專利名稱：木材處理配制物的制作方法
通過用可聚合流體浸漬木材然后使該流體在木材結(jié)構(gòu)內(nèi)固化可以改進木材的性質(zhì)，例如硬度、剛性、強度、尺寸穩(wěn)定性和耐劣化性。所得到的材料有時稱為“木材聚合物復(fù)合材料”或“WPC”。
用于制造WPC的聚合物主要有兩種類型。一類通常利用來自碳碳雙鍵(乙烯基)的自由基引發(fā)的鏈式反應(yīng)進行聚合。這些自由基可以使用化學(xué)引發(fā)劑來產(chǎn)生。通常，用于制造WPC的含有乙烯基的單體不與木材細胞壁產(chǎn)生強烈相互作用也不進入木材細胞壁。它們保持在細胞腔中，在自由基方法中形成的聚合物也保持在那里。由于這個原因，這些類型的WPC有時被稱為“細胞腔WPC”。在細胞腔WPC中木材細胞壁保持不變。機械性能的改進是由來自細胞腔中的聚合物的增強作用導(dǎo)致的。細胞腔中的聚合物還極大的減少了材料中的水分移動，改進尺寸穩(wěn)定性。生物腐蝕耐性被改進是因為昆蟲和蛀蟲不能很好地咀嚼該材料以及菌類難于侵害它。WO 01/53050描述了從苯乙烯類單體制造細胞壁WPC的配制物(formulation)和方法。
用于制造WPC的第二主要種類的聚合物通過通常由酸性條件引發(fā)的逐步反應(yīng)進行聚合。所使用的乙烯單體與木材細胞壁的相互作用非常強烈。描述于WO 02/30638中的糠醇WPC具有這種機理。所述單體膨脹并進入細胞壁。聚合以后聚合物保持在細胞壁中，改變木材物質(zhì)的基本本質(zhì)。浸漬過的木材細胞壁具有與木材不同的化學(xué)組成。因此它們不被很多木材腐蝕生物識別從而對它們免疫。含有聚合物的新細胞壁在水中的膨脹非常小，得到異常好的尺寸穩(wěn)定性。
因此存在使用兩種主要類型的聚合物制備的兩種主要類型的WPC。這兩種主要類型的聚合物通過完全不同的反應(yīng)機理并使用非常不同的引發(fā)劑制造。它們單體的反應(yīng)機理是如此不同以至于對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在單一的配制物中混合這些單體然后用這種混合物制造聚合物是不可想象的。
但是，存在其中單獨的細胞腔WPC或細胞壁WPC不能給出所需性能的情況。填充的細胞腔和改性的細胞壁的組合將會好一些。對于極端應(yīng)用條件，結(jié)合木材、細胞腔和細胞壁聚合物的材料將會比任一種類型都要優(yōu)越。帶有這種想法申請人決定嘗試結(jié)合這兩種非常不同類型的聚合物以制造“組合”WPC。
申請人混合引發(fā)的苯乙烯和引發(fā)的糠醇并且用熱聚合該混合物。另申請人吃驚的是，形成了固體聚合物。此外，用該混合物浸漬的木材發(fā)生膨脹，表明混合物的糠醇部分進入細胞壁。當加熱時，形成具有良好機械性能和永久膨脹的狀態(tài)的WPC。申請人發(fā)現(xiàn)對于良好的聚合要求是苯乙烯中的自由基引發(fā)劑數(shù)量比WO 01/53050中所需數(shù)量更高和在糠醇中需要比WO 02/30638中稍微更高數(shù)量的酸性引發(fā)劑。
所用的混合物如下表1.組合單體配制物(Combination monomer formulation)。
成功混合該配制物所需的方法是首先在室溫制備兩種溶液。一種溶液通過在苯乙烯中溶解引發(fā)劑和交聯(lián)劑制得。這產(chǎn)生清澈著色(clear-coloured)的溶液。第二溶液通過在糠醇中溶解固體馬來酸酐引發(fā)劑來制備。這產(chǎn)生綠色溶液。然后將苯乙烯和其添加劑以及包含其添加劑的糠醇的溶液混合。這產(chǎn)生淡綠色的溶液，其是最終的處理混合物。以表1給出的配制物的方式說明混合方法，其中苯乙烯添加劑濃度基于苯乙烯和糠醇引發(fā)劑濃度基于糠醇。但是，加入到苯乙烯中的10％-30％糠醇(基于苯乙烯)早已含有馬來酸酐。
混合苯乙烯和糠醇然后加入所有的引發(fā)劑和交聯(lián)劑產(chǎn)生一種黃色溶液，該溶液在幾個小時內(nèi)就開始沉淀固體。經(jīng)證明其不能用于處理木材。
采用與WO 01/53050和WO 02/30638中使用的方法相同的真空-加壓方法來將所述配制物浸漬進入木材。采用與WO 01/53050中所使用的進程相同的進程進行加熱實現(xiàn)固化。
