CN101208382A - 包括基本不含挥发性有机物的组合物的纤维素产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于形成纤维素产品的组合物的实施方式以及使用该公开的组合物制备的产品。一种公开的组合物包括有效量的二羟基乙撑脲、二羟基丙醇脲、甘脲或者其组合。这种组合物可以是交联的或者不是交联的。该组合物可以包括其它材料，例如羟甲基三聚氰胺、麦芽糖糊精(其中麦芽糖糊精的DE可以在约4～约25的范围内变化)、任选的辅助添加剂，所述辅助添加剂包括表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料(例如染料，在某些实施方式中，染料基本上完全浸透板产品的整个横截面)、硬度增强剂以及这些材料的任何和所有组合。所公开的用于制备纤维素产品的方法的一种实施方式包括首先提供所公开的组合物；和将其施用于纤维素材料，例如通过将纤维素材料基本地浸渍在高压釜中的所需组合物中。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求更早申请日的美国临时申请60/694,734的优先权，通过将其引入本申请作为参考。
技术领域
本申请涉及用于制备纤维素产品的组合物、使用该组合物制备的纤维素产品及其制造方法。
背景技术
有些纤维素产品直接由伐木制备。然而，许多(如果不是大部分)现代商业木材产品是通过将颗粒、碎屑或者纤维形式的纤维素材料与聚合组合物相合并而形成的。
由本发明的受让人开发且用于制备纤维素产品的已知聚合组合物包括三聚氰胺、脲和甲醛。美国专利5,162,394(’394专利)的题目为“阻燃剂化学组合物”，将其引入本申请中作为参考，该申请讨论了包括树脂A和树脂B的组合物的实施方式。
树脂A包括麦芽糖糊精和乙二醛。麦芽糖糊精是一种包括麦芽糖和葡萄糖的中等链长的多糖，它是例如通过由大麦和其它谷物所获得的淀粉的酶水解来制备的。麦芽糖和葡萄糖的相对量可以变化。聚合的程度也可以变化，并且通过右旋糖当量(DE)、淀粉聚合物水解程度的定量测量来测定，DE值越高表示淀粉水解程度越大。乙二醛是一种可以与具有反应性官能团，例如羟基(-OH)的化合物进行缩合的二醛(OHCCHO)。由专利’394所教导的组合物还包括脲。
树脂B包括例如羟甲基-三聚氰胺-甲醛树脂。尽管该体系的聚合化学是复杂的，并且不限于操作的方式，但是目前认为甲醛与三聚氰胺反应形成羟甲基三聚氰胺。通过控制pH值来抑制三聚氰胺与甲醛的完全聚合，即保持溶液的pH值相对高以抑制完全聚合。树脂B的第二种可能配方包括脲，脲与甲醛反应形成羟甲基脲。改性的脲用作树脂A聚合物的交联剂。
在’394专利中所述的组合物对于制备纤维素组合物是相当有用的。而且，该组合物还可以与阻燃性化学品一起使用，以制备阻燃性化学组合物和阻燃性纤维素组合物。尽管该组合物的甲醛释放量是相当低的，但是仍希望提供甚至更低的甲醛释放或者完全消除甲醛释放的组合物和产品。
有许多其它专利描述了用于制备纤维素产品的聚合组合物，许多纤维素产品潜在地涉及到甲醛，包括美国专利5,770,319和美国专利6,428,902。美国专利5,770,319的题目为“木质纤维素材料的致密化”公开了在真空和/或压力下用麦芽糖糊精溶液浸渍木材。右旋糖当量(DE)在15-30范围内的麦芽糖糊精是优选的，并且麦芽糖糊精可以是交联的。美国专利6,428,902的题目为“用于处理木材的方法和组合物”涉及木材防腐剂配方。
美国政府规定了复合产品的甲醛释放量。例如，由住房和城市发展部(HUD)颁布的规章对于活动房屋材料限制甲醛释放量为0.3ppm以下。当通过美国测试材料协会(ASTM)的燃烧室试验来测量时，美国国家标准研究所(ANSI)对于刨花板产品限制其甲醛气体释放量为0.2ppm以下。通过改变脲-甲醛树脂配方以将甲醛与脲的比例(F/U)从1.6降低至1.4，已经降低了刨花板产品的甲醛释放量。已经设计了其它的方法以从表面上降低甲醛释放量，例如通过用聚氨酯涂覆刨花板。
仍然需要生产有用的木质复合材料，并且减少挥发性有机化合物(VOC)，特别是甲醛的释放。
发明内容
本发明公开了用于形成纤维素产品的组合物的实施方式，以及使用该组合物制备纤维素产品的方法的实施方式和通过该方法所制备的产品的实施方式。所公开的组合物的一种实施方式包括有效量的通过脲与二醛反应产生的5元环化合物、6元环化合物或者其组合。例如，该组合物可以包括二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、或者其组合。具体实施方式包括羟甲基三聚氰胺或者其衍生物。某些实施方式包括用于交联该组合物的交联剂。所述组合物可以配制成水性组合物、包括有机溶剂的组合物，特别是极性有机溶剂组合物(例如醇，包括但不限于甲醇)、以及水性/有机组合物。
具体的组合物包括具有以下通式的化合物：
DHEU衍生物
DHPU衍生物
关于这些通式，R独立地为H，脂肪族基团(包括低级(10个或更少碳原子)脂肪族基团)，CH(OH)CHO，或者其组合；Y为氧或硫，通常为氧。
有些公开的组合物还包括麦芽糖糊精。本领域普通技术人员将了解：可以使用具有各种聚合度的麦芽糖糊精。可以使用右旋糖当量(DE)测量该聚合度。用于实施本发明的麦芽糖通常具有4～约25的DE，更通常地具有约4～12的DE。
