專利名稱：一種木材阻燃劑、制備方法及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及阻燃材料領(lǐng)域，具體涉及一種木材阻燃劑、制備方法以及其用途。
背景技術(shù)：
木材及其制品廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝修、家具制造、房屋建筑及外部裝飾中，這些材料屬于可燃材料，極易引起火災(zāi)，且干縮濕脹、尺寸穩(wěn)定性較差，如何提高材料的阻燃性與尺寸穩(wěn)定性已成為全世界廣泛關(guān)注的問(wèn)題。目前，防止木材及其制品發(fā)生火災(zāi)的最常用方法是在這些材料中使用阻燃劑，這些阻燃劑大多基于含磷、氮、硼、鋁和鹵素等化合物，無(wú)機(jī)阻燃劑由于具有阻燃性好、不產(chǎn)生有毒性氣體(鹵素阻燃劑除外)、不析出、不揮發(fā)、價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、安全性高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。例如，在《精細(xì)化工》2000年第2期上發(fā)表的文章“木材阻燃處理工藝研究”(作者李燕蕓等)公開(kāi)了一種磷-氮系無(wú)機(jī)阻燃劑，其主要是由雙氰胺、甲醛、尿素、磷酸二氫銨按一定比例配成的阻燃液。這種無(wú)機(jī)阻燃劑主要以溶液形態(tài)使用，如通過(guò)對(duì)木材進(jìn)行浸潰，獲得阻燃效果。磷-氮系阻燃劑具有阻燃協(xié)同作用，降低分解溫度，增加炭的生成，減少可燃性氣體的產(chǎn)生以及降低熱量等作用。
公開(kāi)日為2000年4月5日、公開(kāi)號(hào)為CN1249325A的中國(guó)專利申請(qǐng)中公開(kāi)了一種防火阻燃劑，該阻燃劑由尿素、磷酸、硼砂、硼酸等混合而成，適用于棉布、化纖、紙張、木材等易燃物的阻燃。
公開(kāi)日為2006年7月26日、公開(kāi)號(hào)為CN1807552A的中國(guó)專利申請(qǐng)中公開(kāi)了一種磷氮復(fù)合阻燃劑，該阻燃劑是通過(guò)尿素和磷酸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后再加入中和劑如氨進(jìn)行中和反應(yīng)制成的，適用于紡織品和木材制品等易燃物的阻燃，該阻燃劑的制備方法相對(duì)較簡(jiǎn)單，安全環(huán)保。專利號(hào)為ZL200710122243. 2的中國(guó)專利提供了一種用于木材及人造板的具備消納甲醛作用的阻燃劑及其制備方法，該技術(shù)制備的阻燃劑無(wú)色、無(wú)嗅，本身無(wú)毒，具有抑煙性能,且制備成本低。雖然上述文獻(xiàn)中公開(kāi)的阻燃劑具有制造方法簡(jiǎn)單成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其抗流失性較差，對(duì)木材的尺寸穩(wěn)定性沒(méi)有貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有木材阻燃劑效果單一的技術(shù)缺陷，開(kāi)發(fā)新型多功能的阻燃劑材料，本發(fā)明的目的是提供一種木材阻燃劑。本發(fā)明的另一目的是提供一種木材阻燃劑的制備方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種木材阻燃劑的用途。本發(fā)明提供的阻燃劑，按重量份包括以下原料磷酸20 200 份；
尿素20 100 份；催化劑 0.1 1.0份；水40 250 份；硅溶膠 10 100份；所述催化劑按重量份由以下成分組成氯化錫0. 8 1. 2份；硫酸銅1. 5 2. 5份；氯化鈉0. 8 1. 2份；氯化鐵0. 8 1. 2份；硫酸鋁0. 8 1. 2份；硼酸0. 8 1. 2份及氯化鋅1. 5 2. 5份。本發(fā)明提供的木材阻燃劑作用于木材時(shí)，硅溶膠有助于木材細(xì)胞壁的溶脹，提高 阻燃成分(磷酸和尿素在催化劑作用下的聚合產(chǎn)物)在細(xì)胞壁里的留存。木材干燥時(shí)，木材、阻燃成分、納米二氧化硅之間存在氫鍵和分子間力的作用，從而使木材的穩(wěn)定性和抗流失性也得到明顯地提高。優(yōu)選地，所述阻燃劑按重量份包括以下原料磷酸50 150 份；尿素30 60份；催化劑 0. 