通過在配制物中浸滲(immersing)木材并施加真空和加壓循環(huán)以強制配制物進入木材來浸漬木材處理溶液。浸漬在木材中的處理配制物的聚合(固化)通過加熱進行。通過充分加熱該被浸漬的木材至其中心達到80℃來進行聚合。其中氣味必需控制到最小的產(chǎn)品聚合的整理(finishing)，通過充分加熱浸漬的木材至其中心達到120℃至少1小時來進行。
從這些混合物形成的琥珀色或棕色聚合物的硬度與沒有糠醇的苯乙烯聚合物的硬度類似。粉碎該混合的聚合物并用糠醇溶劑浸提沒有導(dǎo)致溶解。這些測試表明在苯乙烯和糠醇單體中都發(fā)生聚合。
申請人發(fā)現(xiàn)在苯乙烯中的10％-30％的糠醇可以得到有用的、可聚合的混合物。糠醇所需的馬來酸酐引發(fā)劑數(shù)量范圍是基于糠醇5％-10％。對于苯乙烯中更高數(shù)量的糠醇，在混合物中就需要更高數(shù)量的馬來酸酐。
申請人然后使用在苯乙烯中含有15％和30％糠醇的混合物來浸漬松樹和山毛櫸木材以形成WPC。使用混合物中沒有糠醇的對照試驗進行對比。在處理過程中和固化以后觀測木材膨脹行為。結(jié)果示于表2中。
表2中的結(jié)果表明含有糠醇的苯乙烯單體對木材的浸漬良好。結(jié)果表明當在混合物中包含糠醇時存在木材細胞壁的膨脹，并且所述膨脹需要多個小時的時間以達到最大膨脹。通常，在固化后存在殘余膨脹。在所測試的硬木材(山毛櫸和樺木)中的膨脹大于在松木中的膨脹。既然每單位體積硬木中存在更多的細胞壁物質(zhì)，所以硬木材比松木具有更高的殘余膨脹是有道理的。初始和殘余膨脹表明混合物中的糠醇進入細胞壁并在固化反應(yīng)后保留在那里。
表2.固化之前、期間和之后，苯乙烯中糠醇溶液導(dǎo)致的永久膨脹和收縮
注釋配制物1-4含有帶有7％馬來酸酐引發(fā)劑(基于糠醇)的糠醇，配方5和6是不含糠醇的對照配制物，配制物1、3和5在配制物中含有礦物油，其它配制物不含。所有配制物都含有苯乙烯、二乙烯基苯和表1中所列的3種引發(fā)劑。
上述已經(jīng)給出木材中混合物中的糠醇性質(zhì)如何。苯乙烯聚合的證據(jù)是沒有氣味并且物理和機械性能增加。由于苯乙烯聚合物是混合物的主要部分，所以它占表3中高聚合物加入量的大部分。如果苯乙烯已經(jīng)從木材中的混合物蒸發(fā)，那么聚合物加入量就應(yīng)該在混合物中糠醇濃度(5％-30％)的范圍，而不是那些所測量的范圍(64％-120％)。所處理的樣品幾乎沒有苯乙烯氣味，表明聚合良好。硬度是聚合的良好機械性能指標。用混合物制造的WPC的硬度在表4中給出。
表4.用聚苯乙烯-聚糠醇混合物處理的木材的布氏硬度
注釋球直徑＝11.1mm載荷＝0.7878kN表4中的硬度結(jié)果表明用苯乙烯-糠醇混合物處理的木材比未處理的木材顯著要硬。這表明發(fā)生聚合并且聚合物增強了木材。
這些結(jié)果的范圍總結(jié)于表5中。
表5.從表2和3總結(jié)的浸提損失和ASE
表5允許作出如下結(jié)論。催化的苯乙烯中的催化的糠醇進入木材細胞壁并在那里固化，導(dǎo)致木材細胞壁中的永久改變。聚苯乙烯聚合物用聚合物填充細胞腔，增強木材。因此，存在用聚苯乙烯填充的細胞腔和含有聚糠醇的細胞壁的真正組合。
只用苯乙烯處理的木材其細胞壁的木材物質(zhì)(纖維素、木素和半纖維素類)是未改變的。這使得處理后的木材易受水分和生物腐蝕影響，雖然速率比未處理木材低很多。使用上述苯乙烯-糠醇組合以及細胞壁被改性的暗示是，與只用苯乙烯處理的木材相比，該WPC更不易受水分和生物腐蝕影響但是卻具有用經(jīng)聚苯乙烯填充的細胞腔制備的WPC的優(yōu)越機械性能。該WPC的水分和生物腐蝕耐性可望與描述于WO02/060660中的WPC類似，其中WO 02/060660中的WPC在細胞壁中具有相同濃度的糠醇聚合物但不存在聚苯乙烯。因此，通過苯乙烯和糠醇的組合形成改進的木材聚合物復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.木材處理配制物，特征在于該配制物是含有苯乙烯的第一溶液和含有糠醇的第二溶液的混合物。
2.權(quán)利要求1的木材處理配制物，特征在于所述第一溶液的進一步的組成是引發(fā)劑和交聯(lián)劑，所述第二溶液的進一步的組成是引發(fā)劑。