该组合物可以进一步任选地包括辅助添加剂，例如其包括但不限于：表面活性剂、三烷醇胺(特别是低级烷基的三烷醇胺，例如三乙醇胺)、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂或者这些材料的所有组合，所述防腐剂例如硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物(amine ethoxylate)、金属唑或者其组合，防腐剂的具体例子包括苯甲酸钠、铬化的砷酸铜、二癸基二甲基碳酸铵、二癸基二甲基碳酸氢铵、季铵铜化合物、铜硼唑、铜唑、酸性铬酸铜、柠檬酸铜、硼酸钠、硼酸锌、或者其组合；所述美观材料例如染料和/或颜料，在某些实施方式中，所述美观材料基本上完全渗透板产品的横截面；所述硬度增强剂例如有纳米粘土、硅酸盐、无机盐、硼酸盐或者其组合。
一种可用于形成纤维素产品的组合物的具体例子包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺和麦芽糖糊精，所述麦芽糖糊精具有4～约25，更常见约4～12的DE。至于其它的实施方式，该组合物可以任选地包括辅助添加剂。
用于形成纤维素产品的具体组合物的另一实施方式包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、羟甲基三聚氰胺、DE为4～约25的麦芽糖糊精、和辅助添加剂，所述辅助添加剂选自表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂及其组合。
本发明还描述了具有所公开组合物的各种实施方式的木材产品。木材产品任选地可以包括基本完全渗透所述产品横截面的染料材料，该木材产品有或者没有包括二羟基乙撑脲、甘脲及其组合的组合物。
所公开的用于制备纤维素产品的方法的一种实施方式包括：首先提供任意或者所有此处讨论的用于制备纤维素组合物的材料。将该组合物施用于纤维素材料。所述施用可以包括用该组合物基本浸渍所述板产品，可以以所希望的方式完成所述施用。例如，所述施用可以包括基本将纤维素材料浸渍入高压釜中的所需组合物中，并首先降低压力至环境压力以下，接着将高压釜中的压力增加至高于环境压力。
所公开的方法的另一实施方式包括提供板产品。将染料施用于所述板产品，从而在所述产品的整个横截面基本完全地提供染料。该公开的实施方式可以进一步包括将组合物施用于所述板产品，所述组合物包括有效量的二羟基乙撑脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE值为4～约25的麦芽糖糊精、辅助添加剂，所述辅助添加剂选自表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料或者硬度增强剂或者其组合。
附图说明
图1是列出用于实施本发明所公开的实施方式的方法步骤的方块图。
具体实施方式
以下描述涉及基础聚合物组合物、任选地可以添加到所述基础聚合物中的辅助添加剂、以及使用该组合物的各种实施方式形成纤维素产品的方法。还公开了工作实施例以及纤维素复合物的示例性实施方式的测试数据。本领域普通技术人员将了解：如下公开内容仅是示例性的，本发明的范围并不限于所公开的具体特征。
I.基础聚合物组合物
A.由脲与乙二醛反应的缩合产物
本发明组合物的某些实施方式包括5元环体系和6元环体系(5和6元环体系如下所示)。这些可以包括由脲与二醛(例如乙二醛和丙二醛)的反应所产生的缩合产物。这些体系主要是通过参考二羟基乙撑脲(DHEU)和二羟基丙醇脲(DHPU)(其通式如下所示)、或者其衍生物、低聚物、和/或其聚合物在此说明。关于该通式，R独立地为H，脂肪族基团(更常见为低级(10个或更少碳原子)脂肪族基团，甚至更具体地为低级烷基)，CH(OH)CHO，或者其组合；Y为氧或硫，通常为氧。
DHEU衍生物
DHPU衍生物
尽管通式中的R基团可以变化，并且几乎可以为任何链长，但是有些实践中的考虑限制了这些R基团。例如，本领域的普通技术人员将理解：改变这些侧基也可能影响到溶解度、pH值、渗透率、反应速率等以及这些因素的组合。因此，在R基团的链长与这些因素之间可能存在相反的关系，例如随着链长增加，溶解度和渗透反应率通常减小。
可以购买DEHU用于本文的公开方案，但是优选通过约1∶1到约1∶3摩尔当量的脲(NH2CONH2)与二醛(乙二醛(OHCCHO))反应来原位制备。本领域的普通技术人员将认识到：其它原料可以用于提供多种有用的组合物。例如，可以使用取代的脲和甘脲(如下所示，其中R通常为H、低级脂肪族基团(特别是低级烷基)、CH(OH)CHO)或者其组合)或者二醛。
甘脲
取代的脲和二醛的例子包括通过用低级脂肪族基团(包括烷基，例如甲基(-CH3))取代一个或多个氢原子而制备的那些。
B.羟甲基三聚氰胺
三聚氰胺(2，4，6-三氨基-1，3，5-三嗪，CAS号106-78-1，如下所示)是白色结晶粉末，其熔点为约354℃，密度为1.573g/cc。
将如下所示的羟甲基三聚氰胺用于本发明聚合组合物的某些公开实施方式中，其中X为0、1或2。
尽管可以购买羟甲基三聚氰胺，但是它也可以通过使甲醛与三聚氰胺反应来原位制备。
