm厚度的规格材，树脂的真空加压浸渍工艺为:先进行抽真空处理至真空度为-0.08MPa，保持20min，再加压至0.4?1.0MPa，保持30min，树脂在处理过程中温度不超过50°C，木材始终位于树脂液面以下；经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置2d，在40°C通风环境中维持6小时、最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在130。。。
[0058]实施例2
[0059]一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺，包括以下步骤:
[0060]第一步:升温至38°C，将熔化的苯酚液体和质量分数为38.5%甲醛溶液加入反应器中，搅拌均匀，加入氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为38%，苯酸与甲醛的摩尔比为I:1.9 ；
[0061]第二步:升温至72°C，保持48min ；
[0062]第三步:向反应釜中加入硼酸，升温至92°C，保温反应15min，苯酚与硼酸的摩尔比为1:0.3，硼酸与氢氧化钠的摩尔比为1:1 ;所述反应釜置于水浴环境中加热，以利用温度保持恒定；
[0063]第四步:将反应液温度降至38°C，出料。
[0064]一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的使用方法，包括以下步骤:
[0065]1、树脂浓度调整
[0066]树脂浓度的调整通过添加蒸馏水稀释实现；
[0067]2、待改性材预处理
[0068]待改性材预处理为木材的含水率控制，在木材改性前，将待改性材含水率控制在20% ；
[0069]3、树脂浸渍和树脂固化
[0070]树脂浸渍工艺为常温常压浸渍或真空加压浸渍，针对于木建筑用38mm厚度的规格材，树脂的真空加压浸渍工艺为:先进行抽真空处理至真空度为-0.085MPa，保持40min，再加压至0.8MPa，保持90min，树脂在处理过程中温度不超过50°C，木材始终位于树脂液面以下；经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置4d，在42°C通风环境中维持12小时、最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在135°C。
[0071]实施例3
[0072]一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺，包括以下步骤:
[0073]第一步:升温至40°C，将熔化的苯酚液体和质量分数为38.5%甲醛溶液加入反应器中，搅拌均匀，加入氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为40%，苯酸与甲醛的摩尔比为1:2.0 ；
[0074]第二步:升温至75°C，保持50min ；
[0075]第三步:向反应釜中加入硼酸，升温至95°C，保温反应15min，苯酚与硼酸的摩尔比为1:0.4，硼酸与氢氧化钠的摩尔比为1:1 ;所述反应釜置于水浴环境中加热，以利用温度保持恒定；
[0076]第四步:将反应液温度降至40°C，出料。
[0077]一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的使用方法，包括以下步骤:
[0078]1、树脂浓度调整
[0079]树脂浓度的调整通过添加蒸馏水稀释实现；
[0080]2、待改性材预处理
[0081]待改性材预处理为木材的含水率控制，在木材改性前，将待改性材含水率控制在25%范围内；
[0082]3、树脂浸渍和树脂固化
[0083]树脂浸渍工艺为常温常压浸渍或真空加压浸渍，针对于木建筑用38mm厚度的规格材，树脂的真空加压浸渍工艺为:先进行抽真空处理至真空度为-0.09MPa，保持60min，再加压至1.0MPa，保持120min，树脂在处理过程中温度不超过50°C，木材始终位于树脂液面以下；经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置6d，在45°C通风环境中维持12小时、最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在140。。。
[0084]应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺，其特征在于:包括以下步骤: 第一步:升温至35?40°C范围内，将熔化的苯酚液体和质量分数为38.5%甲醛溶液加入反应器中，搅拌均匀，加入氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为30% -40%，苯酸与甲醛的摩尔比为1:(1.8-2.0)； 第二步:升温至70?75°C，保持45?50min ； 第三步:向反应釜中加入硼酸，升温至90?95°C，保温反应15min，苯酚与硼酸的摩尔比为1: (0.2-0.4)，硼酸与氢氧化钠的摩尔比为1:1; 第四步:将反应液温度降至35?40°C，出料。
2.根据权利要求1所述的适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的制备工艺，其特征在于:所述反应器始终置于水浴环境中加热。
3.—种适于木建筑用材阻燃功能提升的改性酚醛树脂的使用方法，其特征在于:包括以下步骤: 1、树脂浓度调整 树脂浓度的调整通过添加蒸馏水稀释实现； 2、待改性材预处理 待改性材预处理为木材的含水率控制，在木材改性前，将待改性材含水率控制在10?25%范围内； 3、树脂浸渍和固化 树脂浸渍工艺为常温常压浸渍或真空加压浸渍，其中优选的是真空加压浸渍。针对木建筑常用的38mm厚度的规格材，树脂的真空加压浸渍工艺为:先进行抽真空处理至真空度为-0.08 ?-0.09MPa，保持 20min_60min，再加压至 0.4 ?1.0MPa，保持 30 ?120min，树脂在处理过程中温度不超过50°C，木材始终位于树脂液面以下。 树脂的固化工艺为:经树脂浸渍后的改性木材，在通风且避免阳光直射的室温环境中静置2-6d，在40?45°C温度环境中维持6-12小时，最后在热压机热压作用下固化，热压机热压板的温度控制在130?140°C范围内。
【文档编号】B27K3/52GK104497248SQ201510001987
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月4日 优先权日:2015年1月4日
【发明者】岳孔, 王磊磊, 刘伟庆, 陆伟东, 夏蛟, 杨成, 陈强, 徐德良 申请人:南京工业大学