木材染色改性剂及其制备方法.pdf

本发明涉及一种用于木材染色的改性剂及其制备方法。其含有以下重量份的组分：甲醛200份、苯酚50-80份、尿素300-370份、三聚氰胺50-80份、氨水20-30份、碱性催化剂1-10份、助剂10-30份，增量剂50-70份、酸性染料1-5份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为35-40％的水溶液，所述氨水为质量浓度为20-30％的水溶液。本发明木材染色改性剂，能提高染料在木材中均匀扩散性、着色性以及染料的耐光性，并且对木材的尺寸稳定性、硬度方面也有一定的提高。

权利要求书
1.   一种木材染色改性剂，其特征在于，含有以下重量份的组分：甲醛200份、苯酚50‑80份、尿素300‑370份、三聚氰胺50‑80份、氨水20‑30份、碱性催化剂1‑10份、助剂10‑30份，增量剂50‑70份、酸性染料1‑5份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为35‑40％的水溶液，所述氨水为质量浓度为20‑30％的水溶液。

2.   根据权利要求1所述的木材染色改性剂，其特征在于，含有以下重量份的组分：甲醛200份、苯酚60‑70份、尿素300‑350份、三聚氰胺50‑70份、氨水20‑25份、碱性催化剂1‑5份、助剂15‑20份、增量剂60‑70份、酸性染料1‑5份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为35‑38％的水溶液，所述氨水为质量浓度为25‑28％的水溶液。

3.   根据权利要求1所述的木材染色改性剂，其特征在于，含有以下重量份的组分：甲醛200份、苯酚65份、尿素320份、三聚氰胺65份、氨水25份、碱性催化剂6份、助剂15份，增量剂60份、酸性染料3份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为37％的水溶液，所述氨水为质量浓度为28％的水溶液。

4.   根据权利要求1‑3任一项所述的木材染色改性剂，其特征在于：所述增量剂由5‑30重量份的淀粉和20‑50重量份的填充剂组成。

5.   根据权利要求4所述的木材染色改性剂，其特征在于：所述淀粉选自玉米淀粉、木薯淀粉、氧化淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉中的一种或几种，所述填充剂选自氯化钙、氯化镁、氯化钠、二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙、氧化镁、膨润土和凹凸棒土的任意一种或它们的组合。

6.   根据权利要求1‑3任一项所述的木材染色改性剂，其特征在于：所述碱性催化剂选自碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、醋酸钠、异丙醇钾和叔丁醇钾的任意一种或几种。

7.   根据权利要求1‑3任一项所述的木材染色改性剂，其特征在于：所述助剂为无机盐，所述无机盐优选选自氯化铵、氯化镁、氯化钙和氯化锌中的任意一种或几种。

8.   一种制备权利要求1‑3任一项所述的木材染色改性剂的方法，其特征在于：在反应釜中加入甲醛，用碳酸钠溶液调节pH至7.0‑8.5，加入尿素，然后升温到60‑70℃下反应2‑3小时；调节pH至6.5‑8.5，优选7.0‑7.5，加入苯酚、氨水，升温至70‑80℃反应30‑35分钟；用碳酸钠溶液调节pH至8.0，加入三聚氰胺、碱性催化剂，待三聚氰胺全部溶解之后，70‑80℃条件下保温反应30分钟；用10％甲酸溶液调节pH至5.0‑6.0，加入酸性染料，70‑80℃条件下搅拌30min；调节pH至6.0‑6.5，加入助剂和增量剂，继续搅拌30min；降温至40℃出料。

