專利名稱：用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬改良木材表面性質(zhì)的方法，主要是用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
為了保護(hù)木材的原有特性、提高木制品的裝飾作用和使用壽命，需采用一定的表面處理技術(shù)來提高其美觀特性、力學(xué)性能、耐磨性、耐久性，改善木材加工性能及賦予木材表面隔熱、耐燃、防蛀、絕緣、導(dǎo)電等新功能，從而提高木材的使用價(jià)值，拓寬木材的應(yīng)用領(lǐng)域。到目前為止，木材表面功能性改良方法主要有木材染色、木材漂白、木材涂飾、防腐處理、表面強(qiáng)化、無電解電鍍、表面化學(xué)裝飾、等離子體聚合、表面活化和珍貴木質(zhì)超薄貼面裝飾等。許多學(xué)者對木材表面功能性改良進(jìn)行了相關(guān)研究。利用二氧化硅對木材進(jìn)行改性，上世紀(jì)90年代開始就有研究。據(jù)報(bào)道，日本學(xué)者 Saka等最早采用溶膠-凝膠法在木材內(nèi)部生成SiO2凝膠制備木材/無機(jī)復(fù)合材料，利用調(diào)濕材浸潰于四乙氧基硅烷(TEOS)中，木材內(nèi)部的結(jié)合水引發(fā)了四乙氧基硅烷的水解反應(yīng)、 縮聚反應(yīng)，在木材空隙中生成二氧化硅粒子，制備得到多孔性的二氧化硅/木材復(fù)合材料， 該復(fù)合材料保留了木材多孔等良好特性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁內(nèi)生成的硅凝膠量是有選擇性的，含水率越高，生成的凝膠量越多，對生成硅凝膠量不同的復(fù)合材料進(jìn)行評估的結(jié)果表明，復(fù)合材料內(nèi)部凝膠含量越高，表現(xiàn)出的尺寸穩(wěn)定性和滯火效應(yīng)就越好(《具有多空結(jié)構(gòu)的無機(jī)質(zhì)復(fù)合木材》[J].張明華等譯吉林建材.1999，80 (4) :38 43)。Ogiso等先用超聲波處理木材，然后再與四乙氧基硅烷(TEOS)反應(yīng)制備二氧化硅/木材復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)超聲波處理能影響其增重率，使制備木材-無機(jī)質(zhì)復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性、耐火性和耐蟻性存在著局部化學(xué)效應(yīng)(《超聲波處理對制備木材-無機(jī)質(zhì)復(fù)合材料的影響》[J].張明華等譯吉林建材· 2000，8 (I) 42 48)。Saka等用3-異氰酸丙酯基三乙氧基硅烷(IPTEOS) 對木材進(jìn)行化學(xué)改性后，用四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液處理制備了含有TiO2無機(jī)物質(zhì)的二氧化硅/木材復(fù)合材料(《化學(xué)改性木材-無機(jī)質(zhì)復(fù)合材料》[J].張明華等譯吉林建材.2000，82 (2) :39 44)。1994年，Ogiso等先用異氰酸鹽、環(huán)氧樹脂、乙烯樹脂和甲基丙烯酸樹脂類的硅烷偶聯(lián)劑在無水條件下進(jìn)行木材化學(xué)無機(jī)改性，然后用正硅酸乙酯處理制備了化學(xué)改性二氧化硅/木材復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SiO2凝膠同與木材物質(zhì)共價(jià)鍵合的硅烷偶聯(lián)劑鎖具，這對于尺寸穩(wěn)定性和耐熱性更為有效(《木材和無機(jī)物質(zhì)之間的化學(xué)鍵對提高性能的影響》[J]張明華等譯·吉林建材· 2000，83 (3) 38 43)。在國內(nèi)，很多學(xué)者也進(jìn)行了研究。1996年，王西成等先將陶瓷前驅(qū)體溶液水解獲得溶膠，使用鹽酸作催化劑，將經(jīng)干燥的木材試樣置于真空處理罐內(nèi)抽真空，再將溶膠吸入處理罐中的木材，經(jīng)一定時(shí)間后轉(zhuǎn)為正壓處理，取出后再陳化、干燥，得到陶瓷化木材(《陶瓷化木材的復(fù)合機(jī)理》[J].材料研究學(xué)報(bào).1996，10 (4) :435 439)。1998年，王西成等引入 Y-(2. 