一种无卤阻燃木材的制备方法
阅读说明：本技术 一种无卤阻燃木材的制备方法 (Preparation method of halogen-free flame-retardant wood ) 是由 黄佳 侯世杰 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种无卤阻燃木材的制备方法,包括：步骤1,将椴木材浸泡于氢氧化钠与亚硫酸钠的混合水溶液中,随后,而后将处理后的椴木材在蒸馏水中浸泡冲洗若干次,将木材中残留的药品除去,得到除去木质素与半纤维素的木材；步骤2,将除去木质素与半纤维素的木材浸泡于含有阻燃剂的悬浮液的容器中5h-48h,然后将容器放置于密封干燥器中,采用水泵对密封干燥器抽真空,使其真空度维持在0.1MPa,持续12h～24h,而后将容器放置于真空烘箱中,采用油泵对真空烘箱进行4～10h的抽真空处理,关闭油泵后,将真空烘箱内温度提升至60℃并持续4～24h,除去残留水分,得到阻燃木材；步骤3,将阻燃木材在60℃的温度和5MPa的压强下进行10～24h的热压成型,得到干燥密实的阻燃木材。(The invention provides a preparation method of halogen-free flame-retardant wood, which comprises the following steps: step 1, soaking a basswood material in a mixed aqueous solution of sodium hydroxide and sodium sulfite, then soaking and washing the treated basswood material in distilled water for a plurality of times, and removing residual medicines in the wood to obtain the wood without lignin and hemicellulose; step 2, soaking the wood from which the lignin and the hemicellulose are removed in a container containing a suspension liquid of a flame retardant for 5-48 hours, then placing the container in a sealed dryer, vacuumizing the sealed dryer by using a water pump to maintain the vacuum degree of the sealed dryer at 0.1MPa for 12-24 hours, then placing the container in a vacuum oven, vacuumizing the vacuum oven for 4-10 hours by using an oil pump, turning off the oil pump, raising the temperature in the vacuum oven to 60 ℃ for 4-24 hours, and removing residual moisture to obtain the flame-retardant wood; and 3, carrying out hot press molding on the flame-retardant wood for 10-24 hours at the temperature of 60 ℃ and under the pressure of 5MPa to obtain the dry and dense flame-retardant wood.)
技术领域
本发明属于阻燃材料领域，具体涉及一种无卤阻燃木材的制备方法。
背景技术