3.權(quán)利要求2的木材處理配制物，特征在于所述第一溶液的所述引發(fā)劑是2，2’-偶氮二(2-甲基丁腈)、1，1’-偶氮二(環(huán)己腈)和過苯甲酸叔丁酯的組合。
4.權(quán)利要求2的木材處理配制物，特征在于所述第一溶液的所述交聯(lián)劑是二乙烯基苯。
5.權(quán)利要求2的木材處理配制物，特征在于礦物油或蠟任選作為填充劑存在于第一溶液中。
6.權(quán)利要求2的木材處理配制物，特征在于所述第二溶液的所述引發(fā)劑是馬來酸酐。
7.權(quán)利要求3的木材處理配制物，特征在于基于苯乙烯約0.3％的2，2’-偶氮二(2-甲基丁腈)存在于所述第一溶液中。
8.權(quán)利要求3的木材處理配制物，特征在于基于苯乙烯約0.4％的1，1’-偶氮二(環(huán)己腈)存在于所述第一溶液中。
9.權(quán)利要求3的木材處理配制物，特征在于基于苯乙烯約0.5％的過苯甲酸叔丁酯存在于所述第一溶液中。
10.權(quán)利要求4的木材處理配制物，特征在于基于苯乙烯約3.5％的二乙烯基苯存在于所述第一溶液中。
11.權(quán)利要求5的木材處理配制物，特征在于基于苯乙烯0-30％的礦物油或蠟存在于所述第一溶液中。
12.權(quán)利要求1的木材處理配制物，特征在于基于所述第一溶液中的苯乙烯10-30％的糠醇存在于所述第二溶液中。
13.權(quán)利要求6的木材處理配制物，特征在于基于糠醇5-10％的馬來酸酐存在于所述第二溶液中。
14.制備木材處理配制物的方法，特征在于該配制物通過混合含有苯乙烯的第一溶液和含有糠醇的第二溶液制備。
15.權(quán)利要求14的方法，特征在于所述第一溶液通過將引發(fā)劑和交聯(lián)劑溶解在苯乙烯中制備，所述第二溶液通過將引發(fā)劑溶解在糠醇中制備。
16.權(quán)利要求15的方法，特征在于所述第一溶液的所述引發(fā)劑選自2，2’-偶氮二(2-甲基丁腈)、1，1’-偶氮二(環(huán)己腈)和過苯甲酸叔丁酯的組合。
17.權(quán)利要求15的方法，特征在于所述第一溶液的所述交聯(lián)劑是二乙烯基苯。
18.權(quán)利要求15的方法，特征在于礦物油或蠟任選作為填充劑存在于第一溶液中。
19.權(quán)利要求15的方法，特征在于所述第二溶液的所述引發(fā)劑是馬來酸酐。
20.權(quán)利要求16的方法，特征在于基于苯乙烯約0.3％的2，2’-偶氮二(2-甲基丁腈)存在于所述第一溶液中。
21.權(quán)利要求16的方法，特征在于基于苯乙烯約0.4％的1，1’-偶氮二(氰基環(huán)己腈)存在于所述第一溶液中。
22.權(quán)利要求16的方法，特征在于基于苯乙烯約0.5％的過苯甲酸叔丁酯存在于所述第一溶液中。
23.權(quán)利要求17的方法，特征在于基于苯乙烯約3.5％的二乙烯基苯存在于所述第一溶液中。
24.權(quán)利要求18的方法，特征在于基于苯乙烯0-30％的礦物油或蠟存在于所述第一溶液中。
25.權(quán)利要求14的方法，特征在于基于所述第一溶液中的苯乙烯10-30％的糠醇存在于所述第二溶液中。
26.權(quán)利要求19的方法，特征在于基于糠醇5-10％的馬來酸酐存在于所述第二溶液中。
27.權(quán)利要求14的方法，特征在于通過在該配制物中浸滲木材并施加真空和加壓循環(huán)來強制該配制物進入木材來浸漬該木材處理溶液。
28.權(quán)利要求14的方法，特征在于通過加熱進行浸漬在木材中的該處理配制物的固化。
29.權(quán)利要求28的方法，特征在于通過充分加熱該浸漬的木材至其中心達到80℃來進行聚合。
30.權(quán)利要求28的方法，特征在于其中氣味必需控制到最小的產(chǎn)品整理聚合是通過充分加熱該浸漬的木材至其中心達到120℃至少1小時來進行的。
全文摘要
提供一種木材處理配制物，其中該配制物式含有苯乙烯的第一溶液和含有糠醇的第二溶液的混合物。還提供一種制備木材處理配制物的方法，其中通過混合含有苯乙烯的第一溶液和含有糠醇的第二溶液來制備該配制物。
文檔編號B27KGK1867433SQ200480030172
公開日2006年11月22日 申請日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
發(fā)明者M·H·施奈德 申請人:木聚合物技術(shù)有限公司