也可将三聚氰胺的衍生物或者类似于三聚氰胺的化合物用于本发明的某些实施方式。例如，如下所示的三聚氰酸二酰胺也可以用于实施所公开的实施方式。
三聚氰酸二酰胺(CAS645-92-1)
因此，关于该具体反应物的化合物(6元环体系)具有如下所示的通式：
关于该通式，R2是胺、羟基、巯基或者其组合；R2更常见为胺和羟基，甚至更常见地至少两个R2基团通常为胺官能团、或者胺衍生物，例如羟甲基衍生物。
C.封端剂
在将基础组合物施用于或者浸渍用于制备复合产品的纤维素材料之前，所公开的基础组合物可发生聚合。聚合(至少基本聚合)可能是有害的。例如，如果聚合太容易发生，则不可能有效地浸渍纤维素结构(例如板产品)的整个横截面或者横截面的所需部分。不能充分渗透所述复合产品的整个横截面或横截面的所需部分，这可能是由于聚合产品的分子量和尺寸增加所产生的，因为聚合产品的分子量和尺寸增加可阻碍或者大大降低所述组合物渗入和渗透整个多孔纤维素结构的速率。
有许多控制聚合的方法。例如，可以调节组合物的pH值，以提供确定抑制聚合的最佳pH值。用于控制聚合以使随后形成纤维素产品的合适pH值范围为约2～约11，通常为约4～约10，更常见为约6～约9。
或者，可以使用一种或多种封端剂。合适的封端剂通常与存在于组成材料(例如羟甲基三聚氰胺)上的活性基团(例如羟基)进行可逆反应，以可逆地终止或防止产品发生聚合直至所希望的时候。本领域的普通技术人员将了解，许多封端剂都是有用的。然而，有些所公开的操作实施方式使用醇或多元醇(例如二醇，特别是烷撑二醇，包括乙二醇)作为封端剂。二醇与在羟甲基三聚氰胺上的末端羟基反应，形成乙基醚。然而，几乎任何醇均可以潜在地用作封端剂，因此，其它的考虑因素可以被用来选择用于特定应用的合适封端剂。这种其它的考虑因素包括：封端效果，短链长的醇提供更好的封端效果；溶解度，更长的链长具有降低的水溶解度，并且在通常用于实施所公开实施方式的温度下潜在地形成固体物；回收率；价格；以及这些考虑因素的组合。此外，在某些条件下，天然产生的亲水性聚合物(例如麦芽糖糊精)也可以用作封端剂。
D.辅助添加剂
有用的组合物可以包括任选的辅助剂。例如，表面活性剂、颜料、染料、紫外线稳定剂等以及其组合，可以任选地添加到所述基础组合物中。可出于许多原因而添加表面活性剂，包括有利于润湿纤维素纤维，以有利于添加到基础组合物中的其它材料(例如染料、颜料、紫外线稳定剂等)的溶解和/或悬浮。例如，众所周知在生产过程期间染料会从组合物中沉淀出来。如果染料沉淀，用所述组合物浸渍的纤维素产品将具有不连续的染料浓度，这实质上偏离和/或改变了美观产品的价值。
1.表面活性剂
本领域普通技术人员将了解：与基础组合物相容并且用于制备现在已知或此后开发的纤维素复合产品的任何表面活性剂均可以用于本发明。仅通过举例而非限制的方式，非离子型表面活性剂已经用于生产操作实施方式。选择用于实施所公开的实施方式的表面活性剂或表面活性剂的混合物，通常所要考虑的表面活性剂的性能包括与其它反应物的互溶性和起泡性能。可以使用离子型和非离子型表面活性剂。已经发现，含Si和含F的表面活性剂是特别有用的。有用的离子型表面活性剂的例子包括，但不限于由DuPont Chemical Company以Telomer出售的非离子型表面活性剂、和由Air Products and Chemicals，Inc.出售的Surfynol。
2.三烷醇胺
三烷醇胺(例如三乙醇胺)提供了任选的一种或多种助剂化合物的另一例子，可以加入所述任选的助剂化合物以形成本文所公开的纤维素处理组合物。三烷醇胺可以用于各种目的，包括以有效量用作封端剂、以有效量提供所希望的pH值，例如在约8～约9范围内的pH值。本领域的普通技术人员将了解：可以单独地或者以任何组合形式使用其它的pH值调节剂，例如铵或者季铵。三烷醇胺也可以用来稳定交联剂，并抑制某些材料从组合物中沉淀出来，正如以上所关于染料讨论的。
3.防腐剂
防腐剂可以添加到基础聚合物中。现在已知的或此后开发的并且与纤维素复合产品相容的任何防腐剂或者防腐剂的组合均可以用来形成本发明的纤维素处理组合物。仅通过举例而非限制的方式，有用的防腐剂包括硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物(参见See Barth等人的美国专利6,506,795，将该专利引入本申请中作为参考)、金属唑等。具体化合物包括苯甲酸钠、铬化的砷酸铜、二癸基二甲基碳酸铵、二癸基二甲基碳酸氢铵、季铵铜化合物、铜硼唑、铜唑、酸化铬酸铜、柠檬酸铜、硼酸钠、硼酸锌及其组合。所述材料以用作防腐剂的有效量来使用，例如，相对于基础聚合物的重量，约0.01％～约5％范围内的量，更常见约0.1％～约1％的量。
4.阻燃剂
本发明的受让者Chemco，Inc.因制备阻燃纤维素复合物而著名。阻燃材料可以用来形成此处所公开的纤维素处理组合物。例如，’394专利(通过引入本申请中作为参考)公开了某些阻燃材料和可以用于本发明的阻燃剂有效量。有用的阻燃材料的例子包括，但不限于磷酸盐、含氮磷酸盐(例如三聚氰胺磷酸盐)、硼酸盐、硅酸盐及其组合。阻燃剂以用作阻燃剂的有效量来使用。相对于基础聚合物的重量，有效量通常在大于0wt％到小于100wt％的范围内，更常见在约1wt％～约40wt％的范围内，更常见为约5wt％～约15wt％。
5.美观材料
