[发明专利]化学功能改良木材的脆性抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种木材功能改良的新方法。利用多羟基醇化合物为增韧助剂、天然有机酸为催化剂、低分子羟甲基树脂为改性剂复配为功能改良试剂处理木材或木质基材，抑制化学改良导致的木材脆化。 

背景技术

木材是天然可再生和循环利用的材料，随着国家经济建设的发展及人民生活水平的提高，人们对木材的需求量越来越大。而天然林保护工程的实施，和国内天然林覆盖面积相对小，使得木材供应量大幅下降。为缓解木材供需矛盾，我国已经营造了大面积的工业人工林。人工林虽然有速生丰产等优点，但是人工速生林木材的密度低，材质松软，物理力学性能较差，干缩湿胀易导致木材变形。这些低质木材使用寿命短，使用过程中易腐朽、开裂和变形等。为改善低质木材的性能以拓宽其应用范围、提高其利用率和附加值，现已发展了各种物理、化学的功能改良技术。其中，利用各种活性低分子试剂对木材进行化学功能改良已经发展为成熟的改良技术，在欧美成功实现了工业化应用。 

现有的木材化学功能改良技术主要包括乙酰化、呋喃醇处理、三聚氰胺处理和1，3-二羟甲基-4，5-二羟基乙烯脲(2D树脂)改性等技术。木材乙酰化，是利用具有活性的乙酰基与木材细胞壁物质中的亲水性羟基发生接枝反应形成酯键连接，减少木材细胞壁中的羟基，因而降低木材的吸湿性、增强木材的尺寸稳定性。最初的乙酰化处理采用嘧啶作为催化剂，处理的木材尺寸稳定性和耐腐朽性能得到良好的改善。呋喃醇浸渍改性的木材又称为糠醇化木，这项技术主要由挪威的木聚合物技术有限公司(Norwaegian company Wood Polymer Technologies)开发，并申请了多项国际专利(例如，PCT/NO01/004132001.10.11、PTC/NO2003/000251/2003.7.21和2004-08-13PCT/NO2004/000247)。最初的研究是将糠醇替换酚醛树脂作为胶黏剂制造模板和无机复合材料，糠醇浸渍到木材中，然后在木材细胞壁和/或细胞腔中发生缩合反应形成低聚物。在热和催化剂的共同作用下，其末端基团也可能会与木材细胞壁物质的羟基发生接枝或交联反应。三聚氰胺树脂改性处理是以改性三聚氰胺树脂为改性剂，对锯材和单板 进行浸渍处理，对浸渍的锯材可进行热压压缩制作高密度的压缩木，而处理的单板则可作为胶合板的表板。三聚氰胺树脂改性处理后的木材，许多性能也得到改善，如尺寸稳定性、阻湿率、弹性模量和静曲强度等，主要原因是三聚氰胺树脂中羟甲基等基团与木材细胞壁物质发生反应，部分取代了木材中的羟基(-OH)，从而形成交联化作用。2D树脂改性木材，改性机理也是通过氮羟甲基与木材细胞壁的羟基发生共价交联形成醚键，由此改善木材的弹性模量和尺寸稳定性能，该类处理基本不改变木材颜色，保留了木材的天然美观色泽。2D树脂处理技术的研发主要在德国，处理木材的尺寸稳定性、耐久性、防腐性和某些力学性能得到了显著改善，也广泛应用与制备地板、胶合板和门窗等产品。 

尽管这些化学功能性改良技术赋予了木材新的特性与功能，但同时也带来一些负面影响，主要表现在某些力学性能(尤其是动态力学性能，如冲击强度)的显著降低。某些处理木材的拉伸强度降低40％以上，冲击强度降低幅度甚至高达80％。这些负面影响严重局限了木材的应用领域，尤其是需要承载的场合。与未处理材力学性能相比较，乙酰化改性木材的抗弯强度和弹性模量、冲击强度都降低了，其处理工艺相对繁琐，反应后有副产物乙酸残留并逐渐释放，因此酸味很浓。用糠醇处理后的木材稍变脆，处理后的木材颜色变为棕色，影响木材的天然美观性。三聚氰胺树脂易老化、固化时间短，在使用过程中亚甲基会发生水解，导致三聚氰胺本身变脆，处理的木材也存在脆化问题。2D树脂在处理木材过程中，会释放一些甲醛，处理木材的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度都有所降低。这些化学功能改良木材的力学性能降低的主要原因可以归结为：(1)反应过程中有酸(作为催化剂)的参与或有机酸的产生(反应副产物)，致使木材细胞壁主要成分尤其是纤维素，发生催化水解；(2)由于化学试剂在木材细胞壁中的交联反应或接枝填充，导致改性后的木材在受载荷情况下细胞壁微纤丝分子链间的滑移受限，宏观上木材表现为韧性下降，木材发脆。因此，本发明旨在维持原有化学功能改良赋予木材优异性能的同时，通过相关手段有效抑制化学改性导致的木材冲击强度降低(木材脆化)这一工业技术难题。