3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷作為偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑分子鏈的一端與木材纖維素中的羥基發(fā)生反應(yīng)，使木材(鍛木或楊木)與偶聯(lián)劑通過C-O-C鍵連結(jié)起來，另一端的烷氧基水解，形成RSi-OH，在催化劑的作用下與TEOS的水解產(chǎn)物發(fā)生縮聚反應(yīng)。這樣，木材與二氧化硅間借助于偶聯(lián)劑在更大程度上通過Si-O-Si及C-O-C醚鍵連接起來，增強(qiáng)了其界面結(jié)合力，進(jìn)一步提高了木材的綜合性能(《木材/ 二氧化硅原位復(fù)合材料的界面研究》[J]. 材料工程.1998，(5) 16 18)。2003年，陳志林一方面利用TEOS與水在催化劑的作用下發(fā)生水解反應(yīng)制得溶膠，然后再將溶膠注入木材中，制備陶瓷化復(fù)合木材；另一方面，采用 MTES與TEOS共水解獲得改性溶膠，然后再將溶膠注入木材中，制備得MTES改性溶膠陶瓷化復(fù)合木材(《陶瓷化復(fù)合木材復(fù)合方法與性能的基礎(chǔ)性研究》[博士學(xué)位論文].北京北京工業(yè)大學(xué)，2003)。2004年，邱堅(jiān)采用TEOS為前驅(qū)體，利用超臨界技術(shù)，制備了木材-SiO2氣凝膠復(fù)合材料(《木材-SiO2氣凝膠納米復(fù)合材的研究》[博士學(xué)位論文].哈爾濱東北林業(yè)大學(xué)，2004)。2006年，符韻林采用TEOS為前驅(qū)體制備SiO2/木材復(fù)合材料，并研究SiO2/ 木材復(fù)合材料的微細(xì)構(gòu)造、物理性能、二氧化硅與木材的結(jié)合方式、動態(tài)粘彈性等性質(zhì)，以及二氧化硅凝膠粒子介入木材細(xì)胞壁的空間位置(《二氧化硅/木材復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與物性》[博士學(xué)位論文].北京北京林業(yè)大學(xué)，2006)。綜上所述，目前國內(nèi)外專家學(xué)者的研究都是以二氧化硅進(jìn)入木材內(nèi)部為改性目的，使二氧化硅凝膠生成于木材內(nèi)部固有空隙中，從結(jié)果來看，制造得到的二氧化硅/木材復(fù)合材料的硬度、吸濕性等物理力學(xué)性能都有了一定的提高。但從溶膠-凝膠制備方法及反應(yīng)機(jī)理看，反應(yīng)前驅(qū)體一正硅酸乙酯進(jìn)入木材內(nèi)部后水解生成溶膠，然后轉(zhuǎn)變成凝膠， 此過程發(fā)生在木材內(nèi)部細(xì)胞空隙中，由于木材細(xì)胞空隙空間較小，前驅(qū)體進(jìn)入時(shí)遇到較大的阻力，導(dǎo)致生成的二氧化硅粒子易發(fā)生團(tuán)聚，生成的二氧化硅粒子未達(dá)到納米尺寸大小， 所以制造出來的二氧化硅/木材復(fù)合材料未表現(xiàn)出納米材料的奇特性質(zhì)。另外，納米二氧化硅運(yùn)用于涂料中，可賦予涂料屏蔽作用，達(dá)到抗紫外光老化及熱老化的目的，同時(shí)提高了涂料的隔熱、光潔度、附著力、自清潔能力以及顏料的懸浮性，確保涂料顏色長期不變色。國內(nèi)外學(xué)者作了許多相關(guān)研究。張衛(wèi)國等在機(jī)械攪拌和超聲場共同作用下，將納米二氧化硅均勻分散到聚氨酯清漆中，制得納米二氧化硅復(fù)合涂料，改性納米二氧化硅含量為O. 7% (質(zhì)量)時(shí)的復(fù)合漆防腐能力最佳，且漆膜附著力最強(qiáng)(《納米二氧化硅復(fù)合涂料的制備及其性能》化工學(xué)報(bào)，2006，57 (11) 2746 2749)。張克杰等研究納米二氧化硅水性塑料涂料研制，采用苯丙乳液與納米二氧化硅復(fù)合，得到高性能的水性納米復(fù)合塑料涂料，該涂料涂膜硬度達(dá)到3H以上，耐熱在100°C沸水中不回粘，耐水性好，豐滿度高(《納米二氧化硅水性塑料涂料的研制》中國涂料，2006，21 (5) :18 20)。王振希等研究了納米二氧化硅用于苯丙白色涂料中，發(fā)現(xiàn)在苯丙涂料中添加5%。納米二氧化硅能提高涂膜4倍以上的抗老化性能(《納米二氧化硅對苯丙涂料性能的影響》南昌大學(xué)學(xué)報(bào) (工科版)，2004, 26 (3) 48 50)。金祝年應(yīng)用納米二氧化硅改進(jìn)外墻涂料性能，發(fā)現(xiàn)納米 SiO2能有效降低涂料因紫外線和紅外光照射造成的色差值，提高外墻涂料的抗老化性(《應(yīng)用納米二氧化硅改進(jìn)外墻涂料性能的研究》化工新型材料，2004，32 (5) 42 43)。可見，納米二氧化硅在涂料中應(yīng)用廣泛，獲得較好的改善效果。但是，關(guān)于納米二氧化硅在木材及家具涂料中的應(yīng)用，仍少有報(bào)道。