说明书木材染色改性剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种染色改性剂，特别是涉及一种用于木材染色的改性剂及其制备方法。
背景技术
木材是三大建筑材料(钢筋、水泥、木材)中与人类最具亲和力的天然材料，因而被广泛地应用于建筑、家具、地板等领域。木材颜色是决定消费者印象的重要因素，为了提高木制品的装饰作用和产品价值，要对木材及木质材料进行着色。
在国外，很早以前就开始了木材染色技术的研究和生产，1950年美国的Cox R M和Millary EG在就提出了木材染色的简单工艺，此后不断有人探索木材染色技术。1951年美国染料公司用自己生产的染料进行木材染色，并称为不褪色的染料，引起了各国科技工作者的重视。捷克、波兰和法国等相继发表了木材染色方面的文章，前苏联于20世纪50年代后期开始木材染色的试验研究，并出版了专著。随后，20世纪60年代日本的科研工作者开始这方面的研究工作，取得了较多的专利和科研成果。木材染色技术应用始于70年代，首先在意大利开始生产染色单板。此后，许多学者对木材染色的基本理论及技术作了大量的研究，使木材染色技术的实用化和工业化得到了迅速的发展，出现了染色木材和染色装饰单板。20世纪70年代，意大利首先应用木材染色技术生产染色单板，英国和意大利最先开发出仿珍贵树种木材色泽、纹理和图案的人造薄木制造技术。意大利的AL PIPIEFRO公司最先将其商品化，随后日本及西欧等国也开始生产。日本松下电工和段谷产业研制开发了几十种染色单板和人造薄木产品，并且已开发出使用静电感应制造中部为浅色，边部为深色的单板染色技术和将染料涂在单板表面并用蒸汽处理得到材色均一的单板染色技术。目前，意大利、英国和日本等国家已实现了木材染色生产工业化。德国、意大利的木材染色工艺已形成了自己的专利技术，其产品在我国已有销售。
在我国，木材染色的历史悠久，如福建漆器的着色、苏州红木家具生产，都有丰富的经验，只不过大部分的染色都是把染料涂刷在木材的表面，并没有渗透到木材的内部，也没有进行其理论研究。近几年来，我国科研工作者对木材染色理论和技术等研究给予了极大的关注，张广厚等人对国外这一方面的研究成果和发展动态率先向国内作了介绍。20世纪80年代中期，我国广东等南方沿海城市也曾大量使用人造薄木贴面胶合板进行室内装修，但是人造薄木主要还是从日本、香港等地购买。那时虽已有不少人进行人造薄木的研究，但是由于生产工艺的问题导致人造薄木的外观质量不理想，因而未形成工业化生产。直到20世纪80年代末，我国才开始对木材染色进行探索。在一些科研单位和高等院校如中国林业科学研究院木材所、北京木材工业研究所、东北林业大学等单位也进行了这方面的研究，并取得了一定的成果。20世纪90年代，我国一些大型木材加工企业自行研究或利用国外技术已经开始生产染色单板。
随着国民经济快速稳定发展，人民生活水平的提高，加之社会文明的进步，红木家具及用红木装饰的家具越来越受到人们的亲赖，经调查发现是这类家具之所以走俏的原因是因其典雅的造型，亮丽的色彩，极具欣赏价值。但是随着森林资源结构和数量的变化，天然林大径级优质材和名贵家具用材供应日益减少，取而代之的是大量的人工林木材，人工林生长快、成材早，因而材质较疏松，颜色不匀，色调晦暗，加之木材在贮存、加工过程中产生的变色、污染等，使其在建筑、装饰装修、家具、人造板加工等方面的应用受到限制。要实现低档木材高档化，木材改性的关键问题是要提高低档木材的密实度、硬度、尺寸稳定性以及改变木材单一的颜色，满足天然高档木材所赋予的厚重、不易变形开裂等性能，从而提高木材的使用价值和满足人们对色彩多样性的要求。木材染色是为了改善木材表面的视觉特性，是模拟装饰的重要方法之一，通过染色、模拟木纹等技术加工，可以消除木材心边材、早晚材和涡旋纹之间的色差，明显提高木材的装饰性和附加值。但是，现有的木材染色用改性剂大多功能单一，染料在木材中的扩散不均匀，染料的着色性、耐光性差，并且改性剂对木材的尺寸稳定性、硬度等方面的提高不大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能有效提高染料在木材中均匀扩散性和着色性，并且对木材的尺寸稳定性、硬度方面也有一定的提高的木材染色改性剂及其制备方法。
