本發(fā)明涉及一種木材改性劑及利用其處理木材的方法。

背景技術(shù)：
目前我國木材的對外依存度已經(jīng)超過50％，嚴(yán)重影響我國的木材安全。在世界優(yōu)質(zhì)木材資源供給減少和我國天然林全面禁伐的新形勢下，我國木材工業(yè)的主要原料已經(jīng)轉(zhuǎn)向人工速生林木材。雖然我國擁有世界面積最大的人工林，但人工林木材材質(zhì)軟、密度小、強度低、紋理顏色不美觀，在環(huán)境中易變形開裂和菌腐蟲害，這些缺陷致使其難以被用于生產(chǎn)高品質(zhì)木質(zhì)產(chǎn)品。為了解決人工林材質(zhì)差問題，一類方法是利用活性單體或預(yù)聚體樹脂對木材進行浸漬改性處理，來實現(xiàn)人工林木材品質(zhì)的提升。木材乙?；亲钤绲哪静母男约夹g(shù)之一，主要是將醋酸酐浸入木材，利用酸酐與木材細(xì)胞壁大分子羥基發(fā)生反應(yīng)，將木材中吸濕性強的羥基替換為乙酰基，降低羥基的數(shù)量，從而提高木材的尺寸穩(wěn)定性和耐候性。但常用的醋酸酐本身具有腐蝕性、催淚性、成本高，處理后的木材在使用過程中存在殘留醋酸揮發(fā)釋放問題。此外，基于甲醛類樹脂處理改性也是較為成功的木材改性產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，該類樹脂包括低分子脲醛樹脂、酚醛樹脂、氮羥甲基樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂等，利用該類樹脂對木材進行浸漬處理，處理木材也可獲得優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、防腐性能以及抗老化性能等，但樹脂在合成、浸漬、升溫聚合過程中以及改性木材在使用過程中均存在游離甲醛釋放問題，對人體和環(huán)境具有潛在的危害。為了增強改性藥液的環(huán)保性能，US5770319公開了一種利用麥芽糖作為助劑，添加到人工合成樹脂中改性木材的方法，但該技術(shù)中樹脂仍然是主劑，沒有徹底解決甲醛等小分子揮發(fā)物釋放等問題；另外，麥芽糖沒有反應(yīng)活性，主要存在于細(xì)胞腔中，因此在使用過程中會出現(xiàn)麥芽糖析出而污染木材表面的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了有效解決現(xiàn)有木材改性技術(shù)中存在的甲醛、苯酚、醋酸等小分子揮發(fā)物釋放問題，本發(fā)明提供了一種環(huán)保高效的木材改性藥液及利用其處理木材的方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種木材改性藥液，以質(zhì)量百分比計由0.5～5％活化劑、5～50％低分子糖、0～3％催化劑、0～0.5％穩(wěn)定劑、0.5～5％添加劑和水制成。一種木材改性處理的方法，通過真空和加壓條件，將木材改性藥液注入木質(zhì)材料中，在高溫干燥條件下使改性劑中活性官能團與木材細(xì)胞壁羥基發(fā)生接枝反應(yīng)，從而固定在木材細(xì)胞壁中。具體操作過程如下：一、配制改性藥液：向蒸餾水中加入活化劑攪拌均勻，然后在攪拌過程中逐步加入低分子糖，使之形成均一溶液，調(diào)節(jié)溶液pH值為1～7之間，再緩慢加入催化劑，攪拌均勻，加入穩(wěn)定劑，再攪拌0.5～1.5小時后，加入添加劑，攪拌均勻，制得改性劑溶液，所述改性藥液以質(zhì)量百分比計，含有0.5～5％活化劑、5～50％低分子糖、0～3％催化劑、0～0.5％穩(wěn)定劑、0.5～5％添加劑。二、真空加壓浸漬：采用傳統(tǒng)的木材防腐處理使用的真空加壓設(shè)備，利用滿細(xì)胞法使步驟一配制的改性劑溶液浸透木材，控制真空度為-0.001～0MPa，壓力為0～2.0MPa；抽真空和加壓的大小和時間根據(jù)木材尺寸和樹種而異，一般尺寸較小、厚度較薄、密度較低的木材，真空度和壓力較小，時間較短；尺寸大、較厚且密度大的木材則需相對較大的真空度和壓力以及時間。三、干燥聚合：(1)將浸透的木材先置于大氣環(huán)境中自然干燥，直到含水率達(dá)到平衡。(2)在梯度式升溫條件下從室溫逐漸升溫至100℃(梯度為每天10～30℃)，以除去木材中的自由水，然后在高溫條件下干燥1～7天，使活性低分子糖與木材大分子發(fā)生聚合反應(yīng)。