现代的纤维素复合物通常包括仅为美观目的而加入的材料，例如染料、颜料和紫外线稳定剂。因此，现在已知的或者此后开发的并且用于制备与所公开的组合物相容的纤维素复合物的任何美观材料及其组合物均可以用来形成纤维素复合物。
6.硬度增强剂
可以使用增加纤维素复合物的硬度的添加剂。硬度增强剂的有利添加依赖于多种因素，正如本领域的普通技术人员所了解的，包括纤维素复合物的特定实施方式预期的最终应用。例如，与其它可能的产品相比，地板和装饰板可能将受益于相对硬度的增加。可以以使硬度增加至适合最终应用水平的有效量将硬度增强剂添加到纤维素材料中，例如硬度值为约1,000LBF(磅力)～约3,500LBF，相对于基础聚合物组合物的重量，获得这些硬度值所要求的硬度增强剂的量在约0.3％～约50％的范围内，更常见在约1％～约20％的范围内。硬度增强剂的例子包括但不限于纳米粘土、硅酸盐、无机盐(例如硼砂和低溶解度的硼酸盐)以及其组合。“纳米粘土”是指通常具有约0.0001μm～约10μm，更常见约0.0001μm～约5μm尺寸的材料。
7.防水剂
本发明的某些公开实施方式还可以包括至少一种防水剂。合适的防水剂包括石蜡乳液，例如由Michelman提供的那些，一个实例是MICHEM LUBE。
8.官能聚合物或交联剂
还可以将官能聚合物或者交联剂加入所述基础组合物中，其量为使用来形成所希望产品的至少部分聚合材料共聚合、交联和/或形成聚合物贯穿网络结构的有效量。合适的交联剂通常包括与具体聚合材料反应的多种官能团，例如羟基(-OH)。
有用的交联剂/共聚物的一种例子是麦芽糖糊精。麦芽糖糊精可以以水溶液或干燥粉末的形式加入。此外，可以使用具有各种DE值的麦芽糖糊精，只要多糖解聚没有进行到损害纤维素复合产品的程度。干燥粉末状的麦芽糖糊精的加入有利于避免配制包括麦芽糖糊精的溶液，由此避免了加工步骤。相对于使用麦芽糖糊精的溶液所制备的产品，还可以使用粉末状麦芽糖来制备具有增加的麦芽糖糊精浓度的纤维素产品。
对于应用于纤维素复合物，麦芽糖糊精DE可以变化。仅通过举例但非限制的方式，目前认为用于制备本发明的纤维素产品的麦芽糖糊精DE可以在约4～约25范围内变化，更常见为约4～12，甚至更常见为约4～10。麦芽糖糊精以各种DE范围市售，例如4～6、6～10以及8～12批次的组合物。这些中的每种均可以单独或者组合使用。当组合用于操作实施方式时，平均DE为大约10。
与用来形成所希望的纤维素复合产品的其它材料相比，麦芽糖糊精是相对便宜的、可天然获得的以及可安全使用的，因此，增加所使用的麦芽糖糊精的浓度有利于减少生产成本。用来实施所公开的组合物的实施方式的麦芽糖糊精的量从零(由于它是任选的材料)到不损害产品性能的尽可能高的值，相对于基础聚合物的重量，该量通常在约0～约95％的范围内，更常见在约50％～约90％的范围内。
II.用于形成组合物的方法
以下段落描述用于形成基础组合物的方法和包括任选的辅助添加剂的组合物的实施方式。本领域的普通技术人员将了解：可以采用其它和/或可选择的方法形成纤维素组合物。
一种可能的方法首先形成甲醛组合物水溶液，其pH值调节至所希望pH值，例如大于约7.0的pH值，以提供聚合控制。可以通过加入可有效获得合适pH值的量的pH值调节剂(包括酸或碱)来调节pH值。用作pH值调节剂的材料的例子包括，但不限于通常的Bronsted-Lowery酸和碱，例如金属氢氧化物(包括氢氧化钠)水溶液、卤化氢(例如氯化氢)、以及酸和碱的组合。
然后将所述甲醛组合物水溶液与三聚氰胺混合。该组合物可以反应形成羟甲基三聚氰胺，在该方法中的此点上，完全反应通常是不希望的。甲醛组合物水溶液与三聚氰胺混合，通常该组合物在相对于环境升高的温度下进行处理。该温度可以变化，某些终点通过功能考虑因素来设置，包括水溶液的沸点和使用防止或者至少基本上防止纤维素降解的加工温度。该有效的加工温度通常高于环境温度但小于约100℃，更常见为约65℃到小于约100℃。此外，本领域的普通技术人员将会了解到，温度选择也影响到反应速率，更高的温度有助于更快的反应。关于三聚氰胺-甲醛反应，在室温下，该反应可以花费几天到几个月；在30℃～40℃下，该反应花费几天完成；在约55℃～约70℃下，该反应在几小时内完成；在大于约70℃～约90℃下，该反应仅仅花费几分钟到几秒钟。包括甲醛水溶液和三聚氰胺的组合物被保持在所选择的加工温度下且进行有效地混合(例如通过搅拌)合适的一段时间，通常对于操作实施方式，为约5分钟到约60分钟。
现在可以添加封端剂。与pH值调节一样，封端剂也有助于预防甲醛水溶液/三聚氰胺组合物的完全聚合。正如以上所述的，一种有用的封端剂是乙二醇。封端剂的相对量可以变化，但是，已经以相对于所加入甲醛量为约1∶1官能团来使用。
然后将以上所形成的组合物与DHEU混合，再次形成通常在约90℃的升高度温下处理的组合物。可使用任何合适的方式有效地混合该组合物合适的一段时间。该方法的操作实施方式包括约5分钟～约10分钟的混合时间。然后通常使该组合物冷却至低于在环境温度到小于90℃之间的最初处理温度。
现在任选地添加辅助材料。例如，添加表面活性剂或表面活性剂的组合，其量为有效实现所希望目的的最小量，例如有利于纤维润湿和/或使组合物起泡的程度最小。除了增加生产成本以外，太多的表面活性剂可能会有有害的效果，例如在生产出复合产品之后使该复合产品润湿或使该复合产品吸水。相对于浸渍产品的材料的总体积，使用约0.1～约0.5ppm量的Telomer B表面活性剂实施操作实施方式。