木材是一种应用十分广泛的材料，在桥梁、建筑、家具等方面均有大量的需求。由于其具有来源丰富、环境友好、生产过程能耗较低等特性，与混凝土、钢铁等其它建材相比具有较大优势。然而，由于木材属于可燃、易燃材料，极大地加剧建筑或家具的火灾风险，限制了其在建材家居领域的应用。其在燃烧过程中释放出了大量的热、烟雾以及有毒有害气体均会对火灾现场人员造成极大危害。因此，对木材和木制品进行阻燃改性对于防止火灾的发生、降低烟雾毒气生成、减少生命财产损失具有重要意义。
在各类阻燃剂中，含卤阻燃剂是一种使用较为广泛的阻燃剂。其具有优良的阻燃性能且价格较为低廉，但是当火灾发生时，含卤阻燃剂会释放出大量烟雾和有毒卤化氢气体，造成二次危害。随着欧盟RoHS、WEEE等环保指令的颁布，含卤阻燃剂在诸多领域的应用受到了限制。因此，开发无卤阻燃材料成为一个很重要的课题。在无卤阻燃剂中，含磷阻燃剂由于其具有阻燃效率高、低烟、低毒等特点，具有很好的发展前景。在无机含磷阻燃剂中，含有磷酸铵结构的盐类是一大类广泛应用于建材、塑料、木材、纸张等材料的阻燃剂，也可用作森林、油田、干粉灭火领域，具有高效、无毒、来源广泛、价格低廉、抑烟性好等优势。然而，在实际使用中仍存在诸多问题，如添加量较大、阻燃剂易流失、易迁移到材料表面等。因此，在实际使用中，常需对其进行进一步的阻燃改性。
在天然木材中沿着木材的生长方向存在着富含管壁和管腔的天然取向结构。其中的细胞壁通常由纤维素、半纤维素和木质素组成。通过化学改性与物理处理，可将其制备成纳米复合材料，从而应用到各个领域。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够实现对木材的无卤阻燃改性，并达到高效阻燃、无卤、无毒、消烟等的无卤阻燃木材的制备方法。
本发明提供了一种无卤阻燃木材的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，将椴木材浸泡于氢氧化钠溶液与亚硫酸钠的混合水溶液中，随后，而后将处理后的椴木材在蒸馏水中浸泡冲洗若干次，将木材中残留的药品除去，得到除去木质素与半纤维素的木材；步骤2，将除去木质素与半纤维素的木材浸泡于含有阻燃剂的悬浮液的容器中5h-48h，然后将容器放置于密封干燥器中，采用水泵对密封干燥器抽真空，使其真空度维持在0.1MPa，持续12h～24h，而后将容器放置于真空烘箱中，采用油泵对真空烘箱进行4～10h的抽真空处理后，将油泵关闭后，并将真空烘箱内温度提升至60℃并持续4～24h，除去残留水分，得到阻燃木材；步骤3，将阻燃木材在60℃的温度和5MPa的压强下进行10～24h的热压成型，得到干燥密实的阻燃木材，其中，阻燃剂与椴木材的质量比为1:1～1:100。
在本发明提供的无卤阻燃木材的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中的氢氧化钠溶液浓度为0.01～1g/mL，亚硫酸钠的浓度为0.01～0.5g/mL，并在混合后煮沸10～40h。
在本发明提供的无卤阻燃木材的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中的阻燃剂为磷酸铵盐类阻燃剂，包括磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、聚合度1000以上的II型聚磷酸铵、聚合度50以上的I型聚磷酸铵、聚合度20～50的水溶型聚磷酸铵、氨基甘油改性的聚磷酸铵。
在本发明提供的无卤阻燃木材的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，磷酸铵、磷酸二氢铵与磷酸氢二铵的分子式分别为(NH4)3PO4、NH4H2PO4与(NH4)2HPO4。
在本发明提供的无卤阻燃木材的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，聚磷酸铵结构通式为(NH4PO3)n。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的无卤阻燃木材的制备方法采用了一种新的方案将无卤磷酸铵类阻燃剂引入到木材中，从而达到阻燃目的。采用化学改性方法，通过将椴木材在氢氧化钠溶液与亚硫酸钠的混合水溶液中煮沸处理除去木质素与半纤维素，进而采用在负压条件下将磷酸铵类阻燃剂填充到除木质素后的木材中，并将木材热压成型处理，制得一种致密的无卤阻燃木材，其阻燃、抑烟等各项性能均保持良好。