为达上述目的，本发明一种木材染色改性剂，含有以下重量份的组分：甲醛200份、苯酚50‑80份、尿素300‑370份、三聚氰胺50‑80份、氨水20‑30份、碱性催化剂1‑10份、助剂10‑30份，增量剂50‑70份、酸性染料1‑5份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为35‑40％的水溶液，所述氨水为质量浓度为20‑30％的水溶液。
优选甲醛200份、苯酚60‑70份、尿素300‑350份、三聚氰胺50‑70份、氨水20‑25份、碱性催化剂1‑5份、助剂15‑20份、增量剂60‑70份、酸性染料1‑5份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为35‑38％的水溶液，所述氨水为质量浓度为25‑28％的水溶液。
更优选甲醛200份、苯酚65份、尿素320份、三聚氰胺65份、氨水25份、碱性催化剂6份、助剂15份，增量剂60份、酸性染料3份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为37％的水溶液，所述氨水为质量浓度为28％的水溶液。
本发明木材染色改性剂，所述增量剂由5‑30重量份的淀粉和20‑50重量份的填充剂组成。其中所述淀粉优选选自玉米淀粉、木薯淀粉、氧化淀粉、小麦淀粉和马铃薯淀粉中的一种或几种，更优选小麦淀粉，所述填充剂优选选自氯化钙、氯化镁、氯化钠、二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙、氧化镁、膨润土和凹凸棒土的任意一种或它们的组合，更优选氯化钠。所述凹凸棒土又称坡缕石(Palygorskite)或坡缕缟石，是一种具有链层状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物，属于市售产品，如可购自宁波市沧海新材料开发有限公司、江苏澳特邦非金属矿业有限公司等。
本发明木材染色改性剂，其中所述碱性催化剂可以是任意本领域常用的碱性催化剂，优选选自碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、醋酸钠、异丙醇钾和叔丁醇钾的任意一种或几种。
本发明木材染色改性剂，其中所述助剂为无机盐，所述无机盐优选选自氯化铵、氯化镁、氯化钙和氯化锌中的任意一种或几种。
本发明还涉及本发明上述木材染色改性剂的制备方法。
本发明上述木材染色改性剂的制备方法如下：在反应釜中加入甲醛，用碳酸钠溶液调节pH至7.0‑8.5，加入尿素，然后升温到60‑70℃下反应2‑3小时；调节pH至6.5‑8.5，优选7.0‑7.5，加入苯酚、氨水，升温至70‑80℃反应30‑35分钟；用碳酸钠溶液调节pH至8.0，加入三聚氰胺、碱性催化剂，待三聚氰胺全部溶解之后，70‑80℃条件下保温反应30分钟；用10％甲酸溶液调节pH至5.0‑6.0，加入酸性染料，70‑80℃条件下以130rpm转速搅拌30min；调节pH至6.0‑6.5，加入助剂和增量剂，继续搅拌30min；降温至40℃出料，即得。
本发明木材染色改性剂，其中各组分的选择以及各组分重量比，是经过查阅文献和大量试验得出的较佳范围值。其中通过加入苯酚而引入苯环，再加上含有较多活性基团的三聚氰胺，反应生成物形成空间网状结构，交联形成树脂，当树脂渗透进入木材之后，一部分会与木材纤维素上的活性基团进行化学交联，生成醚键、酯键或缩醛链结(如游离羟基，羟基是化学反应最活泼、吸湿性最强的基团，醚键、酯键或缩醛链结，封闭了羟基)从而改变了木材的亲水性；一部分会驻留在木材毛细管道中进行自聚，从而达到提高树脂胶结强度和耐水性的目的，同时反应中生成的大量醚键还可以有效地改善木材的脆性，对木材的尺寸稳定性、硬度方面也有一定的提高。