一旦已经加入所有希望的辅助添加剂，则将该组合物用于处理纤维素材料以形成复合物。纤维素材料可以是用于制备复合产品(通常为建筑产品)的任何合适材料。通常，纤维素材料是由各类物质并且以各种形式(例如碎屑或者更小颗粒、纤维等及其组合)所获得的木材。
如果使用麦芽糖糊精，则浓缩的组合物首先可以与麦芽糖糊精合并，然后加入到纤维素产品中，或者，该组合物可以添加到纤维素材料中，随后加入麦芽糖糊精。可以使用标准的Janka硬度等级(工业中所接受的)来定量化产品硬度。使用钢球刺入复合产品的表面，而测定Janka硬度。Janka硬度是使钢球(通常为0.444英寸的钢球)嵌入整个复合产品的一半时所需要的力。本领域的普通技术人员将了解：Janka硬度依赖于各种因素，包括所使用的木材种类，但最主要是在测量硬度时的水含量。本发明的纤维素产品具有约900磅～约3500磅，更常见约1000磅～约1900磅的Janka硬度。例如，对于通过将麦芽糖糊精浓缩物加入杂交的杨树/美国黄松中的操作实施方式，Janka硬度为约750～1500磅。当该组合物被添加到更硬的纤维素物质中时，例如放射松或者南方黄松中时，Janka硬度将会更大，可以达到约1200～约3500磅。
加入到羟甲基甲醛组合物中的DHEU的量可以有相当大差异。例如，DHEU可以仅添加到纤维素材料中。在此情况中，DHEU可以与存在于纤维素材料自身上的羟基进行交联。或者，可以将麦芽糖糊精添加到DHEU中，使得DHEU与麦芽糖糊精和/或纤维素羟基基团进行反应。作为另一选择并且如上所述，可以以相对于羟甲基三聚氰胺组合物的不同组成量添加DHEU。羟甲基三聚氰胺相对于DHEU的量可以在约0wt％～100wt％范围内变化，通常为0wt％～95wt％，更常见为0wt％～约60wt％。
III.纤维素材料的施用/浸渍
然后将如上所述制备的组合物用于处理纤维素材料。处理组合物水溶液可以配制为相对稀的水溶液，其浓度可增加至最高为基本上粘性的溶液。处理溶液的浓度可以在约5％～约70％的范围内，更常见在约10％～约35％范围内，甚至更常见在约20％～35％范围内。可以用纤维素处理组合物通过任何合适的方法(包括喷雾、涂覆、浸透、压力处理等及其组合)来处理纤维素材料。对于操作实施方式，在高压釜中将纤维素处理组合物施用于纤维素材料。高压釜装有足以基本浸渍放入高压釜中的任何纤维素产品的量的纤维素处理组合物。当在密封水平下测定时，将高压釜的压力从环境压力减小至约-22英寸(-558mm Hg)到-28英寸汞柱(-712mm Hg)，按海平面确定。
高压釜内的压力随后可以增加至一定水平，并且保持足够的时间，从而施用和/或浸渍放入高压釜中的纤维素产品至所希望的量。操作实施方式使用约50psi～约200psi的浸渍压力。然而，还可使用更高压力，最高至发生纤维素降解的压力。正如本领域的普通技术人员所了解的，通过调节几个因素，包括应用压力以及与浸渍方法相关的时间，可以确定该组合物渗透纤维素材料的程度。例如，在150psi的应用压力下，所述应用时间通常在约30分钟到几个小时的时间范围内。对于包括染料的某些产品，所希望的是(但不是必须的)，使该组合物基本完全地渗透纤维素材料的横截面。在该方式中，板产品的任何随后处理(例如砂纸打磨)将不会产生有染料和没有染料的区域。对于其它的应用，尽管渗入纤维素产品的程度可以变化，该板具有1英寸的厚度，通常总共渗入约3/4英寸，即在纤维素材料的每个平坦表面中约3/8英寸。本领域的普通技术人员将会了解：板产品的特征(包括美观特征，例如颜色)可以随着不同的温度和/或压力而变化。
一旦浸渍了所设定的一段时间，将纤维素材料从高压釜中移出，并且干燥。例如，该产品可以进行炉干燥，以获得合适的水分量，例如约10％以下。
实施例
提供以下实施例来举例说明操作实施方式的具体特征。本领域的普通技术人员将了解：本发明并不限于这些示例性特征。
实施例1
该实施例描述了用于施用至纤维素材料的组合物(称为树脂1)。形成包括145g的40％乙二醛水溶液和60kg脲的第一混合物。将该第一混合物加热至约60℃～约90℃范围内的温度。形成包括126kg三聚氰胺、90kg的37％甲醛水溶液和124kg的乙二醇的第二混合物。将第一混合物和第二混合物进行混合，并且加热至80-100℃约20-45分钟。树脂的粘度为100-600cps，固含量为45-50％。
实施例2
该实施例描述了用于施用至纤维素材料的组合物(称为树脂2)。形成包括435g的40％乙二醛水溶液、1400kg的DE为8-12的麦芽糖糊精、180kg脲和1500kg水的第一混合物。将该混合物加热约30分钟～60分钟，加入7kg的苯甲酸钠。树脂的粘度为3000-6000cps，固含量为50-65％，密度为约1.27-1.32克/立方厘米。
实施例3
该实施例描述了用于施用至纤维素材料的组合物(称为树脂3)。形成包括264kg的DE为8-12的麦芽糖糊精、615kg的水、122kg的树脂1、0.5kg的Telemor和2kg的苯甲酸钠的第一混合物。该溶液的密度为1.13g/cc，固含量为30-33％。
实施例4