综上，本发明的无卤阻燃木材的制备方法，方法简单，所需原料廉价易得，所得材料兼具阻燃、环保、无毒等优势，能够实现大规模的生产。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例对本发明作具体阐述。
本发明的一种无卤阻燃木材的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，除去木质素与半纤维素：将椴木材浸泡于氢氧化钠溶液与亚硫酸钠的混合水溶液中，随后，而后将处理后的椴木材在蒸馏水中浸泡冲洗若干次，将木材中残留的药品除去，得到除去木质素与半纤维素的木材。
本发明中，氢氧化钠溶液浓度为0.01～1g/mL，亚硫酸钠的浓度为0.01～0.5g/mL，并在混合后煮沸10～40h。
步骤2，阻燃改性：将除去木质素与半纤维素的木材浸泡于含有阻燃剂的悬浮液的容器中5h-48h，然后将容器放置于密封干燥器中，采用水泵对密封干燥器抽真空，使其真空度维持在0.1MPa，持续12h～24h，而后将容器放置于真空烘箱中，采用油泵对真空烘箱进行4～10h的抽真空处理后，将油泵关闭后，并将真空烘箱内温度提升至60℃并持续4～24h，除去残留水分，得到阻燃木材。
本发明中，阻燃剂与椴木材的质量比为1:1～1:100，阻燃剂为磷酸铵盐类阻燃剂，包括但不限于磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、聚合度1000以上的II型聚磷酸铵、聚合度50以上的I型聚磷酸铵、聚合度20～50的水溶型聚磷酸铵、氨基甘油改性的聚磷酸铵。
其中，磷酸铵、磷酸二氢铵与磷酸氢二铵的分子式分别为(NH4)3PO4、NH4H2PO4与(NH4)2HPO4，聚磷酸铵结构通式为(NH4PO3)n。
步骤3，热压成型：将阻燃木材在60℃的温度和5MPa的压强下进行大约10～24h的热压成型，得到干燥密实的阻燃木材。
<实施例1>
步骤1，将124克椴木材浸泡于500mL氢氧化钠溶液与亚硫酸钠的混合水溶液中，其中，NaOH溶液浓度为0.1g/mL，Na2SO3的浓度为0.05g/mL，并将其煮沸20h。随后，将浸泡后的木材在蒸馏水中浸泡冲洗若干次，将木材中残留的药品除去，得到除去木质素与半纤维素的木材。
步骤2，将除去木质素与半纤维素的木材浸泡于含有60gII型聚磷酸铵阻燃剂的悬浮液的容器中24h，然后将容器放置于密封干燥器中，采用水泵对干燥器抽真空，使其真空度维持在0.1MPa左右，持续时间大约为24h，而后将容器放置于真空烘箱中，采用油泵对真空烘箱抽真空处理，持续时长约7h后，将油泵关闭，并将真空烘箱内温度提升至60℃，持续时间约5h，除去残留水分，得到阻燃木材。
步骤3，将所得的阻燃木材在60℃温度和5MPa压强下热压成型约24h，最终得到干燥密实的阻燃木材。
将所得的干燥密实的阻燃木材制备测试样品，并与未经处理的木材样品对比，测定其阻燃性能：
UL-94垂直燃烧：由未经处理的木材样品的NR级别提升到V-0(根据ASTM D 635-77，127mm×12.7mm×3mm)。
极限氧指数：由未经处理的木材样品的21％提高到50％(根据ASTM D 2863-97，120mm×6.5mm×3mm)。
锥形量热测试：辐射功率为25kW/m2下，未经处理的木材样品燃烧过程中的峰值热释放速率为133kW/m2，平均峰值热释放速率为61kW/m2，平均有效燃烧热为11MJ/kg，热释放总量为30MJ/m2，总烟释放量为2201m2/m2；阻燃木材的峰值热释放速率为4kW/m2，平均峰值热释放速率为0.05kW/m2，平均有效燃烧热为0.1MJ/kg，热释放总量为0.43MJ/m2，总烟释放量为709m2/m2，各项参数均有明显改善，说明该阻燃材料在凝聚相与气相均发挥了有效的阻燃作用，阻燃、抑烟等各项性能均保持良好。
<实施例2>