2 0. 5份；水50 200 份；硅溶膠 20 60份。所述磷酸為質(zhì)量百分比濃度是80 90%的磷酸水溶液。所述硅溶膠選用常見(jiàn)的市售產(chǎn)品即可，其中二氧化硅的含量約為20_30wt%。所述水優(yōu)選為硬度低于8的軟化水。本發(fā)明還提供了所述木材阻燃劑的制備方法，包括以下步驟(I)向反應(yīng)釜中加入磷酸，攪拌并加熱，使溫度上升至50 60°C ；(2)向所述反應(yīng)釜中加入尿素，攪拌均勻；(3)溫度上升至90 120°C時(shí)，向所述反應(yīng)釜中加入催化劑，溫度上升至130 140°C后，停止加熱；(4)將所述反應(yīng)釜降溫至60 80°C，加入水，攪拌均勻；(5)反應(yīng)釜降溫至20 30°C時(shí)，加入無(wú)機(jī)堿至pH值為8. 5 9. 5，再向所述反應(yīng)釜中加入硅溶膠，攪拌均勻即得。其中，所述催化劑的各個(gè)組分可以預(yù)先以任意添加順序進(jìn)行混合，然后作為整體添加至所述反應(yīng)釜中。其中，所述無(wú)機(jī)堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。其中，所述無(wú)機(jī)堿為質(zhì)量百分比濃度為30 50%的水溶液。上述制備過(guò)程中，所述攪拌的轉(zhuǎn)速為50 70轉(zhuǎn)/分。所述步驟(3)中，在溫度上升至130 140°C后,所述反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物體積增至原體積的2 3倍時(shí)停止加熱。本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案任一項(xiàng)所述木材阻燃劑作為木材尺寸穩(wěn)定劑的用途。本發(fā)明的木材阻燃劑不僅能起到優(yōu)良的阻燃作用，還能明顯提高木材的尺寸穩(wěn)定性，具
有多重復(fù)合功能。本發(fā)明技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)
(I)本發(fā)明提供的木材阻燃劑不但阻燃效果顯著，而且具有較好的尺寸穩(wěn)定功能。處理木材增重率在20%時(shí)，氧指數(shù)能夠達(dá)到45%以上，尺寸穩(wěn)定性ASE能夠達(dá)到20%以上。(2)本發(fā)明提供的阻燃劑具有甲醛消除功能，用于膠合板等人造板處理，能夠有效提高人造板環(huán)保特性，處理膠合板增重率在10%時(shí)，E2級(jí)膠合板環(huán)保性能可穩(wěn)定在Etl級(jí)
0. 5mg/L)。(3)本發(fā)明提供的木材阻燃劑制備方法簡(jiǎn)單，成本較低，I噸固體含量40%左右的本發(fā)明液體阻燃劑制造成本約為3000元/噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外木材阻燃劑的價(jià)格。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例II、按以下重量配比進(jìn)行原料備料軟化水(硬度低于8度)IOOkg ；磷酸(質(zhì)量濃度為85%的水溶液) IOOkg ；尿素(氮含量約為46. 4%) :50kg ；催化劑0. 35kg ；硅溶膠(二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%) ·:20kg。其中，催化劑為北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院環(huán)保阻燃技術(shù)中心自行配制的淡黃綠色粉劑，制備過(guò)程如下按重量計(jì)將氯化錫1. 0份、硫酸銅2. 0份、氯化鈉0. 9份、氯化鐵1.1份、硫酸鋁0. 8份、硼酸1. 2份及氯化鋅1. 8份研磨后混合均勻即得。