该实施例描述了将树脂1施用至纤维素材料。树脂1被稀释成30％的水溶液。将美国黄松的实心碎片放入高压釜中。将-26英寸汞柱(-660.4mm Hg)的真空应用于高压釜内部30分钟。在30分钟之后，树脂1溶液被注入高压釜内部，使得完全接触其中每片木材的外表面。然后通过高压泵泵送溶液，从而将高压釜中的压力增加至130-150psi。然后用预定的固化程序循环，例如在95-100℃下干燥36-48小时，使所处理的木材进行干燥、固化和稳定。与未处理的美国黄松0.35g/cc的密度和约400磅的Janka硬度相比，树脂1增强的木材具有0.6g/cc的密度和约1440磅的Janka硬度。
实施例5
该实施例描述将树脂2施用至纤维素材料。树脂2被稀释形成33％的水溶液。将放射松木材的实心碎片放入高压釜中。将-26英寸汞柱(-660.4mm Hg)的真空应用于高压釜内部30分钟。在30分钟之后，树脂2溶液被注入高压釜内部，使得完全接触其中每片木材的外表面。然后通过高压泵泵送溶液，从而将高压釜中的压力增加至130-150psi。然后用预定的固化程序循环，例如在95-100℃下干燥48-60小时，使被处理的木材进行干燥、固化和稳定。与未处理的放射松0.45-0.50g/cc的密度和约550-约850磅的Janka硬度相比，树脂2增强的放射松具有0.60-0.75g/cc的密度和约900-约1600磅的Janka硬度。
实施例6
该实施例描述了将树脂3施用至纤维素材料。将1kg金属化的阴离子染料和0.5kg的三乙醇胺加入到100kg的树脂3中。将放射松木材实心碎片放入高压釜中。将-26英寸汞柱(-660.4mmHg)的真空应用于高压釜的内部30分钟。在30分钟之后，将树脂3混合物注入高压釜内部，使得完全接触其中每片木材的外表面。然后通过高压泵泵送溶液，从而将高压釜中的压力增加至130-150psi。用预定的固化程序循环，例如在65-100℃下干燥48-60小时，以烘箱干燥被处理的木材。如下表列出了在该施用中的被处理放射松的典型性能。
表1
| 硬度(与未处理的放射松相比) | 密度(kg/m3) | 强度 | 甲醛(JIS/JAS标准) | 尺寸稳定性 | 表面燃烧特性(ASTM-E84) | |
| 被处理的放射松红橡木未处理的放射松 | 145％-250％140-200％550lb-850lb | 560-800590-675350-600 | MOR14,300lb/in2MOE1,400,000lb/in2MOR13,900lb/in2MOE1,640,000lb/in2MOR11,700lb/in2MOE1,480,000lb/in2 | ＜0.4ppm＜0.4ppm＜0.4ppm | 切向1.1％径向0.7％切向1.8-2.9％径向0.9-1.5％切向N/A径向N/A | B类SFI-40SDI-45C类SFI-100SDI-100N/A |
实施例7
该实施例描述了将树脂3施用至纤维素材料。将1kg的金属化阴离子染料和3kg的四水合八硼酸二钠(DOT)加入到100kg的树脂3中。将放射松的实心碎片放入高压釜中。将-26英寸汞柱(-660.4mmHg)的真空应用于高压釜的内部30分钟。在30分钟之后，将树脂3注入高压釜内部，使得完全接触其中每片木材的外表面。然后通过高压泵泵送溶液，从而使高压釜中的压力增加至130-150psi。被处理的木材在95-100℃下通过烘箱干燥48-60小时。发现该板的Janka硬度比用没有DOT的树脂3溶液处理的板高10-20％。
实施例8
该实施例描述了将树脂3施用至纤维素材料。将1/16的黄桧胶合板碎片放入高压釜中。将-26英寸汞柱(-660.4mmHg)的真空应用于高压釜的内部30分钟。在30分钟之后，将树脂3注入高压釜内部，使得完全接触其中每片木材的外表面。然后通过高压泵泵送溶液，从而使高压釜中的压力增加至130-150psi。然后处理后的胶合板在95-100℃下通过烘箱干燥24-36小时。此后将胶合板叠置，制成20层的LVL(层压胶合板材)。与黄松木材0.46g/cc的密度、50％的吸水率和3.8％的体积膨胀相比，LVL具有0.72的密度、9.2％的吸水率、0.5％的体积膨胀率。
已经参考一些示例性实施方式描述了本发明。本领域的普通技术人员将了解：本发明的范围不限于所公开的实施方式列举的那些特征。
Claims (65)
1.一种用于形成纤维素产品的组合物，包括有效量的由脲与二醛反应产生的5元环化合物、6元环化合物或者其组合。
2.根据权利要求1所述的组合物，包括二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲或者其组合。
3.根据权利要求1所述的组合物，进一步包括羟甲基三聚氰胺。
4.根据权利要求1所述的组合物，进一步包括交联剂。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述化合物具有通式：
式中，R独立地为H、脂肪族基团、CH(OH)CHO、或者其组合，Y为氧或者硫。
6.根据权利要求5所述的组合物，其中Y为氧。
7.根据权利要求5所述的组合物，其中R独立地为氢或者低级脂肪族基团。
8.根据权利要求5所述的组合物，其中Y为氧，并且R独立地为氢或者低级烷基。
9.根据权利要求1所述的组合物，进一步包括麦芽糖糊精。
10.根据权利要求9所述的组合物，其中所述麦芽糖糊精具有4～约25的DE。
11.根据权利要求1所述的组合物，包括水性溶剂、有机溶剂或者其组合。
