技术领域
本发明涉及阻燃材料领域，具体涉及一种木材阻燃剂、制备方法 以及其用途。
背景技术
木材及其制品广泛应用于室内装修、家具制造、房屋建筑及外 部装饰中，这些材料属于可燃材料，极易引起火灾，且干缩湿胀、 尺寸稳定性较差，室外使用时易腐烂，如何提高材料的阻燃性、尺 寸稳定性与防腐性已成为全世界广泛关注的问题。
目前，防止木材及其制品发生火灾的最常用方法是在这些材料 中使用阻燃剂，这些阻燃剂大多基于含磷、氮、硼、铝和卤素等化 合物，无机阻燃剂由于具有阻燃性好、不产生有毒性气体（卤素阻 燃剂除外）、不析出、不挥发、价格低廉、来源广泛、安全性高等特 点而得到广泛应用。
例如，在《精细化工》2000年第2期上发表的文章“木材阻燃处 理工艺研究”（作者：李燕芸等）公开了一种磷-氮系无机阻燃剂， 其主要是由双氰胺、甲醛、尿素、磷酸二氢铵按一定比例配成的阻 燃液。这种无机阻燃剂主要以溶液形态使用，如通过对木材进行浸 渍，获得阻燃效果。磷-氮系阻燃剂具有阻燃协同作用，降低分解温 度，增加炭的生成，减少可燃性气体的产生以及降低热量等作用。
公开日为2000年4月5日、公开号为CN1249325A的中国专利 申请中公开了一种防火阻燃剂，该阻燃剂由尿素、磷酸、硼砂、硼 酸等混合而成，适用于棉布、化纤、纸张、木材等易燃物的阻燃处 理。
公开日为2006年7月26日、公开号为CN1807552A的中国专 利申请中公开了一种磷氮复合阻燃剂，该阻燃剂是通过尿素和磷酸 进行化学反应后再加入中和剂如氨进行中和反应制成的，适用于纺 织品和木材制品等易燃物的阻燃，该阻燃剂的制备方法相对较简单， 安全环保。
专利号为ZL200710122243.2的中国专利提供了一种用于木材及 人造板的具备消纳甲醛作用的阻燃剂及其制备方法，该技术制备的 阻燃剂无色、无嗅，本身无毒，具有抑烟性能，且制备成本低。
虽然上述文献中公开的阻燃剂具有制造方法简单成本低等优 点，但是其抗流失性较差，对木材的尺寸稳定性与防腐作用贡献不 大。
发明内容
为克服现有阻燃剂效果单一的技术缺陷，开发新型多功能的阻燃 剂材料，本发明的目的是提供一种木材阻燃剂。
本发明的另一目的是提供一种木材阻燃剂的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种木材阻燃剂的用途。
本发明提供的阻燃剂，按重量份包括以下原料：
磷酸: 20～200份；
尿素: 20～100份；
催化剂: 0.1～1.0份；
水: 40～250份；
硅溶胶: 10～100份；
硼酸: 1～15份；
所述催化剂按重量份由以下成分组成：氯化锡0.8～1.2份；硫酸 铜1.5～2.5份；氯化钠0.8～1.2份；氯化铁0.8～1.2份；硫酸铝0.8～1.2 份；硼酸0.8～1.2份及氯化锌1.5～2.5份。
本发明提供的木材阻燃剂作用于木材时，硅溶胶有助于木材细 胞壁的溶胀，提高阻燃成分（磷酸和尿素在催化剂作用下的聚合产 物）在细胞壁里的留存。木材干燥时，木材、阻燃成分、纳米二氧 化硅之间存在氢键和分子间力的作用，从而使木材的稳定性和抗流 失性也得到明显地提高。本发明提供的木材阻燃剂还含有硼酸，能 够有效提高木材的防腐蚀性能。
优选地，所述阻燃剂按重量份包括以下原料：
磷酸: 50～150份；
尿素: 30～60份；
催化剂: 0.2～0.5份；
水: 50～200份；
硅溶胶: 20～60份；
硼酸: 5～10份。
所述磷酸为质量百分比浓度是80～90%的磷酸水溶液。
所述硅溶胶选用常见的市售产品即可，其中二氧化硅的含量约为 20-30wt%。
所述水优选为硬度低于8的软化水。
本发明还提供了所述木材阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）向反应釜中加入磷酸，搅拌并加热，使温度上升至50～ 60℃；