本发明使用的染料是酸性染料，通常情况下的染色仅是将染料溶解之后渗透进入木材内部，通过干燥处理将染料驻留在木材中间，并不能使染料分子与木材中的纤维素结合，如果用溶剂浸泡很容易使木材褪色。本发明的改性剂中含有大量的裸露的亲核集团，可以与酸性染料的阴离子基团依靠范德华力、库仑力牢固结合，从而使改性剂中除染料以外的成分成为染料分子的载体，其携带染料分子均匀进入木材内部之后，随载体的聚合而牢固的驻留在木材内部，从而达到染色均匀牢固的目的。
具体实施方式
以下结合实施例和试验数据，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
准确称量以下重量的原料组分：
质量浓度为35％的甲醛水溶液200g、苯酚50g、尿素300g、三聚氰胺50g、氨水(质量浓度为20％)20g、碳酸钠1g、氯化铵10g，增量剂50g(其中玉米淀粉5g，氯化钠45g)、酸性染料(选自佛山市南海区丽港染化有限公司的酸性黑N‑GRS、酸性黄G、酸性红GR的组合物，各染料之间的比例可根据所需颜色任意调整)1g。
在反应釜中加入甲醛溶液，用碳酸钠溶液调节pH至7.0，加入尿素，然后升温到60℃下反应2小时；调节pH至6.5，加入苯酚、氨水，升温至70‑80℃反应30‑35分钟；用碳酸钠溶液调节pH至8.0，加入三聚氰胺、碳酸钠，待三聚氰胺全部溶解之后，70℃条件下保温反应30分钟；用10％甲酸溶液调节pH至5.0，加入酸性染料，70℃条件下130rpm转速搅拌30min；调节pH至6.0，加入氯化铵、玉米淀粉和氯化钠，继续搅拌30min；降温至40℃出料，即得。
实施例2
准确称量以下重量的原料组分：
质量浓度为35％的甲醛水溶液200g、苯酚60g、尿素300g、三聚氰胺50g、氨水(质量浓度为30％)30g、碳酸钾10g、氯化镁30g，增量剂70g(其中玉米淀粉30g，氯化钙20g)、酸性染料1g(选自佛山市南海区丽港染化有限公司的酸性黑N‑GRS、酸性黄G、酸性红GR的组合物，各染料之间的比例可根据所需颜色任意调整)。
在反应釜中加入甲醛，用碳酸钠溶液调节pH至8.5，加入尿素，然后升温到70℃下反应3小时；调节pH至8.5，加入苯酚、氨水，升温至80℃反应35分钟；用碳酸钠溶液调节pH至8.0，加入三聚氰胺、碳酸钾，待三聚氰胺全部溶解之后，80℃条件下保温反应30分钟；用10％甲酸溶液调节pH至6.0，加入酸性染料，70‑80℃条件下130rpm转速搅拌30min；调节pH至6.0‑6.5，加入氯化镁、玉米淀粉和氯化钙，继续搅拌30min；降温至40℃出料，即得。
实施例3
准确称量以下重量的原料组分：
质量浓度为40％的甲醛水溶液200g、苯酚80g、尿素370g、三聚氰胺80g、氨水(质量浓度为25％)20g、氢氧化钠1g、氯化钙15g，增量剂60g(其中木薯淀粉30g，氯化镁30g)、酸性染料1g(选自佛山市南海区丽港染化有限公司的酸性黑N‑GRS、酸性黄G、酸性红GR的组合物，各染料之间的比例可根据所需颜色任意调整)。
在反应釜中加入甲醛溶液，用碳酸钠溶液调节pH至7.5，加入尿素，然后升温到65℃下反应2.5小时；调节pH至7.0，加入苯酚、氨水，升温至75℃反应30分钟；用碳酸钠溶液调节pH至8.0，加入三聚氰胺、氢氧化钠，待三聚氰胺全部溶解之后，75℃条件下保温反应30分钟；用10％甲酸溶液调节pH至5.5，加入酸性染料，75℃条件下130rpm转速搅拌30min；调节pH至6.0，加入氯化钙、木薯淀粉和氯化镁，继续搅拌30min；降温至40℃出料，即得。