2、制備過(guò)程如下I)、在配有攪拌器、溫度計(jì)和冷凝管的反應(yīng)釜中，加入磷酸溶液，攪拌同時(shí)加熱，使溫度上升直至約60°C ；2)、向反應(yīng)釜內(nèi)加入尿素，同時(shí)對(duì)磷酸和尿素的混合物繼續(xù)進(jìn)行攪拌，使物料分布、受熱均勻；3)、溫度上升至120°C時(shí)，向反應(yīng)釜中緩慢地、均勻地加入催化劑使混合物進(jìn)行反應(yīng)，此時(shí)反應(yīng)物料變成淺綠色；繼續(xù)加熱使溫度達(dá)到135°C左右，加熱的同時(shí)觀察反應(yīng)現(xiàn)象，隨著溫度升高，淺綠色液體逐漸變成乳白色粘稠物，泡沫急劇增多，溫度上升速度明顯加快，物料的體積迅速膨脹，冷凝管有大量氣體排出，待反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物的體積增加至原來(lái)體積的兩倍左右時(shí)停止加熱，繼續(xù)攪拌，反應(yīng)釜內(nèi)物料依靠自身的放熱繼續(xù)劇烈反應(yīng)，溫度繼續(xù)上升，待反應(yīng)趨于平穩(wěn)，溫度開(kāi)始下降時(shí)，表明反應(yīng)完畢；4)降溫至70°C左右時(shí)，向反應(yīng)釜中加入溫度為50°C的軟化水，攪拌均勻；5)降溫至30°C左右時(shí)，用氫氧化鈉溶液(質(zhì)量濃度40%)調(diào)節(jié)pH值在8. 5-9. 5之間，最后向反應(yīng)釜中加入硅溶膠，攪拌均勻即可；6)將所得產(chǎn)品倒入容器中儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?廣品的技術(shù)指標(biāo):外觀透明液體固體含量(wt%)42pH 值8. 5-9. 5
粘度(涂-4杯)(25°C，S) :10. 2
比重(g/cm3):1. 20有效期(年)2實(shí)施例2I、按以下重量配比進(jìn)行原料備料軟化水180kg ；磷酸(質(zhì)量濃度為85%的水溶液) 150kg ；尿素(氮含量約為46. 4%) :54kg ；催化劑0. 48kg ；硅溶膠(二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%) : 60kg。其中，催化劑為北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院環(huán)保阻燃技術(shù)中心自行配制的淡黃綠色粉劑，制備過(guò)程如下按重量計(jì)將氯化錫0. 9份、硫酸銅1. 6份、氯化鈉1. 0份、氯化鐵1. 0份、硫酸鋁1. 2份、硼酸1.1份及氯化鋅2. 0份研磨后混合均勻即得。2、制備過(guò)程如下I)、在配有攪拌器、溫度計(jì)和冷凝管的反應(yīng)釜中，加入磷酸，攪拌同時(shí)加熱，使溫度上升直至50°C ；2)、向反應(yīng)釜內(nèi)加入尿素，同時(shí)對(duì)磷酸和尿素的混合物繼續(xù)進(jìn)行攪拌，使物料分布、受熱均勻；3)、繼續(xù)加熱使溫度上升至115°C時(shí)，向反應(yīng)釜中緩慢地、均勻地加入催化劑使混合物進(jìn)行反應(yīng)；繼續(xù)加熱使溫度達(dá)到130°C左右，繼續(xù)加熱的同時(shí)觀察反應(yīng)現(xiàn)象，隨著溫度升高，淺綠色液體逐漸變成乳白色粘稠物，泡沫急劇增多，溫度上升速度明顯加快，物料的體積迅速膨脹，冷凝管有大量氣體排出，待反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物的體積增加至原來(lái)體積的2. 5倍時(shí)停止加熱，繼續(xù)攪拌，反應(yīng)釜內(nèi)物料依靠自身的放熱繼續(xù)劇烈反應(yīng)，溫度繼續(xù)上升，待反應(yīng)趨于平穩(wěn)則溫度不再上升，溫度開(kāi)始下降時(shí)，表明反應(yīng)完畢；4)、降溫至65°C左右時(shí)，向反應(yīng)釜中加入溫度為40°C的軟化水，攪拌均勻；5)、降溫至20°C左右時(shí)，用氫氧化鈉調(diào)溶液(質(zhì)量濃度45%)調(diào)節(jié)pH值在8. 5-9. 5之間，最后向反應(yīng)釜中加入硅溶膠，攪拌均勻即可；6 )、將所得產(chǎn)品倒入容器儲(chǔ)存?zhèn)溆?。廣品的技術(shù)指標(biāo):外觀透明液體固體含量(wt%):45pH 值8. 5-9. 5粘度(涂-4杯)(25°C，S) : 10.1比重(g/cm3):1. 21有效期(年)2實(shí)施例3I、按以下重量配比進(jìn)行原料備料軟化水IOOkg ；磷酸(質(zhì)量濃度為80%的水溶液) 65kg ；透明液體 458. 5-9. 5 10. 41. 22 270kg；50kg ；32kg；O. 25kg ； 50kg ；