步骤1，将124克椴木材浸泡于600mL氢氧化钠溶液与亚硫酸钠的混合水溶液中，其中，NaOH溶液浓度为0.1g/mL，Na2SO3的浓度为0.05g/mL，并将其煮沸14h。随后，将浸泡后的木材在蒸馏水中浸泡冲洗若干次，将木材中残留的药品除去，得到除去木质素与半纤维素的木材。
步骤2，将由a处理后的木材浸泡于含有30gII型聚磷酸铵阻燃剂的悬浮液的容器中25h，然后将容器放置于密封干燥器中，采用水泵对干燥器抽真空，使其真空度维持在0.1MPa左右，持续时间大约为24h，而后将容器放置于真空烘箱中，采用油泵对真空烘箱抽真空处理，持续时长约8h后，将油泵关闭，并将真空烘箱内温度提升至60℃，持续时间约5h，除去残留水分，得到阻燃木材。
步骤3，将所得的阻燃木材在60℃温度下和5MPa压强下热压成型约24h，最终得到干燥密实的阻燃木材。
将所得的干燥密实的阻燃木材制备测试样品，并与未经处理的木材样品对比，测定其阻燃性能：
UL-94垂直燃烧：由未经处理的木材样品的NR级别提升到V-0(根据ASTM D 635-77，127mm×12.7mm×3mm)。
极限氧指数：由未经处理的木材样品的21％提高到47％(根据ASTM D 2863-97，120mm×6.5mm×3mm)。
<实施例3>
步骤1，将124克椴木材浸泡于600mL氢氧化钠溶液与亚硫酸钠的混合水溶液中，其中，NaOH溶液浓度为0.1g/mL，Na2SO3的浓度为0.05g/mL。并将其煮沸14h。随后，将浸泡后的木材在蒸馏水中浸泡冲洗若干次，将木材中残留的药品除去，得到除去木质素与半纤维素的木材。
步骤2，将由a处理后的木材浸泡于含有5gII型聚磷酸铵阻燃剂的悬浮液的容器中25h，然后将容器放置于密封干燥器中，采用水泵对干燥器抽真空，使其真空度维持在0.1MPa左右，持续时间大约为24h，而后将容器放置于真空烘箱中，采用油泵对真空烘箱抽真空处理，持续时长约8h后，将油泵关闭，并将真空烘箱内温度提升至60℃，持续时间约5h，除去残留水分，得到阻燃木材。
步骤3，将所得的阻燃木材在60℃温度下和5MPa压强热压成型约24h，最终得到干燥密实的阻燃木材。
将所得阻燃木材制备测试样品，并与未经处理的木材样品对比，测定其阻燃与力学性能：
UL-94垂直燃烧：由未经处理的木材样品的NR级别提升到V-0(根据ASTM D 635-77，127mm×12.7mm×3mm)。
极限氧指数：由未经处理的木材样品的21％提高到40％(根据ASTM D 2863-97，120mm×6.5mm×3mm)。
压缩强度：压缩形变为25％时，由未经处理的木材样品的16.3MPa提升至33.6MPa(材料尺寸为9mm×9mm×6mm，控制速度为1mm/min)。
实施例的作用与效果
由实施例1可知，阻燃木材的NR级别均提升到了V-0，极限氧指数均达到了50％，且通过锥形量热测试可知，阻燃木材的峰值热释放速率、平均峰值热释放速率、平均有效燃烧热、热释放总量以及总烟释放量均的得到了大幅度的下降，说明各项参数均有明显改善。
由实施例2可知，阻燃木材的NR级别均提升到了V-0，极限氧指数均达到了47％。
由实施例3可知，阻燃木材的NR级别均提升到了V-0，极限氧指数均达到了40％，在压缩形变为25％时，压缩强度达到了33.6MPa。
进一步地，由实施例1至实施例3可知，当阻燃剂的质量减少时，极限氧指数降低了，因此，当椴木材的质量为124克，阻燃剂的质量为60g时，极限氧指数降低，制备得到的阻燃木材的阻燃、抑烟效果相对较好。
根据本发明所涉及的无卤阻燃木材的制备方法采用了一种新的方案将无卤磷酸铵类阻燃剂引入到木材中，从而达到阻燃目的。采用化学改性方法，通过将椴木材在氢氧化钠溶液与亚硫酸钠的混合水溶液中煮沸处理除去木质素与半纤维素，进而采用在负压条件下将磷酸铵类阻燃剂填充到除木质素后的木材中，并将木材热压成型处理，制得一种致密的无卤阻燃木材，其阻燃、抑烟等各项性能均保持良好。
综上，本发明的无卤阻燃木材的制备方法，方法简单，所需原料廉价易得，所得材料兼具阻燃、环保、无毒等优势，能够实现大规模的生产。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
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