本發(fā)明中，所述活化劑為過氧化氫、偏高碘酸鹽、氫氧化銅中的一種。當(dāng)活化劑為過氧化氫時，所述木材改性藥液以質(zhì)量百分比計，由0.5～5％活化劑、5～50％低分子糖、0.5～3％催化劑、0.1～0.5％穩(wěn)定劑、0.5～5％添加劑和水制成。當(dāng)活化劑為偏高碘酸鹽或氫氧化銅時，所述木材改性藥液以質(zhì)量百分比計，由0.5～5％活化劑、5～50％低分子糖、0.5～5％添加劑和水制成。本發(fā)明中，所述低分子糖為呋喃糖和/或吡喃糖，具體可以是D-葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、果糖、半乳糖、殼聚糖中的一種或幾種混合物。本發(fā)明中，所述催化劑為硫酸亞鐵、硫酸鐵、氯化亞鐵、氯化鐵等中的一種。本發(fā)明中，所述穩(wěn)定劑為亞硫酸氫鈉、硫代硫酸鈉、維生素C、甲醇、二氧化錳、肼、草酸、檸檬酸中的一種。本發(fā)明中，所述添加劑為金屬鹵化物、金屬磷酸鹽、金屬硝酸鹽中的一種。本發(fā)明中，所述干燥方式可以是鼓風(fēng)干燥、真空干燥、高溫水蒸氣干燥、微波干燥等，也可以多種干燥方式交替使用。本發(fā)明中，所述高溫條件下是指溫度在100～160℃范圍內(nèi)。本發(fā)明中，所述木材可以是但不局限于楊木、輻射松、杉木、桉木、樺木、柞木、椴木。本發(fā)明中，所述改性藥液的制備方法主要是低分子糖通過活化方法，在低分子糖結(jié)構(gòu)的特定位置形成反應(yīng)活性更強的基團，制備具有能和木材細(xì)胞壁大分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的改性劑。本發(fā)明中，所述改性劑處理木材的方法主要是將本發(fā)明制備的活性低分子糖溶液注入木材細(xì)胞中，通過干燥、聚合等工藝方法，使活化的低分子糖接枝到木材細(xì)胞壁大分子上，成為細(xì)胞壁的一部分，以實現(xiàn)活性低分子糖在木材中的固著率，增強木材的尺寸穩(wěn)定性、耐腐性及力學(xué)強度等性能。本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果：1、本發(fā)明所述低分子糖來源于自然界光合作用，來源永續(xù)且環(huán)保。2、本發(fā)明所述活化劑為綠色環(huán)保藥劑，活化劑活化低分子糖過程中或者自身分解成水和氧氣，或者可以分離回收利用，不會對制成的木材改性劑和環(huán)境帶來負(fù)面作用。3、本發(fā)明所述改性劑用水作為溶劑，在處理木材干燥過程中不存在有機溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境問題。4、本發(fā)明所述改性劑雖然是低分子糖，但在木材處理過程中以及改性木材使用過程中均不會揮發(fā)，也不會產(chǎn)生諸如甲醛、苯酚等有害物質(zhì)的揮發(fā)釋放問題。5、本發(fā)明所述改性木材在水中浸泡一周的改性劑流失率低于10％，解決了改性劑在木材中的固著問題。6、本發(fā)明所述改性木材的尺寸穩(wěn)定性比未改性木材明顯增強，在相對濕度為93％條件下木材吸濕性降低9～35％，抗脹縮系數(shù)(ASE)可達(dá)52％。7、本發(fā)明所述改性木材具有優(yōu)異的耐菌腐朽能力，褐腐、白腐和軟腐測試產(chǎn)生的木材質(zhì)量損失率低于10％，可達(dá)到強耐腐朽級。對于同期測試的未改性木材(素材)，其褐腐和白腐導(dǎo)致的質(zhì)量損失均高于70％，屬于不耐腐級，軟腐質(zhì)量損失高于50％，不能抵抗軟腐菌的侵害。8、本發(fā)明所述改性木材的抗壓強度增加30～106％，改性處理不改變木材的抗彎強度。9、本發(fā)明所述改性處理能夠使得木材紋理更加突出，具有優(yōu)異的外觀美感及質(zhì)感，可用于家居裝飾(如地板、家具、實木門窗、木質(zhì)工藝品、踢腳線、掛鏡線、封邊線、頂角線、門套線、上福線、墻線、木墻裙等)、廚房用具(如櫥柜、刀柄、刀鞘、臺面等)、室外用材(如室外用棧道、長椅扶手、涼亭、指示牌等)。具體實施方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。