一种阻燃木材及其制备方法、金属卤化物的用途

1.本发明涉及木材阻燃技术领域，特别是涉及一种阻燃木材及其制备方法、金属卤化物的用途。


背景技术：

2.木材作为一种天然可再生材料，由于其高度易燃，对生命财产安全造成了巨大的威胁。
3.目前，对木材的阻燃处理存在很多问题。一是阻燃剂价格昂贵，且对木材的阻燃处理工序复杂，难以大面积应用；二是阻燃效果不好，无法阻止火焰扩散；三是阻燃剂的添加严重影响了天然木材的视觉、触觉特性，限制了木材作为装饰材料的应用。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种阻燃木材及其制备方法、金属卤化物的用途，用于解决现有技术中的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。
6.本发明提供一种阻燃木材的制备方法，包括如下步骤：采用盐溶液对木材进行浸渍。
7.还包括干燥步骤。
8.优选地，所述盐溶液的浓度为1wt％～50wt％。本技术中的盐溶液中的溶剂为水。
9.优选地，所述盐溶液中的盐为金属卤化物。
10.更优选地，所述金属卤化物选自卤化钙、卤化锌、卤化锂、卤化镁和卤化钠中的一种或多种。更优选地，所述金属卤化物选自氯化钙、氯化锂、氯化镁、氯化锌、溴化钙、溴化锌、碘化钠和碘化锂中的一种或多种。最优选地，所述金属卤化物选自氯化钙、氯化锂和氯化镁。
11.优选地，所述浸渍时在真空条件下进行，真空条件保持时间为1h～20h。尺寸比较小、厚度比较薄的木材处理时间短，反之处理时间长。更优选地，真空处理若干次，且相邻的两次真空处理之间设有大气压条件下处理时间段。大气压条件下处理时间为1～5min。较短时间的大气压条件处理有助于溶液的浸渍。采用多个间隔的真空条件处理使得金属卤化物水溶液能够更好的填充至木材内部。
12.更优选地，所述真空处理次数为1～50次。
13.优选地，所述木材选自阔叶树的木材，其适用于建筑工程或家具装饰性木材。具体如杨木、桐木。
14.优选地，干燥在常温常压下进行。优选地，干燥温度为20～30℃。
15.本发明还公开了一种如上述所述的制备方法获得的阻燃木材。
16.本发明还公开了一种金属卤化物作为阻燃剂用于处理木材形成阻燃木材的用途。
17.优选地，所述金属卤化物为选自卤化钙、卤化锌、卤化镁、卤化锂和卤化钠中的一
种或多种。更优选地，所述金属卤化物选自氯化钙、氯化锂、氯化镁、氯化锌、溴化钙、溴化锌、碘化钠和碘化锂中的一种或多种。最优选地，所述金属卤化物选自氯化钙、氯化锂和氯化镁。
18.本发明上述技术方案的有益效果为：
19.1)本发明阻燃木材的制备方法中原料廉价易得，制备方法简单，操作方便，易于批量化生产；
20.2)本发明制备方法在阻燃处理前后对木材颜色和纹理影响较小；
21.3)本发明制备方法得到的阻燃木材具有极强的阻燃效果，其中fr-wood(具体实施方式一)极限氧指数可达到100％，热释放速率峰值和烟释放速率峰值分别降低了80％和93％；
22.4)本发明制备方法可实现阻燃木材的大尺寸制备。
23.总之，本发明将价格低廉的金属卤化物注入木材内部，获得了保留天然颜色和纹理且具有高阻燃能力的木材，这种阻燃木材非常适合用于起到装饰性作用的环境中，有望在家具、建筑、造船、古木保存等多个领域得到应用。
附图说明
24.图1为实施例1获得的fr-wood的外观照片。
25.图2为实施例1获得的fr-wood的阻燃效果图。
26.图3为相比于天然木材，不同金属卤化物处理后木材的阻燃效果。
27.图4为实施例1的fr-wood的阻燃机理。
28.图5为实施例1中的fr-wood与未经实施例1处理的木材r-wood的三点弯曲测试效果。
29.图6为实施例1中的fr-wood与未经实施例1处理的木材r-wood的压缩测试效果。
30.图7为实施例1中的fr-wood与未经实施例1处理的木材r-wood的拉伸测试效果。
31.图8为在25.4℃，13.2rh％的条件下实施实施例1～3获得的阻燃木材的热释放速率峰值。
32.图9为在25.4℃，13.2rh％的条件下实施实施例1～3获得的阻燃木材的总热释放量。
33.图10为在25.4℃，13.2rh％的条件下实施实施例1～3获得的阻燃木材的烟释放峰值。
34.图11为在25.4℃，13.2rh％的条件下实施实施例1～3获得的阻燃木材的总烟释放量。
具体实施方式
35.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
36.在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，
通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
37.当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
38.本技术中申请人发现对于装饰性木材，希望美观且安全实用，这就要求经处理后的木材保留有天然木材的视觉、触觉特点，并且能够具有良好的阻燃效果。
39.现有技术中阻燃木材的获得方式不能满足用于装饰作用的木材的使用要求。而申请人意外发现采用金属卤化物的水溶液对木材进行浸渍处理后获得的阻燃木材，就能够起到良好的阻燃作用，并且不会影响天然木材的颜色、纹理，采用这种处理方式获得的阻燃木材非常适合用于家具装饰性木材。
40.本技术实施例中用的木材均为杨木。
41.实施例1
42.本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
43.a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置氯化钙溶液，搅拌使得溶液无色透明，可冰浴冷却直至溶液温度为室温；
44.b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化钙溶液中；
45.c、真空处理：将步骤b得到的浸渍有木材的溶液放入真空箱内抽真空，每间隔20h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复3次；
46.d、室温干燥：将步骤c得到的浸渍有木材的溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
47.将本实施例中得到的阻燃木材编号为fr-wood，其外观照片如图1所示，由图1可以看出，木材的颜色和纹理并没有发生任何变化，仍然保持有木质本色。
48.为了检测阻燃木材的阻燃性能，申请人做了如下实验进行检测。
49.如图2a所示，在1300℃火焰下处理20s后离开火焰，天然木材发生了大面积燃烧。相反， fr-wood于1300℃火焰下处理20s然后离开火焰后，火焰在1s内熄灭并在表面留下了致密的碳层；于1300℃火焰下处理45s然后离开火焰后，火焰在3s内熄灭并在表面留下了致密的碳层；于1300℃火焰下处理90s然后离开火焰后，火焰在4s内熄灭并在表面留下了致密的碳层。
50.如图2b所示，根据iso 5660-1锥形量热仪测试方法，天然木材的点燃时间为6s，fr-wood 点燃时间为19s，具体如图2c所示。同时，fr-wood根据iso 4589测试方法在loi测试中氧指数可达到100％，而天然木材氧指数仅为20％。根据iso 5660-1锥形量热仪测试方法，本实施例中制备的阻燃木材热释放速率峰值和烟释放速率峰值分别降低了80％和93％，总热释放和总烟释放分别降低了61％和96％，具体如图2e所示。
51.通过tg-ms分析可得fr-wood的阻燃机理，图4a对应的是天然木材的tg-ms图，图4b 对应的是fr-wood的tg-ms图，具体机理阐释如下：
52.1)脱水：
53.天然木材和fr-wood的脱水分为两个阶段，第一阶段为自由水的脱除，第二阶段为结合水的脱除。天然木材的自由水脱除最剧烈的温度为143℃，fr-wood自由水的脱除最剧烈的温度在187℃，此现象说明相比于天然木材，fr-wood自由水的脱除更为困难，保水性更好。同时水作为典型的阻燃剂，保水性更好意味着阻燃性越好。第二阶段的对应着木材组分的热解成炭，天然木材第二阶段脱水最剧烈的温度为395℃，fr-wood 对应着305℃，说明fr-wood降低了木材组分热解的温度，提前形成了致密炭层阻隔外界大量热量，减缓了碳层下方木材组分的热解。
