超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液及其浸渍改性木材的方法和浸渍改性木材

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液及其浸渍改性木材的方法和浸渍改性木材。

背景技术：

1、木材作为一种天然可再生材料被广泛地运用于建筑、家具等领域，但由于我国天然林资源匮乏，加之世界对木材的消耗量越来越大，天然林资源短缺成为突出问题。速生木材具有生长快、轮伐期短等优势，作为天然林的替代品已成为木材科学研究的热点。然而，速生木材存在材质疏松、密度较低、力学性能差等不足，因此需要通过改性处理以提升其使用价值，达到劣材优用的目的。

2、由于速生木材具有多孔结构，其内部存在着大量的孔隙。速生木材的改性主要采取浸渍改性的方式，在使用改性液填充木材孔隙的同时对纤维素和半纤维素进行强化，以达到增强的目的。目前，用于浸渍改性速生木材的改性液主要分为有机改性液、无机改性液和有机-无机混合改性液三类。有机改性液主要为脲醛树脂、酚醛树脂等有机树脂，将其浸渍到木材之中，通过聚合等一系列反应使其形成有机聚合物填充在木材孔隙之中；同时，有机树脂中的羟基、醛基等与木材中的活性官能团结合成稳定结构，从而提高木材的强度和尺寸稳定性。无机改性液主要为含硅、硼、钙等的无机化合物的溶液，它们在木材孔隙中通过反应或者是物理沉降等方式形成不溶于水的沉淀，填充木材孔隙，在达到强化木材的同时，还能赋予木材阻燃、防腐等特性，提升木材使用价值。当前使用较多的是有机-无机混合改性液，它是由有机树脂和无机化合物组成，结合了有机改性液和无机改性液改性木材的优点，从而能更好地提高木材的性能。但是，有机-无机混合改性液中的有机组份多使用脲醛、酚醛等树脂，其含有的游离甲醛等有害物质会对环境和人体健康造成一定伤害，且部分改性液依然存在结合不紧密、容易发生流失和吸湿等不足。因此，如何克服上述缺陷，获得一种新的浸渍改性液，用于浸渍改性木材，成为人们目前所亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种安全环保、改性效果好的超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液及其浸渍改性木材的方法和浸渍改性木材。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

3、一种超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液，包括以下组分：a组分和b组分；所述a组分包括硅系杂化组分、超支化拓扑杂化组分和混合溶剂，所述a组分中硅系杂化组分的质量百分浓度为10％～60％、超支化拓扑杂化组分的质量百分浓度为1％～15％，所述硅系杂化组分为硅酸钠、硅溶胶、硅丙乳液、三异丙基硅烷、甲基三丁酮肟基硅烷、叔丁基二甲基氯硅烷、环氧硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷中一种或多种，所述超支化拓扑杂化组分为乙二胺、二乙醇胺、三聚氰胺、三异丙醇胺、六甲基磷酰三胺、十二烷基二丙基三胺、正丁基硫代磷酰三胺、五甲基二乙烯基三胺、丙醇胺和甲醇胺中的一种或多种；所述b组分包括引发组分和混合溶剂，所述b组分中引发组分的质量百分浓度为0.1％～2％，所述引发组分为丙烯酸甲酯、丙烯酸甲氧基乙酯、2-丙烯酸-2-甲氧基乙酯和甲基丙烯酸甲氧基乙酯中的一种或多种；所述混合溶剂为水和有机溶剂组成的混合溶剂。

4、上述的超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液，优选的，所述a组分的混合溶剂中，有机溶剂占a组分的质量百分浓度为1％～30％；所述b组分的混合溶剂中，有机溶剂占b组分的质量百分浓度为1％～30％；所述有机溶剂为乙醇、甲苯和异丙醇中的一种或多种。

5、作为一个总的技术构思，本发明还提供一种浸渍改性木材，由待改性木材经上述的超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液浸渍改性处理后得到。

6、作为一个总的技术构思，本发明还提供一种浸渍改性木材的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将待改性木材干燥，置于浸渍装置中，抽负压排除木材孔隙中的空气；

8、(2)向浸渍装置中加入超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分，当液面高度≥待改性木材高度的2/3时，保持负压进行一次浸渍处理；

9、(3)继续向浸渍装置中加入超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分，使液面沒过待改性木材，保持负压进行二次浸渍处理，排出超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分；