（2）向所述反应釜中加入尿素，搅拌均匀；
（3）温度上升至90～120℃时，向所述反应釜中加入催化剂， 温度上升至130～140℃后，停止加热；
（4）将所述反应釜降温至60～80℃，加入水和硼酸，搅拌均匀；
（5）反应釜降温至20～30℃时，加入无机碱至pH值为8.5～ 9.5，再向所述反应釜中加入硅溶胶，搅拌均匀即得。
其中，所述催化剂的各个组分可以预先以任意添加顺序进行混 合，然后作为整体添加至所述反应釜中。
其中，所述无机碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
其中，所述无机碱为质量百分比浓度为30～50%的水溶液。
上述制备过程中，所述搅拌的转速为50～70转/分。
所述步骤（3）中，在温度上升至130～140℃后，所述反应釜内 反应物体积增至原体积的2～3倍时停止加热。
本发明还提供了上述技术方案任一项所述木材阻燃剂作为木材 尺寸稳定剂的用途。
本发明还提供了上述技术方案任一项所述木材阻燃剂作为木材 防腐剂的用途。
本发明的阻燃剂不仅能起到优良的阻燃作用，还能明显提高木材 的尺寸稳定性以及抗腐蚀性能，具有多重复合功能。
本发明技术方案具有如下优点：
1）本发明处理剂不但阻燃效果显著，而且具有较好的尺寸稳定 功能与防腐功能。
2）本发明制剂具有甲醛消除功能。用于胶合板等人造板处理， 能够有效提高人造板环保特性。
3）本发明制剂的制备方法简单，成本较低。固体含量40%左右 的本发明液体处理剂制造成本约为2800元/吨，远远低于现有国内 外阻燃剂的价格。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
1、按以下重量配比进行原料备料：
软化水（硬度低于8度）： 100kg；
磷酸（质量浓度为85%的水溶液）： 100kg；
尿素（氮含量约为46.4%）： 50kg；
催化剂： 0.35kg；
硅溶胶（二氧化硅质量分数约为25%）：20kg；
硼酸（含量99%以上） 5kg。
其中，催化剂为北京林业大学材料科学与技术学院环保阻燃技 术中心自行配制的淡黄绿色粉剂，制备过程如下：按重量计将氯化 锡1.0份、硫酸铜2.0份、氯化钠0.9份、氯化铁1.1份、硫酸铝0.8 份、硼酸1.2份及氯化锌1.8份研磨后混合均匀即得。
2、制备过程如下：
1）、在配有搅拌器、温度计和冷凝管的反应釜中，加入磷酸溶 液，搅拌同时加热，使温度上升直至约60℃；
2）、向反应釜内加入尿素，同时对磷酸和尿素的混合物继续进 行搅拌，使物料分布、受热均匀；
3）、温度上升至120℃时，向反应釜中缓慢地、均匀地加入催化 剂使混合物进行反应，此时反应物料变成浅绿色；继续加热使温度 达到135℃左右，加热的同时观察反应现象，随着温度升高，浅绿色 液体逐渐变成乳白色粘稠物，泡沫急剧增多，温度上升速度明显加 快，物料的体积迅速膨胀，冷凝管有大量气体排出，待反应釜内反 应物的体积增加至原来体积的两倍左右时停止加热，继续搅拌，反 应釜内物料依靠自身的放热继续剧烈反应，温度继续上升，待反应 趋于平稳，温度开始下降时，表明反应完毕；
4）降温至70℃左右时，向反应釜中加入温度为50℃的软化水 和硼酸，搅拌均匀；
5）降温至30℃左右时，用氢氧化钠溶液（质量浓度40%）调 节pH值在8.5-9.5之间，最后向反应釜中加入硅溶胶，搅拌均匀即 可；
6）将所得产品倒入容器中储存备用。
产品的技术指标：
外观： 透明液体
固体含量（wt%）： 43
pH值： 8.5-9.5
粘度（涂-4杯）（25℃，S）：10.2
比重（g/cm3）： 1.21
有效期（年）： 2
实施例2
1、按以下重量配比进行原料备料：