尿素(氮含量約為46. 4%) :38kg ；
催化劑O. 28kg ；
硅溶膠(二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%) 30kg ；
其中，催化劑同實(shí)施例I。
2、制備過(guò)程同實(shí)施例I。
所得產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)外觀
固體含量(wt%)
pH 值
粘度(涂-4杯)(25°C，S):
比重(g/cm3):
有效期(年)
實(shí)施例4
I、按以下重量配比進(jìn)行原料備料
軟化水
磷酸(質(zhì)量濃度為90%的水溶液)
尿素(氮含量約為46. 4%)
催化劑
硅溶膠(二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%)
其中，催化劑同實(shí)施例2。
2、制備過(guò)程同實(shí)施例2。
所得產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)
外觀透明液體
固體含量(wt%):46
pH 值8.5-9.5
粘度(涂-4杯)(25°C，S) :10. 5
比重(g/cm3):1. 22
有效期(年)2
實(shí)驗(yàn)例I
分別采用本發(fā)明實(shí)施例1-4的阻燃劑產(chǎn)品制備膠合板。
I、實(shí)驗(yàn)材料
單板楊木單板，厚度1. 4-1. 5mm,含水率7%_9%，幅面450 X 450mm ；
膠粘劑市售改性脲醛樹(shù)脂膠粘劑(三聚氰胺改性，其用量與尿醛樹(shù)脂用量的摩爾比為1.1)，廣品的性能指標(biāo)如下
固體含量(wt%)56
pH 值7. 5
粘度(mPa· S) (20°C) 300
固化速度(S) 47
游離甲醛含量(％):O. 24
貯存期(天)20
2、具體實(shí)驗(yàn)步驟
I)將本發(fā)明實(shí)施例1-4的阻燃劑配成固含量為10wt%的水溶液，分別對(duì)單板進(jìn)行浸潰處理30分鐘；
2)使用除濕干燥箱，在干燥溫度為80°C下對(duì)處理過(guò)的單板進(jìn)行干燥處理，使其最終含水率達(dá)到在6 8% ；
3)調(diào)膠按重量在膠粘劑中加入15%的面粉、1%的氯化銨，攪拌均勻；
4)對(duì)單板進(jìn)行涂膠，涂膠量為雙面涂280g/m2 ；
5)對(duì)由五層單板組坯的板材依次進(jìn)行冷壓、熱壓、冷卻和裁邊。其中冷壓壓力為 1-1. 2MPa，冷壓時(shí)間為30min ;熱壓壓力為1. 0-1. 2MPa，熱壓溫度為120°C，熱壓時(shí)間為60s/ mmD
3、膠合板性能檢測(cè)
按GB/T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》對(duì)制備的膠合板產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表I。
參照GB/T2406-93《塑料燃燒性試驗(yàn)方法氧指數(shù)法》測(cè)定制備的膠合板產(chǎn)品的氧指數(shù)指標(biāo)。GB50222-95《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定的BI級(jí)的氧指數(shù)是> 48%。
按照日本JAS標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的II類板進(jìn)行檢測(cè)，具體方法將膠合板產(chǎn)品在 70±3°C的熱水中浸泡3小時(shí)，再在60±3°C的烘箱中烘3小時(shí)，接著檢測(cè)其膠層情況，符合 JAS標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)浸潰剝離性能。
依照GB/T8627-1999《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗(yàn)方法》進(jìn)行煙密度檢測(cè)， 煙密度等級(jí)SDR ( 75為合格。
對(duì)照例I
除不采用本發(fā)明阻燃劑浸潰以外，其它步驟與實(shí)驗(yàn)例I相同，制備同樣的膠合板作為對(duì)照。
對(duì)照例2