54.2)气相稀释作用：
55.fr-wood燃烧会产生大量不可燃气体h2o、so2、co2等，这些气体的释放会稀释周围环境中氧气和气态可燃物，同时不可燃气体还有一定的散热降温作用，进而阻止燃烧。
56.3)凝聚相隔绝作用：
57.cacl2遇高温会生成少量无机酸，该无机酸会使木材脱水，同时在ca
2+
的催化作用下，促进木材交联形成多孔致密炭层。该炭层可隔绝空气和热传导，防止可燃气体的挥发，保护木材基体，达到阻燃的目的。
58.4)自由基猝灭：
59.天然木材在燃烧时会产生大量可燃性自由基，该自由基又与可燃气体反应生成新的可燃性自由基，源源不断的为火焰提供燃料，导致链式反应，从而传播火焰。fr-wood 在燃烧时可产生反应性较低的cl
·
自由基，拥有捕捉可燃性自由基的能力，继而中止链式反应。
60.图5显示为本技术实施例1中的fr-wood与未经实施例1处理的木材r-wood的三点弯曲测试效果。其中三点弯曲测试时采用的样品尺寸为10cm(长)
×
1cm(宽)
×
0.8cm(高)。本技术中三点弯曲测试时的测试方法为gb/t 9341-2008。
61.图6显示为本技术实施例1中的fr-wood与未经实施例1处理的木材r-wood的压缩测试效果。其中拉伸测试时采用的样品尺寸为4cm(长)
×
2cm(宽)
×
1cm(高)。本技术中压缩测试时的测试方法为gb 13022-91。
62.图7显示为本技术实施例1中的fr-wood与未经实施例1处理的木材r-wood的拉伸测试效果。其中拉伸测试时采用的样品尺寸为15cm(长)
×
1cm(宽)
×
0.4cm(高)。本技术中拉伸测试时的测试方法为gb/t1041-92。
63.从图5、图6和图7可以看出，fr-wood在未发生燃烧时力学性能和r-wood十分相近，随着燃烧时间的增大，r-wood力学性能下降明显，甚至在较长的燃烧时间下无法自身支撑。然而fr-wood在燃烧过程中力学性能的下降相对缓慢，在火焰处理下显示出了相对较强的力学性能。
64.实施例2
65.本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
66.a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以30wt％配置氯化钙溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
67.b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化钙溶液中，得到木材浸渍溶液；
68.c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔20h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复2次；
69.d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h以上。
70.实施例3
71.本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
72.a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以10wt％配置氯化钙溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
73.b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化钙溶液中，得到木材浸渍溶液；
74.c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
75.d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h以上。
76.实施例4
77.本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
78.a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以5wt％配置氯化钙溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
79.b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化钙溶液中，得到木材浸渍溶液；
80.c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
81.d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h以上。
82.实施例5
83.本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
84.a、配置溶液：将氯化锌和蒸馏水以20wt％配置氯化锌溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
85.b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化锌溶液中，得到木材浸渍溶液；
86.c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔20h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复2次；
87.d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h以上。
88.实施例6
89.本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
90.a、配置溶液：将氯化锂和蒸馏水以30wt％配置氯化锂溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
91.b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化锂溶液中，得到木材浸渍溶液；
92.c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔10h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复5次；
93.d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h以上。
94.实施例7
95.本实施方式与实施例1不同的是步骤a配置溶液所用的金属卤化物为溴化钙，其他制备步骤与具实施例1相同。
96.实施例8
97.本实施方式与实施例1不同的是步骤a配置溶液所用的金属卤化物为溴化锌，其他制备步骤与实施例1相同。
98.实施例1～8中获得的阻燃木材的氧指数如图3所示，为根据iso 4589测试方法在loi测试。
99.本技术中，实施例1～8中的制备方法均是在温度为25℃，湿度为65％的条件下实施的。实施例1～8中获得的阻燃木材的热释放速率峰值降低百分率、烟释放速率峰值降低百分率、总热释放降低百分率和总烟释放降低百分率的结果如下表所示。
100.本技术中，phrr为热释放速率峰值，样品在燃烧过程中hrr的最大值，phrr的值越大，代表着火灾发生的可能性越大。hrr为热释放速率，是指在规定的试验条件下，在单位时间内材料燃烧所释放的热量。hrr越大，燃烧反馈给材料表面的热量就越多。
101.本技术中，thr为总热释放量。
102.本技术中，pspr为热释放速率峰值，是样品在燃烧过程中spr的最大值。spr是烟释放速率，是指在规定的试验条件下，在单位时间内材料燃烧所产生的烟量，用来评价材料在燃烧时的烟释放行为。
103.本技术中，tsp为总烟释放量。
[0104][0105]
在25.4℃和13.2rh％下，按照实施例1～3中的具体实施方式制备获得阻燃木材，然后再对制备的阻燃木材的性能进行测试，测试结果如图8、图9、图10和图11所示。由图8、图 9、图10和图11可看出，随着氯化钙浓度的增大，木材的阻燃性能逐渐提升，抑烟能力虽然无明显差别，但是都处在一个非常高的水平。但是发现。当氯化钙浓度到达30wt％时，木材表面颜色变化明显，装饰性能变差。综上所述，选择了20wt％氯化钙溶液浓度作为处理木材的最优浓度。