软化水： 180kg；
磷酸（质量浓度为85%的水溶液）： 150kg；
尿素（氮含量约为46.4%）： 54kg；
催化剂： 0.48kg；
硅溶胶（二氧化硅质量分数约为20%）：60kg；
硼酸（含量99%以上） 10kg。
其中，催化剂为北京林业大学材料科学与技术学院环保阻燃技 术中心自行配制的淡黄绿色粉剂，制备过程如下：按重量计将氯化 锡0.9份、硫酸铜1.6份、氯化钠1.0份、氯化铁1.0份、硫酸铝1.2 份、硼酸1.1份及氯化锌2.0份研磨后混合均匀即得。
2、制备过程如下：
1）、在配有搅拌器、温度计和冷凝管的反应釜中，加入磷酸， 搅拌同时加热，使温度上升直至50℃；
2）、向反应釜内加入尿素，同时对磷酸和尿素的混合物继续进 行搅拌，使物料分布、受热均匀；
3）、继续加热使温度上升至115℃时，向反应釜中缓慢地、均匀 地加入催化剂使混合物进行反应；继续加热使温度达到130℃左右， 继续加热的同时观察反应现象，随着温度升高，浅绿色液体逐渐变 成乳白色粘稠物，泡沫急剧增多，温度上升速度明显加快，物料的 体积迅速膨胀，冷凝管有大量气体排出，待反应釜内反应物的体积 增加至原来体积的2.5倍时停止加热，继续搅拌，反应釜内物料依靠 自身的放热继续剧烈反应，温度继续上升，待反应趋于平稳则温度 不再上升，温度开始下降时，表明反应完毕；
4）、降温至65℃左右时，向反应釜中加入温度为40℃的软化水 和硼酸，搅拌均匀；
5）、降温至20℃左右时，用氢氧化钠调溶液（质量浓度45%） 调节pH值在8.5-9.5之间，最后向反应釜中加入硅溶胶，搅拌均匀 即可；
6）、将所得产品倒入容器储存备用。
产品的技术指标：
外观： 透明液体
固体含量（wt%）： 42
pH值： 8.5-9.5
粘度（涂-4杯）（25℃，S）： 10.3
比重（g/cm3）： 1.19
有效期（年）： 2
实施例3
1、按以下重量配比进行原料备料：
软化水： 100kg；
磷酸（质量浓度为80%的水溶液）： 65kg；
尿素（氮含量约为46.4%）： 38kg；
催化剂： 0.28kg；
硅溶胶（二氧化硅质量分数约为30%）：30kg；
硼酸（含量99%以上） 6kg；
其中，催化剂同实施例1。
2、制备过程同实施例1。
所得产品的技术指标：
外观： 透明液体
固体含量（wt%）： 46
pH值：8.5-9.5
粘度（涂-4杯）（25℃，S）：10.4
比重（g/cm3）： 1.22
有效期（年）： 2
实施例4
1、按以下重量配比进行原料备料：
软化水： 70kg；
磷酸（质量浓度为90%的水溶液）： 50kg；
尿素：（氮含量约为46.4%） 32kg；
催化剂： 0.25kg；
硅溶胶（二氧化硅质量分数约为25%）： 50kg；
硼酸（含量99%以上） 8kg；
其中，催化剂同实施例2。
2、制备过程同实施例2。
所得产品的技术指标：
外观： 透明液体
固体含量（wt%）： 45
pH值： 8.5-9.5
粘度（涂-4杯）（25℃，S）： 10.4
比重（g/cm3）： 1.21
有效期（年）： 2
实验例1
分别采用本发明实施例1-4的阻燃剂产品制备胶合板。
实验材料：
单板：杨木单板，厚度1.4-1.5mm，含水率7%-9%，幅面 450×450mm；
胶粘剂：市售改性脲醛树脂胶粘剂（三聚氰胺改性，用量与尿 醛树脂用量的摩尔比为1.1），产品的性能指标如下：
2、具体实验步骤：
1）调胶：按重量在胶粘剂中加入15%的面粉、1%的氯化铵， 搅拌均匀；
2）对单板进行涂胶，涂胶量为双面涂280g/m2；
3）对由五层单板组坯的板材依次进行冷压、热压、冷却和裁边。 其中冷压压力为1-1.2MPa，冷压时间为30min；热压压力为 1.0-1.2MPa，热压温度为120℃，热压时间为60s/mm。