采用市購(gòu)的氮-磷系水基型阻燃劑(CAS No. :68333-79_9，上海新華阻燃劑總廠， 聚合度小于20)代替本發(fā)明的木材阻燃劑進(jìn)行浸潰(固含量濃度、浸潰時(shí)間等都與實(shí)驗(yàn)例I 相同)，其它步驟也與實(shí)驗(yàn)例I相同，制備同樣的膠合板作為對(duì)照。
實(shí)驗(yàn)例I及對(duì)照例1、2的結(jié)果如表I所示
表I膠合板性能測(cè)試結(jié)果
權(quán)利要求
1.ー種木材阻燃劑，其特征在于，按重量份包括以下原料 磷酸20 200份； 尿素20 100份； 催化劑 O. I I. O份； 水40 250份； 硅溶膠 10 100份； 所述催化劑按重量份由以下成分組成氯化錫O. 8 I. 2份；硫酸銅I. 5 2. 5份；氯化鈉O. 8 I. 2份；氯化鐵O. 8 I. 2份；硫酸鋁O. 8 I. 2份；硼酸O. 8 I. 2份及氯化鋅I. 5 2. 5份。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的阻燃劑，其特征在于，按重量份包括以下原料 磷酸50 150份； 尿素30 60份； 催化劑O. 2 O. 5份； 水50 200份； 硅溶膠20 60份。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的阻燃劑，其特征在于，所述磷酸為質(zhì)量百分比濃度是80 90%的磷酸水溶液。
4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述阻燃劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (O向反應(yīng)釜中加入磷酸，攪拌并加熱，使溫度上升至50 60°C ； (2)向所述反應(yīng)釜中加入尿素，攪拌均勻； (3)溫度上升至90 120°C時(shí)，向所述反應(yīng)釜中加入催化劑，溫度上升至130 140°C后，停止加熱； (4)將所述反應(yīng)釜降溫至60 80°C，加入水，攪拌均勻； (5)反應(yīng)釜降溫至20 30°C時(shí)，加入無(wú)機(jī)堿至pH值為8.5 9. 5，再向所述反應(yīng)釜中加入硅溶膠，攪拌均勻即得。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述無(wú)機(jī)堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述無(wú)機(jī)堿為質(zhì)量百分比濃度為30 50%的水溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述攪拌的轉(zhuǎn)速為50 70轉(zhuǎn)/分。
8.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，在溫度上升至130 140°C后，所述反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)物體積增至原體積的2 3倍時(shí)停止加熱。
9.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述阻燃劑作為木材尺寸穩(wěn)定劑的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種木材阻燃劑，其原料按重量包括磷酸、尿素、催化劑、水及硅溶膠；本發(fā)明還涉及了所述木材阻燃劑的制備方法以及其作為木材尺寸穩(wěn)定劑的用途。本發(fā)明提供的阻燃劑不但阻燃效果顯著，而且具有較好的尺寸穩(wěn)定功能。此外，所述木材阻燃劑還具備甲醛消除功能，用于人造板處理時(shí)能夠有效提高人造板的環(huán)保特性。本發(fā)明提供的木材阻燃劑制備方法簡(jiǎn)單，成本較低，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外木材阻燃劑的價(jià)格。
文檔編號(hào)B27K3/52GK102975253SQ20121048027
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者周文瑞, 李建章, 張世鋒, 高強(qiáng), 張紀(jì)芝 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)