[0106]
实施例9
[0107]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0108]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置氯化钙溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0109]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化钙溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0110]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0111]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以
上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0112]
实施例10
[0113]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0114]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置氯化镁溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0115]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化镁溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0116]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0117]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0118]
实施例11
[0119]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0120]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置氯化锂溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0121]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化锂溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0122]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0123]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0124]
实施例12
[0125]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0126]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置氯化锌溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0127]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得氯化锌溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0128]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0129]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0130]
实施例13
[0131]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0132]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置溴化钙溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0133]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得溴化钙溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0134]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0135]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0136]
实施例14
[0137]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0138]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置溴化锌溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0139]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得溴化锌溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0140]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0141]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0142]
实施例15
[0143]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0144]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置碘化钠溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0145]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得碘化钠溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0146]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0147]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0148]
实施例16
[0149]
本实施例中阻燃木材的制备方法如下：
[0150]
a、配置溶液：将氯化钙和蒸馏水以20wt％配置碘化锂溶液，搅拌使得溶液无色透明，冰浴冷却直至溶液温度为室温；
[0151]
b、木材浸渍：将木材全部浸泡于步骤a所得碘化锂溶液中，得到木材浸渍溶液；
[0152]
c、真空处理：将步骤b得到的木材浸渍溶液放入真空箱内抽真空，每间隔5h释放一次真空，让溶液填充至木材内部，该过程重复10次；
[0153]
d、室温干燥：将步骤c得到的木材浸渍溶液从真空箱中取出，常压下保持1min以上，取出溶液中的木材，于常温常压下干燥2h。
[0154][0155]
从上表可看出，金属卤化物中cacl2、mgcl2、licl、cabr2处理木材后的阻燃抑烟效果较为突出。然而znbr2、nai、lii处理木材后，虽然阻燃性提升较高，抑烟能力却提升相对较少。需要特殊说明的是，zncl2处理后的木材阻燃性能提升，但抑烟能力变差。
[0156]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因
此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。