4）将本发明实施例1-4的阻燃剂配成固含量为10wt%的水溶液， 对胶合板进行浸渍处理10分钟；
5）使用除湿干燥箱，在干燥温度为60℃下对处理过的胶合板进 行干燥处理，使其最终含水率达到在10-12%；
3、胶合板性能检测
按GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》 对制备的胶合板进行性能检测，结果见表1。
参照GB/T2406-93《塑料燃烧性试验方法氧指数法》测定制备 的胶合板产品的氧指数指标。GB50222-95《建筑内部装修设计防火 规范》规定的B1级的氧指数是≥48%。
对照例1
除不采用本发明阻燃剂浸渍以外，其它步骤与实验例1相同， 制备同样的胶合板作为对照。
对照例2
采用市购的氮-磷系水基型阻燃剂（CAS No.：68333-79-9，上海 新华阻燃剂总厂，聚合度小于20）代替本发明阻燃剂进行浸渍（固 含量浓度、浸渍时间等与实验例1相同），其它步骤与实验例1相同， 制备同样的胶合板作为对照。
实验例1及对照例1、2的结果如表1所示：
表1胶合板性能测试结果
表1中的结果表明，本发明阻燃剂不但阻燃效果显著，而且具 有明显的甲醛消除效果。用本发明阻燃剂浸渍处理的胶合板，其阻 燃胶合板氧指数在57%以上，甲醛释放量可稳定在E0级（≤ 0.5mg/L），优于现有产品。
实验例2
分别采用本发明实施例1-4的阻燃剂产品处理杨木木材。
杨木：树龄十年，边材，尺寸稳定性及抗流失实验用试件尺寸 （径向×弦向×轴向）30×30×5mm，防腐实验用试件尺寸（径向 ×弦向×轴向）20×20×10mm；
按以下工艺处理杨木试件：
将本发明实施例1-4的阻燃剂分别配成固含量为10wt%的水溶 液。
杨木试件在使用前用苯和乙醇的混合液（2∶1）（V/V）抽提12 小时，放入105℃鼓风干燥箱中12小时，称量绝干试件的重量并测 量其尺寸。
将试件放于盛有上述阻燃剂的烧杯中，用石块压住试件。将烧 杯放入真空箱，在真空度0.02MPa常温状态下保持0.5小时；恢复 至常压，保持24小时。取出试件，将表面拭净；放入105℃鼓风干 燥箱12小时，测量其重量与尺寸。
将防腐实验用试件分别进行白腐菌与褐腐菌实验（实验箱内常 规条件下放置1个月），然后测量试件重量。
将处理过的尺寸稳定性及抗流失实验用试件放入盛有清水的烧 杯中，保证水面覆盖试件。将烧杯放入真空干箱中，真空度0.02MPa， 保持0.5小时，常压保持24小时，测量其重量与尺寸。再将试件放 入105℃鼓风干燥箱中12小时，称量绝干试件的重量并测量其尺寸。
对照例3
不采用阻燃剂处理试件，其它步骤与实验例2相同。
对照例4
采用对照例2的氮-磷系水基型阻燃剂，配成固含量为10wt%的 水溶液，对杨木进行处理，处理步骤与实验例2相同。
实验例2及对照例3、4的结果如表2所示：
表2试件性能测试结果
表2中的结果表明，采用本发明阻燃剂处理的木材，表现出了 尺寸稳定作用，具有较好的抗流失性，而且还具有优异的防腐蚀作 用，是现有阻燃剂不具备的功能。
实验例1-2及对照例1-4的结果表明：本发明提供的阻燃剂不仅阻 燃效果理想、而且还具有明显的尺寸稳定作用和防腐蚀作用，是一种 新型、多功能的阻燃剂产品。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了 详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这 对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神 的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。