本发明涉及一种改性木材、改性木材的制备方法和应用。
背景技术：
：木材是一种天然可再生的工程结构材料，常被广泛的用作建筑材料用于基础设施建设、室内装修等领域。但是，在使用过程中，由于外界环境侵蚀等因素导致木质结构发生破坏。因此，通过提高木材的力学性能等各方面指标来提高木材的耐久性变得尤为重要。同时，木材又是易燃性材料，在其长期使用的过程中存在很大的火灾隐患。因此，木质材料的阻燃防火是关系到人民生命财产安全的重要问题。目前，提高木材耐久性最常见的方法是采用树脂胶对其浸渍，提高木材耐久性。对于提高其阻燃性能的方法也是通过将木材在阻燃液中通过浸泡或浸渍的手段来降低木材的可燃性。但是，上述所述树脂胶属于有机物胶，易老化，对木材长期耐久性的改善效果不佳。同时，传统的木材阻燃方法大多选用的是有机阻燃剂，当木材温度上升到一定程度时，该阻燃剂可能失效，达不到木材阻燃的效果。且上述方法环保性差，严重影响人体健康。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种改性木材及其制备方法，该方法能够解决现有木材力学性能差，耐久性不良，易燃等问题。为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种改性木材，包括木材本体以及位于木材本体孔隙中的mg(nh4)po4和/或磷酸钾镁。根据本发明的一些实施方式，木材本体来自于杨木、樟木、柳木和马尾松中的一种或多种。根据本发明的一些实施方式，所述木材本体的密度为0.4g/cm3～0.6g/cm3。本发明第二方面提供一种改性木材的制备方法，包括以下步骤：1)将组分a引入到木材本体的孔隙中，得到负载组分a的木材；2)将组分b引入到负载组分a的木材的孔隙中，使其与孔隙中的组分a发生反应，生成mg(nh4)po4和/或磷酸钾镁。根据本发明的一些实施方式，组分a包括磷酸盐和/或酸式磷酸盐。根据本发明的一些实施方式，组分b包括镁盐以及选自钾盐和铵盐中的至少一种，优选地，磷酸盐和/或酸式磷酸盐选自磷酸钾/钠溶液、磷酸二氢钾/钠溶液、磷酸二氢铵溶液、磷酸氢二铵溶液和磷酸氢二钾/钠溶液的一种或多种；更优选地，镁盐选自氯化镁，钾盐选自氯化钾、硫酸钾和硫酸钠中的一种或多种，所述铵盐选自氯化铵和/或硫酸铵。根据本发明的一些实施方式，木材本体的含水率低于10％，优选低于5％。根据本发明的一些实施方式，步骤1)中，通过负压浸渍将组分a引入到木材本体的孔隙中。根据本发明的一些实施方式，以真空表压计，所述负压为-0.05mpa至-0.1mpa，优选为-0.08mpa至-0.1mpa。根据本发明的一些实施方式，步骤1)包括：1a)将木材在负压下保持1-8h；1b)使步骤1a)处理后的木材浸渍于组分a中。根据本发明的一些实施方式，实施步骤1a)的温度为25-60℃，优选为30-50℃。根据本发明的一些实施方式，步骤1b)中，所述浸渍的压力为0.5-2.0mpa。在一些实施例中，步骤1b)中，所述浸渍的压力为0.8-1.5mpa。根据本发明的一些实施方式，步骤1b)中，所述浸渍的温度为25-60℃，和/或时间为8-36h，优选12-24h。根据本发明的一些实施方式，所述制备方法还包括将负载组分a的木材进行干燥，优选使其含水率小于5％。根据本发明的一些实施方式，步骤2)中，通过负压浸渍将组分b引入到负载组分a的木材本体的孔隙中。根据本发明的一些实施方式，步骤2)中，以真空表压计，所述负压为-0.05mpa至-0.1mpa，优选为-0.08mpa至-0.1mpa。根据本发明的一些实施方式，步骤2)包括：2a)将所述负载组分a的木材在负压下保持2-6h，优选为2.5-5.5h；2b)使步骤2a)处理后的木材浸渍于组分b中。根据本发明的一些实施方式，实施步骤2a)的温度为25-60℃，优选为30-50℃。根据本发明的一些实施方式，步骤2b)中，所述浸渍的压力为0.5-2.0mpa。在一些实施例中，步骤2b)中，所述浸渍的压力为0.8-1.5mpa。根据本发明的一些实施方式，步骤2b)中，所述浸渍的温度为25-60℃，和/或时间为12-36h，优选15-28h。根据本发明的一些实施方式，所述方法还包括将步骤2)处理之后的木材进行干燥。根据本发明的一些实施方式，所述干燥的条件包括负压，更优选真空表压为-0.05mpa至-0.1mpa，优选为-0.08mpa至-0.1mpa；干燥可以在30-70℃的温度下进行。根据一些实施例，干燥的时间为2-4h。本发明中的木材改性剂主要由a组分和b组分组成。其中a组分主要是溶解度高的正磷酸盐或酸式磷酸盐；b组分主要是溶解度高的镁盐、钾盐、铵盐。通过浸渍手段，使a、b组分先后进入木材，当a组分提供磷酸根离子或磷酸氢根离子与b组分提供的钾离子，镁离子，铵根离子相遇后，发生反应，生成胶结性能极强的，热稳定性差无机凝胶鸟粪石。该凝胶不仅可与木材纤维相互胶结，使木材矿化，改善其力学性能，提高木材的密度。同时在木材受热时该无机凝胶会发生分解，释放出阻燃性气体，降低木材的可燃性，实现木材防火。本发明第三方面提供一种上述改性木材在室内装修、木质家具及以木材为结构的建筑群体方面的应用。本发明的有益效果：1、本发明通过浸渍手段，使能够发生反应的两种或多种无机组分进入木材内部，相互反应，形成受热易分解，并能释放出阻燃性气体的无机凝胶。一方面，该凝胶可使木材矿化，改善木材密度、尺寸稳定性，优化木材的力学性能。另一方面，木材遇火灾时，温度升高的过程中，该无机凝胶发生分解，释放出阻燃性气体，降低木材的易燃性，实现木材结构的防火。2、本发明提供的木材强化方法，解决了传统用树脂胶等有机物对木材强化后，有机物老化，流失等原因造成木材耐久性不良、易燃等问题。3、本发明所提供的采用无机组分对木材进行强化的方法节能，环保。木材经强化后，所得木材性能优异，且防火性能良好，具有极高的推广及应用价值。具体实施方式下面通过实施例对本发明作进一步阐述。