12.根据权利要求1所述的组合物，进一步包括表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂或者其组合。
13.根据权利要求12所述的组合物，其中所述三烷醇胺是低级烷基的三烷醇胺。
14.根据权利要求13所述的组合物，其中所述三烷醇胺是三乙醇胺。
15.根据权利要求12所述的组合物，其中所述防腐剂是硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物、金属唑或者其组合。
16.根据权利要求12所述的组合物，其中所述防腐剂是苯甲酸钠、铬化的砷酸铜、二癸基二甲基碳酸铵、二癸基二甲基碳酸氢铵、季铵铜化合物、铜硼唑、铜唑、酸性铬酸铜、柠檬酸铜、硼酸钠、硼酸锌或者其组合。
17.根据权利要求12所述的组合物，其中所述硬度增强剂是纳米粘土、硅酸盐、无机盐、硼酸盐或者其组合。
18.根据权利要求12所述的组合物，其中所述美观材料是染料、颜料或者其组合。
19.根据权利要求1所述的组合物，包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE为4～约25的麦芽糖糊精、以及辅助添加剂，所述辅助添加剂选自表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂或者其组合。
20.根据权利要求1所述的组合物，包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE为4～约12的麦芽糖糊精、表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、硬度增强剂、阻燃剂和美观材料，所述防腐剂选自硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物、金属唑或者其组合；所述硬度增强剂选自纳米粘土、硅酸盐、无机盐、硼酸盐或者其组合。
21.一种纤维素产品，包括纤维素材料和有效量的组合物，所述组合物最初包括由脲与一种或多种二醛反应产生的5元环化合物、6元环化合物或者其组合。
22.根据权利要求21所述的产品，包括二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲或者其组合。
23.根据权利要求21所述的产品，进一步包括羟甲基三聚氰胺。
24.根据权利要求21所述的产品，其中所述组合物进一步包括交联剂。
25.根据权利要求21所述的产品，其中所述化合物具有通式：
式中，R独立地为H、脂肪族基团、CH(OH)CHO、或者其组合；Y为氧或者硫。
26.根据权利要求25所述的产品，其中Y为氧。
27.根据权利要求25所述的产品，其中R为低级脂肪族基团。
28.根据权利要求25所述的产品，其中R为低级烷基，并且Y为氧。
29.根据权利要求21所述的产品，其中所述组合物进一步包括DE为约4～约25的麦芽糖糊精。
30.根据权利要求21所述的产品，其中所述产品、组合物或者两者进一步包括表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂或者其组合。
31.根据权利要求30所述的产品，其中所述三烷醇胺是低级烷基的三烷醇胺。
32.根据权利要求30所述的产品，其中所述防腐剂是硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物、金属唑或者其组合。
33.根据权利要求30所述的产品，其中所述硬度增强剂是纳米粘土、硅酸盐、无机盐、硼酸盐或者其组合。
34.根据权利要求30所述的产品，其中所述美观材料是染料、颜料或者其组合。
35.根据权利要求21所述的产品，其中所述组合物包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE为约4～约25的麦芽糖糊精。
36.根据权利要求35所述的产品，进一步包括辅助添加剂。
37.根据权利要求21所述的产品，其中所述产品、组合物或者两者包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE为约4～约12的麦芽糖糊精、表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、硬度增强剂、阻燃剂和美观材料，所述防腐剂选自硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物、金属唑、或者其组合；所述硬度增强剂选自纳米粘土、硅酸盐、无机盐、硼酸盐或者其组合。
38.根据权利要求21所述的产品，包括在其上施用组合物或者用组合物基本浸渍的木材，所述组合物包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺以及DE为约4～约25的麦芽糖糊精。
39.根据权利要求38所述的产品，进一步包括辅助添加剂。
40.根据权利要求21所述的产品，包括在其上施用组合物或者用组合物基本浸渍的木材，所述组合物包括有效量的由脲与二醛反应产生的5元环化合物、6元环化合物或者其组合，所述一种或多种化合物具有以下通式：