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的一些問題，如采用溶膠-凝膠法，使二氧化硅介入木材內(nèi)部細(xì)胞空隙以達(dá)到功能改良的目的，造成二氧化硅易團(tuán)聚，功能改良效果不理想；納米二氧化硅已廣泛應(yīng)用于墻體涂料、金屬涂料、塑料涂料等領(lǐng)域，且具有良好的改善作用，但關(guān)于納米二氧化硅在木材及家具涂料中的應(yīng)用，仍少有報(bào)道。因此，本申請?zhí)岢鲇枚趸枰酝苛献鬏d體對木材進(jìn)行改性，使二氧化硅僅分散分布于木材表面，實(shí)現(xiàn)對木材表面性質(zhì)改良的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種制備工藝簡單、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本降低的用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法。本發(fā)明以如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題二氧化硅以涂料作載體改良木材表面性質(zhì)；將質(zhì)量為涂料質(zhì)量1% -2 %的改性或未改性的納米粉狀二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中，攪拌均勻后涂飾在木材表面，涂刷3 遍，然后將試件在室溫下放置10d，最后得到表面改良材。所述納米粉狀二氧化硅直徑為50納米。所述涂料是油性的聚氨酯漆涂料。二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中的方法是將改性或未改性的粉狀二氧化硅添加入按聚氨酯漆固化劑稀釋劑=I : O. 5 : I配好的聚氨酯漆涂料中，攪拌均勻得所需含SiO2的涂料。對SiO2進(jìn)行改性處理時(shí)，將SiO2和硅烷偶聯(lián)劑KH_570(添加量為SiO2質(zhì)量的 15% )共同分散于甲苯溶液中，加熱回流攪拌處理即得所需改性Si02。采用本發(fā)明的方法對木材表面進(jìn)行改性處理，木材表面性質(zhì)得到較明顯的改善。 木材表面涂層的耐磨性、附著力、耐沖擊性、硬度、耐老化性能均得到改善。直接將未改性二氧化硅加入聚氨酯漆涂料中，木材表面涂層的附著力等級由2級上升到I級；涂層最大抗沖擊能力由IOmm提高到IOOmm ;經(jīng)過6個(gè)老化周期后涂層抗老化能力提高了 I. 3倍。將改性二氧化硅加入聚氨酯漆涂料中，木材表面涂層的磨耗量由O. 301g下降到O. 193g ;涂層附著力等級由2級上升到I級；涂層最大抗沖擊能力由IOmm提高到200mm ;涂層硬度等級由H 上升到2H;經(jīng)過8個(gè)老化周期后，涂層抗老化能力提高了 1.6倍左右。且生產(chǎn)工藝簡單，反應(yīng)過程快，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品成本明顯降低，可用于制備各類木地板、室內(nèi)裝飾及家具等用材，前景極為廣闊。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是以二氧化硅為增強(qiáng)體，利用二氧化硅對木材表面進(jìn)行處理，以達(dá)到改良木材表面疏水性、耐光性、耐久性、耐磨性等性質(zhì)。用二氧化硅以涂料作載體對木材進(jìn)行改性可以使二氧化娃僅分布于木材表面，實(shí)現(xiàn)對木材表面性質(zhì)改良的作用。實(shí)施例II.將Ig粉狀納米二氧化硅(直徑為50納米，以下同)直接加入IOOg市售的華潤佳緣聚氨酯漆涂料，按聚氨酯漆(成膜物是聚氨(基甲酸)酯樹脂)固化劑(異氰酸酯基)稀釋劑(天那水)=I : 0.5 : I配制，攪拌至均勻；2、按照木材紋理涂刷木材表面，每個(gè)試件涂3遍，使木材對二氧化硅聚氨酯漆涂料充分的吸收。涂刷完成后將試件常溫下放置IOd ；3、經(jīng)過改良的木材表面漆膜耐磨性減低，磨耗量由O. 301g增加到O. 299g ;附著力由2級提高到I級；最大抗沖擊能力由IOmm提高到50mm ;光澤度由48%降低到18. 67% ； 經(jīng)過6個(gè)周期的老化試驗(yàn),抗老化能力提高了 I. 07倍。實(shí)施例2I、將2g粉狀納米二氧化硅直接加入IOOg市售的華潤佳緣聚氨酯漆涂料，按實(shí)施例I的方法配制，攪拌至均勻；2、涂刷木材表面的方法和試件常溫下放置同實(shí)施例I ;3、經(jīng)過改良的木材表面漆膜耐磨性減低，磨耗量由O. 301g增加到O. 423g ;附著力由2級提高到I級；最大抗沖擊能力由IOmm提高到IOOmm ;光澤度由48%降低到5. 