10、(4)向浸渍装置中加入超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的b组分，使液面沒过待改性木材，保持负压进行三次浸渍处理；

11、(5)取出待改性木材，经加热固化，干燥，得到浸渍改性木材。

12、上述的方法，优选的，所述一次浸渍处理的具体过程为：在负压-0.06mpa～-0.08mpa保持1h～3h，所述二次浸渍处理的具体过程为：在负压-0.06mpa～-0.08mpa保持1h～3h，所述三次浸渍处理的具体过程为：在负压-0.06mpa～-0.08mpa保持1h～6h。

13、上述的方法，优选的，排出超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分之后还包括以下处理：重复进行步骤(2)和步骤(3)；所述重复的次数为1次～3次。

14、上述的方法，优选的，步骤(1)中，所述待改性木材为杉木。

15、上述的方法，优选的，步骤(1)中，所述干燥的具体过程为：将待改性木材干燥至含水率为8％～12％；所述抽负压排除木材孔隙中的空气的具体方法为：在负压为-0.06mpa～-0.08mpa保持0.5h～2h。

16、上述的方法，优选的，步骤(4)中，所述超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的b组分加入之前还包括以下处理：将待改性木材在负压为-0.06mpa～-0.08mpa保持0.5h～1h，排出待改性木材中多余的超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分。

17、上述的方法，优选的，步骤(5)中，所述加热固化的温度为60℃～120℃，所述加热固化的时间为1h～20h。

18、与现有技术相比，本发明的优点在于：

19、(1)本发明提供了一种超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液，包括a组分和b组分，其中，a组分包括硅系杂化组分、超支化拓扑杂化组分和混合溶剂，b组分包括引发组分和混合溶剂，一方面，不含游离甲醛的超支化拓扑杂化组分对硅系杂化组分起到包覆和固定的作用；另一方面，超支化拓扑杂化组分与硅系杂化组分在引发组分的作用下产生交联作用，产生“硅-胺”拓扑杂化交联化学键，形成具有稳定的三维拓扑结构的有机-无机超支化杂化体系，起到协效增强木材的作用，从而极大地提升木材强度，并提升抗胀缩率、抗流失性，降低吸湿性。另外，相较于传统浸渍改性技术中使用的脲醛、酚醛等有机树脂存在用量大、成本较高、含有游离甲醛等有毒有害物质等缺陷，本发明的超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液，不含游离甲醛等有毒有害物质，绿色环保，且浸渍改性液中是以硅系杂化组分的无机组分为主，极大的降低了有机组分即超支化拓扑杂化组分的用量，从而降低了生产成本。

20、(2)本发明还提供了一种浸渍改性木材的方法，采用分段浸渍的方式对待改性木材进行浸渍处理，即：先将超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分没过部分木材排空气，待木材空气排空后再将超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分完全没过木材，然后排出a组分，再将超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的b组分没过木材。本发明的方法，在浸渍过程中可以使浸渍改性液从待改性木材底部充分渗透到端部，这是因为：在最开始的浸渍过程中(即一次浸渍处理)，由于木材一端并没有完全沉浸到超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分中，不仅能使木材孔隙中的空气自下而上充分排出，还能在内外压力差的作用下打通闭塞纹孔，使得超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液中的a组分进入木材孔隙，从而达到充分浸渍木材的目的，避免了常规浸渍方法易将空气封闭在木材中而难以充分渗透的缺陷；同时，在浸渍过程中超支化拓扑杂化硅系浸渍改性液的a组分和b组分，在常温条件下并不反应，而需要通过后续的加热交联固化，使a组分和b组分在木材孔隙中反应形成稳定的超支化拓扑结构的有机-无机杂化体系，从而达到协效增强木材的目的。本发明的方法，特别适合应用于杉木，由于杉木因孔隙较小且有着闭塞纹孔等结构存在，属于难浸渍材，而采用传统的浸渍方法如负压浸渍或正压浸渍等浸渍方法是将木材完全放入浸渍液中，难以将木材孔隙中空气完全排出，因而使用传统的浸渍方法很难将改性剂浸渍到杉木之中。另外，与传统加压浸渍法相比，本发明的方法在浸渍改性过程中不需要对浸渍改性液进行加压，对浸渍罐的要求以及各种设备的要求更低，更加安全可靠。