实施例4
准确称量以下重量的原料组分：
质量浓度为38％的甲醛水溶液200g、苯酚70g、尿素350g、三聚氰胺70g、氨水(质量浓度为28％)25g、醋酸钠5g、氯化锌20g，增量剂70g(其中小麦淀粉30g，氧化镁40g)、酸性染料5g(选自佛山市南海区丽港染化有限公司的酸性黑N‑GRS、酸性黄G、酸性红GR的组合物，各染料之间的比例可根据所需颜色任意调整)。
在反应釜中加入甲醛，用碳酸钠溶液调节pH至7.0，加入尿素，然后升温到70℃下反应3小时；调节pH至7.5，加入苯酚、氨水，升温至80℃反应35分钟；用碳酸钠溶液调节pH至8.0，加入三聚氰胺、醋酸钠，待三聚氰胺全部溶解之后，80℃条件下保温反应30分钟；用10％甲酸溶液调节pH至5.0，加入酸性染料，80℃条件下130rpm转速搅拌30min；调节pH至6.0，加入氯化锌、小麦淀粉和氧化镁，继续搅拌30min；降温至40℃出料，即得。
实施例5
准确称量以下重量的原料组分：
质量浓度为37％的甲醛水溶液200g、苯酚65g、尿素320g、三聚氰胺65g、氨水(质量浓度为28％)25g、异丙醇钾6g、氯化锌15g，增量剂60g(其中小麦淀粉10g，碳酸钙50g)、酸性染料3g(选自佛山市南海区丽港染化有限公司的酸性黑N‑GRS、酸性黄G、酸性红GR的组合物，各染料之间的比例可根据所需颜色任意调整)。
在反应釜中加入甲醛，用碳酸钠溶液调节pH至7.5，加入尿素，然后升温到65℃下反应2.5小时；调节pH至7.5，加入苯酚、氨水，升温至75℃反应35分钟；用碳酸钠溶液调节pH至8.0，加入三聚氰胺、异丙醇钾，待三聚氰胺全部溶解之后，75℃条件下保温反应30分钟；用10％甲酸溶液调节pH至5.5，加入酸性染料，75℃条件下130rpm转速搅拌30min；调节pH至6.5，加入氯化锌、小麦淀粉和碳酸钙，继续搅拌30min；降温至40℃出料，即得。
本发明木材染色改性剂，经过大量的试验证明，在其他具体实施例中，改性剂的组分在甲醛200份、苯酚50‑80份、尿素300‑370份、三聚氰胺50‑80份、氨水20‑30份、碱性催化剂1‑10份、助剂10‑30份，增量剂50‑70份、酸性染料1‑5份，其中所述甲醛为甲醛质量浓度为35‑40％的水溶液，所述氨水为质量浓度为20‑30％的水溶液，均可以达到较好的效果。如染料在木材中扩散性较均匀、着色性较好，并且对木材的尺寸稳定性、硬度方面也有一定的提高。其中碱性催化剂还可以是选自碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、醋酸钠、异丙醇钾和叔丁醇钾的任意一种或几种。其中助剂为本领域常用的无机盐，可选自氯化铵、氯化镁、氯化钙和氯化锌中的任意一种或几种。其中增量剂由5‑30重量份的植物淀粉和20‑50重量份的填充剂组成，填充剂可以是氯化钙、氯化镁、氯化钠、二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙、氧化镁、膨润土和凹凸棒土的任意一种或它们的组合。
试验例1
本发明染料改性剂对木材着色性能和在木材中扩散均匀性测试试验的影响
改性剂：实施例1‑5得到的改性剂500g和65g水混合均匀，即得。
染色方法：采用常温真空加压法染色，真空度‑0.095MPa下保压20min，后在0.6MPa条件下，加压染色1.5小时。
试件干燥：45℃干燥至含水率小于50％，55℃干燥至含水率小于30％，65℃干燥至含水率小于20％，80℃干燥至含水率小于15％，120℃干燥至含水率小于8％，干燥完成。
试件基材：杨木
试件规格：100mm*50mm*20mm
检测设备：精密色差仪(型号：HP‑200上海汉谱光电科技有限公司)
检测方法：用精密色差仪分别测量上述染料改性液原液和试件表面2mm处和10mm处的L、a、b值。
计算方法：