式中，R独立地为H、脂肪族基团、CH(OH)CHO、或者其组合，所述组合物还包括羟甲基三聚氰胺、麦芽糖糊精以及辅助添加剂，所述辅助添加剂选自表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂或者其组合。
41.一种木材产品，其具有基本上完全渗透所述产品的整个横截面的染料。
42.根据权利要求41所述的木材产品，进一步包括组合物，所述组合物最初包括二羟基乙撑脲、二羟基丙醇脲、甘脲或者其组合。
43.一种用于制备纤维素产品的方法，包括：
提供组合物，所述组合物包括有效量的5元环化合物、6元环化合物或者其组合，该化合物由脲与二醛或二醛的组合反应而得到；以及
将所述组合物施用于纤维素材料。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述组合物最初包括二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲或者其组合。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述组合物包括羟甲基三聚氰胺。
46.根据权利要求44所述的方法，其中所述组合物进一步包括交联剂。
47.根据权利要求43所述的方法，其中所述一种或多种化合物具有以下通式：
式中，R独立地为H、脂肪族基团、CH(OH)CHO、或者其组合；Y为氧或者硫。
48.根据权利要求47所述的方法，其中Y为氧。
49.根据权利要求47所述的方法，其中R为低级脂肪族基团。
50.根据权利要求47所述的方法，其中R为低级烷基，Y为氧。
51.根据权利要求47所述的方法，其中所述组合物最初进一步包括DE为约4～约25的麦芽糖糊精。
52.根据权利要求43所述的方法，其中所述组合物进一步包括表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂或者其组合。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述三烷醇胺是低级烷基的三烷醇胺。
54.根据权利要求52所述的方法，其中所述防腐剂是硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物、金属唑或者其组合。
55.根据权利要求52所述的方法，其中所述防腐剂是苯甲酸钠、铬化的砷酸铜、二癸基二甲基碳酸铵、二癸基二甲基碳酸氢铵、季铵铜化合物、铜硼唑、铜唑、酸性铬酸铜、柠檬酸铜、硼酸钠、硼酸锌或者其组合。
56.根据权利要求52所述的方法，其中所述硬度增强剂是纳米粘土、硅酸盐、无机盐、硼酸盐或者其组合。
57.根据权利要求52所述的方法，其中所述美观材料是染料、颜料或者其组合。
58.根据权利要求43所述的方法，其中所述组合物最初包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE为约4～约12的麦芽糖糊精。
59.根据权利要求58所述的方法，其中所述组合物最初进一步包括辅助添加剂，所述辅助添加剂选自表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂或者其组合。
60.根据权利要求43所述的方法，其中所述组合物包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE为4～约25的麦芽糖糊精、表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、硬度增强剂、阻燃剂和美观材料，所述防腐剂选自硼酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、羧酸盐、胺氧化物、胺乙氧基化物、金属唑、或者其组合；所述硬度增强剂选自纳米粘土、硅酸盐、无机盐、硼酸盐或者其组合。
61.根据权利要求43所述的方法，其中所述组合物包括有效量的二羟基乙撑脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺、DE为4～约12的麦芽糖糊精以及辅助添加剂，所述辅助添加剂选自表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂及其组合；并且所述施用包括将板产品基本浸渍在所述组合物中。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述板产品具有一英寸的厚度，所述基本浸渍包括浸渍大约3/4英寸的横截面。
63.根据权利要求62所述的方法，其中所述施用包括将板产品基本浸渍在高压釜内的所述组合物中；以及将高压釜中的压力增加至高于环境压力。
64.一种用于制备板产品的方法，包括：
提供板产品；以及
将染料施用于板产品，从而在所述产品的整个横截面基本完全地提供染料。
65.根据权利要求64所述的方法，进一步包括利用组合物来施用所述染料，所述组合物包括有效量的二羟基乙撑脲、甘脲、二羟基丙醇脲、羟甲基三聚氰胺以及DE为4～约25的麦芽糖糊精以及辅助添加剂，所述辅助添加剂选自表面活性剂、三烷醇胺、防腐剂、阻燃剂、美观材料、硬度增强剂及其组合。
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