實施例1：1、配制改性藥液：向蒸餾水中加入H2O2，配制成0.8M溶液并攪拌均勻，然后在攪拌過程中逐步加入蔗糖，使之形成透明蔗糖溶液，其中蔗糖的添加量分別為0％、10％、15％、20％和30％。調(diào)節(jié)溶液pH值到3.0，再緩慢加入0.1M催化劑硫酸亞鐵溶液，攪拌均勻，加入0.2％硫代硫酸鈉，再攪拌1小時后，加入1.0％添加劑硝酸鎂，攪拌均勻，制得改性劑溶液。2、真空加壓浸漬：采用傳統(tǒng)的木材防腐處理使用的真空加壓設(shè)備，利用滿細(xì)胞法使步驟1配制的改性劑溶液浸透楊木(規(guī)格2000×200×25mm3)，控制真空度為-0.01MPa，真空時間1小時，壓力為1.0MPa，保壓時間5小時。3、干燥聚合：將浸透的楊木先置于大氣環(huán)境中自然干燥至含水率約為20％，然后放入干燥窯中以每天20℃的速率升溫至100℃，以除去木材中的自由水，然后在110℃下干燥3天制得改性楊木。按本實施例方法制備的改性木材的增重率、流失率、抗脹縮系數(shù)、抗彎強度、平衡含水率、抗彎強度、抗壓強度如表1。表1中的結(jié)果表明，以活化低分子糖改性處理楊木的流失率低于10％，表明藥劑在木材細(xì)胞中固著性好。木材抗脹縮系數(shù)可達(dá)52％，顯示木材的尺寸穩(wěn)定性好，不易變形。與素材相比較，實施例1中的改性處理對木材抗彎強度基本不影響，但木材的抗壓強度增幅高達(dá)106％。這些性能表明，實施例1獲得的改性木材可以用于對木材變形有嚴(yán)格限定的場所，比如實木門窗和家具。表1未處理楊木(素材)和改性楊木物理力學(xué)性能的比較注：平衡含水率測試條件為溫度20℃，相對濕度65％。實施例2：按實施例1的方法改性處理楊木，隨后將未處理楊木(素材)和改性楊木同時置于軟腐菌環(huán)境中接受防腐性能測試(測試標(biāo)準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN807)，測試過程中每隔一段時間取出部分試樣稱取絕干質(zhì)量，計算質(zhì)量損失率，結(jié)果見表2。從表2可知，測試32周后楊木素材的質(zhì)量損失率大于50％，而三種改性楊木的最高質(zhì)量損失率僅為7％。該結(jié)果表明實施例1制備的改性木材具有優(yōu)異的耐軟腐性能，能夠用于接觸土壤的環(huán)境中，比如電線桿、木樁等。表2未處理楊木(素材)和改性楊木軟腐過程中質(zhì)量損失率比較實施例3：1、配制改性藥液：配制0M、0.1M、0.2M、0.3M和0.4M氫氧化銅懸濁液，然后在攪拌過程中逐步加入葡萄糖，其中對應(yīng)氫氧化銅溶液濃度分別加入的葡萄糖濃度為0％、5％、10％、15％和20％，使之形成均一溶液，當(dāng)溶液顏色變成磚紅色后，分離沉淀下來的氧化亞銅，得到的溶液中加入1.5％硝酸鎂，攪拌均勻，制得改性劑溶液。2、真空加壓浸漬：采用傳統(tǒng)的木材防腐處理使用的真空加壓設(shè)備，利用滿細(xì)胞法使步驟1配制的改性劑溶液浸透輻射松(規(guī)格2000×200×25mm3)，控制真空度為-0.01MPa，真空時間1小時，壓力為1.0MPa，保壓時間5小時。3、干燥聚合：將浸透的輻射松先置于大氣環(huán)境中自然干燥至含水率約為20％，然后放入干燥窯中以每天20℃的速率升溫至100℃，以除去木材中的自由水，然后在150℃下干燥1天制得改性輻射松。將按實施例3方法制備的改性輻射松以及未處理的輻射松置于三種木腐菌環(huán)境中進行培養(yǎng)12周后，測定試件的質(zhì)量損失率并進行防腐性能分等，結(jié)果如表3。未經(jīng)處理的素材失重率高達(dá)63～82％，說明采用的樹種本身對三種菌均不耐腐。實施例2制備的改性木材對三種菌腐均具有很強抵抗能力，尤其是實施例3中C5，改性木材的質(zhì)量損失率低于10％，防腐等級達(dá)到強耐腐級。表3中的結(jié)果表明，以活化低分子糖改性處理輻射松具備防腐效能，可以在戶外或以腐朽霉變的場所使用，比如戶外用棧道、座椅和涼亭等，也可用于室內(nèi)洗浴間和廚房。表3未處理輻射松(素材)和改性輻射松菌腐質(zhì)量損失率和防腐等級比較注：按GB/T13942.1根據(jù)質(zhì)量損失率分為四個等級：0～10％為強耐腐(Ⅰ)，11～24％為耐腐(II)，25～44％為稍耐腐(III)，>45％為不耐腐(IV)。