86% ； 經(jīng)過6個(gè)周期的老化試驗(yàn),抗老化能力提高了 I. 3倍。實(shí)施例3I、首先把粉狀納米3102在2001條件下烘干3h，然后取5g烘干后的SiOJPO. 75ml 的KH-570共同分散于裝有150ml的甲苯溶液的玻璃反應(yīng)釜中，加熱回流攪拌5h，控制加熱溫度為110°C左右，轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分。反應(yīng)結(jié)束后，停止反應(yīng)并冷卻，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器離心處理，用無水乙醇洗滌數(shù)次，直至將甲苯溶液洗掉，然后干燥，最后得到改性SiO2 ；2、將I. 5g改性粉狀納米二氧化硅加入IOOg聚氨酯漆涂料中，按實(shí)施例I的方法配制，攪拌至均勻；3、涂刷木材表面的方法和試件常溫下放置同實(shí)施例I ;4、經(jīng)過改良的木材表面漆膜耐磨性得到改善，磨耗量O. 301g降低為O. 193g ;最大抗沖擊能力由IOmm提高到200mm ;光澤度由48%降低到8. 73% ;硬度由H提高到2H ;經(jīng)過 8個(gè)周期的老化試驗(yàn),抗老化能力提高了 I. 55倍。實(shí)施例4I、首先按照實(shí)施例3的方法對粉狀納米SiO2進(jìn)行改性，得到改性SiO2 ；2、將2g改性粉狀納米二氧化硅加入IOOg聚氨酯漆涂料中，按實(shí)施例I的方法配制，攪拌至均勻；3、涂刷木材表面的方法和試件常溫下放置同實(shí)施例I ;4、經(jīng)過改良的木材表面漆膜耐磨性得到改善，磨耗量O. 301g降低為O. 214g ;附著力由2級提高到I級；最大抗沖擊能力由IOmm提高到200mm;光澤度由48%降低到7. 55%； 硬度由H提高到2H ;經(jīng)過8個(gè)周期的老化試驗(yàn)，抗老化能力提高了 I. 67倍。
權(quán)利要求
1.一種用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法，其特征是二氧化硅以涂料作載體改良木材表面性質(zhì)；將質(zhì)量為涂料質(zhì)量1% -2%的改性或未改性的納米粉狀二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中，攪拌均勻后涂飾在木材表面，涂刷3遍，然后將試件在室溫下放置10d，最后得到表面改良材。
2.如權(quán)利要求I所述的用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法，其特征是納米粉狀二氧化硅，直徑為50納米。
3.如權(quán)利要求I所述的用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法，其特征是所述涂料是油性的聚氣酷漆涂料。
4.如權(quán)利要求I所述的用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法，其特征是二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中的方法是將改性或未改性的粉狀二氧化硅添加入按聚氨酯漆固化劑稀釋劑=I 0.5 I配好的聚氨酯漆涂料中，攪拌均勻得所需含SiO2的涂料。
5.如權(quán)利要求I所述的用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法，其特征是對SiO2進(jìn)行改性處理時(shí)，將SiO2和添加量為SiO2質(zhì)量15%的硅烷偶聯(lián)劑KH-570共同分散于甲苯溶液中， 加熱回流攪拌處理即得所需改性Si02。
全文摘要
一種用二氧化硅改良木材表面性質(zhì)的方法，二氧化硅以涂料作載體改良木材表面性質(zhì)，將改性或未改性的納米粉狀二氧化硅添加到聚氨酯漆涂料中，攪拌均勻后涂飾在木材表面。采用本發(fā)明的方法對木材表面進(jìn)行改性處理，木材表面性質(zhì)得到較明顯的改善，且生產(chǎn)工藝簡單，反應(yīng)過程快，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品成本明顯降低，可用于制備各類木地板、室內(nèi)裝飾及家具等用材，前景極為廣闊。
文檔編號B27K3/52GK102581900SQ201210072298
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月17日
發(fā)明者喬夢吉, 符韻林, 莫引優(yōu) 申請人:廣西大學(xué)