为进一步体现出本发明所带来的功效，实施例1-4以a组分中的饱和磷酸钾溶液和b组分中按体积比1:1混合的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液为例，对尺寸为30cm×15cm×5cm的低密度杨木进行改性处理，具体应用案例对本发明进一步的详细说明如下所述。实施例1一种木材改性方法，结合所述制备步骤，具体实施例的操作如下：(1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为30cm×15cm×5cm的低密度杨木放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09mpa的负压，保持4h。随后将饱和磷酸钾溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0mpa，保持24h，使饱和磷酸钾溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的饱和磷酸钾溶液排出来。(3)将步骤(2)中浸渍过饱和磷酸钾溶液的杨木取出，放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制-0.09mpa的负压，保持4h。随后将按体积比1:1混合的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至0.8mpa，保持12h，使饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的饱和磷酸钾溶液充分反应。解除压力，将罐内多余的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液排出来。(5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节真空浸渍罐温度至40℃，再将真空罐内的压力调至-0.08mpa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于5％，即得到所需强化木材。实施例2一种木材改性方法，结合所述制备步骤，具体实施例的操作如下：(1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为30cm×15cm×5cm的低密度杨木放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09mpa的负压，保持4h。随后将饱和磷酸钾溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0mpa，保持24h，使饱和磷酸钾溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的饱和磷酸钾溶液排出来。(3)将步骤(2)中浸渍过饱和磷酸钾溶液的杨木取出，放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制-0.09mpa的负压，保持4h。随后将按体积比1:1混合的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至0.8mpa，保持16h，使饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的饱和磷酸钾溶液充分反应。解除压力，将罐内多余的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液排出来。(5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节真空浸渍罐温度至40℃，再将真空罐内的压力调至-0.08mpa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于5％，即得到所需强化木材。实施例3一种木材改性方法，结合所述制备步骤，具体实施例的操作如下：(1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为30cm×15cm×5cm的低密度杨木放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09mpa的负压，保持4h。随后将饱和磷酸钾溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0mpa，保持24h，使饱和磷酸钾溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的饱和磷酸钾溶液排出来。(3)将步骤(2)中浸渍过饱和磷酸钾溶液的杨木取出，放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制-0.09mpa的负压，保持4h。随后将按体积比1:1混合的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至0.8mpa，保持20h，使饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的饱和磷酸钾溶液充分反应。解除压力，将罐内多余的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液排出来。(5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节真空浸渍罐温度至40℃，再将真空罐内的压力调至-0.08mpa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于5％，即得到所需强化木材。实施例4一种木材改性方法，结合所述制备步骤，具体实施例的操作如下：(1)木材预处理：浸渍前，将尺寸为30cm×15cm×5cm的低密度杨木放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(2)取出步骤(1)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调至-0.09mpa的负压，保持4h。随后将饱和磷酸钾溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0mpa，保持24h，使饱和磷酸钾溶液充分进入木材内部。解除压力，将罐内多余的饱和磷酸钾溶液排出来。(3)将步骤(2)中浸渍过饱和磷酸钾溶液的杨木取出，放入温度为55℃的烘箱中干燥，直至含水率小于5％。(4)取出步骤(3)干燥后的杨木，将其置于浸渍灌内，将罐内压力调制-0.09mpa的负压，保持4h。随后将按体积比1:1混合的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液注入罐内并充满罐体，再将罐内压力调至1.0mpa，保持24h，使饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液充分进入杨木内部，与步骤(2)中浸渍的饱和磷酸钾溶液充分反应。解除压力，将罐内多余的饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液排出来。(5)对步骤(4)完成浸渍的杨木进行真空干燥处理，调节真空浸渍罐温度至40℃，再将真空罐内的压力调至-0.08mpa的负压，保持真空罐中的温度和压力，真空干燥至杨木的含水率小于5％，即得到所需强化木材。按照国标gb/t17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对采用本发明的技术方案实施例1、2、3、4，对比例1所制得板材以及未经处理的杨木模板的香烟灼烧等级、抗弯强度、弹性模量、耐磨性能、尺寸稳定性、密度进行了测试，结果如表1所示。表1木材性能指标测试结果实施例5-8本组实施例5-8与实施例4的区别在于：b组分中饱和氯化镁溶液与饱和氯化铵溶液的体积比分别为2:1、3:1、4:1、5:1。按照国标gb/t17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对采用本发明的技术方案实施例5-8所制得板材以及未经处理的杨木模板的香烟灼烧等级、抗弯强度、弹性模量、耐磨性能、尺寸稳定性、密度进行了测试，结果如表1所示。表2木材性能指标测试结果从表2可以看出：当b组分中氯化铵组分减少后，木材的抗弯强度、弹性模量、耐磨性及密度等性能指标均有一定的提升。但是，木材的燃烧等级变差，防火性能明显降低。实施例9-12本组实施例9-12与实施例4的区别在于：a组分不同，a组分分别为饱和磷酸钠、饱和磷酸二氢钠、饱和磷酸氢二钠、饱和磷酸二氢钾。按照国标gb/t17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对采用本发明的技术方案实施例9-12所制得板材以及未经处理的杨木模板的香烟灼烧等级、抗弯强度、弹性模量、耐磨性能、尺寸稳定性、密度进行了测试，结果如表1所示。表3木材性能指标测试结果性能指标对比样实施例9实施例10实施例11实施例12抗弯强度/mpa50.385.283.184.384.9香烟灼烧等级25444弹性模量/mpa67469324921693549388耐磨性能/g/100r0.170.130.140.130.12尺寸稳定性/mm0.50.20.30.20.2密度/g/cm30.5560.9830.9720.9760.981表3结果可以看出，改变磷酸盐种类后，木材各方面指标也均优于对比样中木材的性能。但与实施例4相比，实施例9-12所得木材的各方面性能均降低。实施例13-16本组实施例13-16与实施例4的区别在于：b组分不同，b组分分别为饱和氯化镁、饱和氯化铵、体积比为1:1的饱和氯化钾与饱和氯化铵的混合溶液、体积比为1:1的饱和氯化钾与饱和氯化镁的混合溶液。按照国标gb/t17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对采用本发明的技术方案实施例13-16所制得板材以及未经处理的杨木模板的香烟灼烧等级、抗弯强度、弹性模量、耐磨性能、尺寸稳定性、密度进行了测试，结果如表4所示。表4木材性能指标测试结果性能指标对比样实施例13实施例14实施例15实施例16抗弯强度/mpa50.387.286.385.485.8香烟灼烧等级24553弹性模量/mpa67469658956394649537耐磨性能/g/100r0.170.100.100.130.12尺寸稳定性/mm0.50.10.20.20.1密度/g/cm30.5560.9920.9800.9740.978表4结果表明：改性处理后，实施例13-16中木材的性能指标均优于对比样木材的性能指标。但与实施例4相对比，b组分改变后，实施例13-16中木材的综合性能有一定程度的降低。应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不对本发明构成任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性的词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可以扩展至其它所有具有相同功能的方法和应用。当前第1页1 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