CN101365584A - 含有竹的板 - Google Patents
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Abstract
一种复合板,它包括竹条和来自一种或多种木材的条的混合物。所述复合板通过使竹条与常规木条混合来获得。所述竹条可插入木材复合材料之间或者所述竹条只集中在所述表面层中,它们在那里更直接地提高所述材料的强度。竹条可以是0.01-0.15英寸厚且几英寸长。干燥所述竹条并用异氰酸酯树脂涂覆,然后与木条混合。所述复合物可包括其它添加剂。
Description
发明背景
竹由于它的高强度、耐久性和极佳的尺寸稳定性,以及其方便供应和迅速补充,是一种在全亚洲广泛用作建筑材料的木质纤维素材料。竹生长非常迅速,在2-6年内达到完全成熟,而即使是生长最快的树木也需要15-30年才能生长成熟。
[0003]然而,竹除了这些优点外,也存在许多缺点。因为竹是中空的,不能加工成实心板材或厚板;采用制造木质复合材料的常规技术进行加工也不容易。处理后的竹在水分存在时还会发生过度溶胀,这对用于结构目的的材料是一个显著的缺陷。
[0004]此外,虽然竹具有高强度部分是因为其高密度,但是高密度也意味着基于竹的材料常常是很重的。
[0005]尽管存在这些缺点,但是因为竹的方便来源和优良的性能特性,制造商已开发了一些技术,由竹制造木质复合材料。例如,复合竹制结构板是通过手工将竹茎的外层部分或表面切割成竹条,然后将竹条编织(通常又是手工)成垫子而制成。然后将这些手工切割、手工编织的竹垫与几个其它类似的垫子一起堆叠,然后在高温下将这些垫子一起压制。
[0006]这种制造竹板的方法的问题是费时;切割竹条和然后将竹条编织成垫子形式的步骤需要花费相当多的时间。这些加工不仅仅耗时,而且它们可能会对终板产品造成严重的缺陷。上述方法的另一个缺点是因为竹板是由大量竹层组成,因此每层都需要非常高剂量的树脂,在高石油价格时期,这会极大增加产品的价格。此外,这种方法一点都未能降低竹制材料的重量。
[0007]在上述背景技术的情况下,本领域存在对加入了竹但又缺陷较少、重量比100%竹板相对较轻、在与水接触时不容易发生溶胀和消耗石油基产品较少的结构板材的需求。
发明概述
[0008]本发明涉及一种包含竹条和木条的板材。
发明详述
[0009]除非另外规定,本文采用的所有份、百分比和比率均以重量表示。本文引用的所有文件均以其全文纳入本文作参考。
[0010]本文采用的“木质纤维素材料”是指一种细胞结构,具有通过木质素聚合物结合到一起的纤维素和半纤维素纤维组成的细胞壁。木材和竹子都是一种木质纤维素材料。
[0011]“木材复合材料”或“木材复合部件”指包含木质纤维素材料和一种或多种其他添加剂如粘合剂或蜡的复合材料。木材复合材料的非限制性例子包括:结构复合木材(“SCL”)、华夫刨花板(waferboard)、刨花板(particleboard)、硬纸板(chipboard)、中密度纤维板、胶合板(plywood),和条(strand)和层片单板的复合物木板。认为本文采用的“片“、“条”和“华夫刨花(wafer)”彼此等同和可以互换使用。木材复合材料的非排它性描述可以参见《可克-欧诗玛化学技术百科全书(Kirk-Othmer Encyclopedia of ChemicalTechnology)》的增补卷,第765-810,第6版,以其全文纳入本文作参考。
[0012]下面描述本发明的优选实施方式,其提供了一种复合板材,该板材包括竹条和来自一种或多种木材的木条的混合物。所述复合板材是通过将竹条与常规木条混合制备的。如下面详细论述的,竹条可以混合在木材复合材料的所有层中,或者仅集中在表面层,更直接利用提高材料的强度。因此,本发明的复合材料具有竹子的许多优点如强度,同时还具有较轻和更高的耐水损坏和耐水溶胀性。
[0013]像木材一样,竹的基本组成部分是通过木质素聚合物结合到一起的纤维素纤维,但竹的组成细胞的构造和形态与其它木材不同。通常,竹的大部分强度特性(拉伸强度、挠曲强度和刚性)在竹和竹纤维纵向最大。这是由于纤维素纤维在纵向的微纤丝角度相对较小。竹茎本身的硬度取决于竹纤维束的密度和它们的分离方式。在竹茎纵向或竹茎横截面中的纤维百分比不一致。在纵向,纤维密度从茎底到茎顶增加,而竹茎横截面中的纤维密度在接近外表面处最高,随着深入该材料的芯而减小。
[0014]本发明中,优选切割的竹条的厚度小于约0.2英寸,如小于0.15英寸,如约0.01-0.15英寸;宽度大于约0.1英寸,如大于约0.15英寸,如大于约0.5英寸。切割可以手工或用机械化的修剪设备进行。为提高强度,应沿纵轴切割竹条,竹条长度优选大于约2英寸,如约3英寸,约5英寸。虽然并不希望受理论的束缚,但是认为,在使用盘式线材定向机(disk strand orienter)将竹条定向时,竹条的长度越长,能使竹条更紧密地对齐,并且不希望受理论束缚,认为越紧密对齐的竹条能使制成的木材复合板产品提高沿纵轴的弹性模量。
[0015]切割竹条后,对竹条进行干燥(如下所述)并涂布异氰酸酯聚合物树脂。以竹条的重量为基准,异氰酸酯树脂的粘合剂浓度约为2-12重量%。可以使用一种或多种异氰酸酯粘合剂树脂,优选的异氰酸酯选自下组:二苯甲烷-对,对’-二异氰酸酯类的聚合物,所述聚合物具有能与其它有机基团反应形成聚合物基团如聚脲,-NCON-,和聚氨酯,-NCOON-的NCO-官能团;优选含有约50重量%的4,4-二苯甲烷二异氰酸酯(“MDI”)的粘合剂或有其它异氰酸酯低聚物(“pMDI”)的混合物。合适的工业pMDI产品是购自犹他州盐湖城的猎人公司(Huntsman)的Rubinate 1840和宾夕法尼亚州匹兹堡市的北美拜耳公司(Bayer Corporation,North America)的Mondur 541。苯酚-甲醛(“PF”)、三聚氰胺-甲醛、三聚氰胺-脲-甲醛(“MUF”)、脲-甲醛、聚乙酸乙烯酯(“PVA”)和其共聚物也适用。合适的工业MUF粘合剂是黛尼公司(Dynea corporation)的LS 2358和LS 2250产品。
[0016]通常使用蜡添加剂来提高竹条抗水分渗透性。优选的蜡是疏松石蜡或乳化蜡。蜡的固含量优选为约0.1-3.0重量%(以竹条的重量为基准)。
[0017]本发明中所用竹子与从纯的或混合的自然形成的硬质木或软质木上切割的木条混合,无论这类木材是干燥的(水分含量为2-12重量%)或原生的(green)(水分含量为30-200重量%)。合适的软木和硬木物种包括:雪松、松树、冷杉、白杨、橡树、枫树以及其他树种。通常,将新的或回收的原木原料切割成本领域普通技术人员熟知的所需大小和形状的条、薄片或片。竹条和硬木/软木条各自单独干燥,并涂覆聚合物树脂粘合剂,在单独的涂覆步骤之后,将涂覆的硬木/软木条与涂覆的竹条混合在一起。
[0018]施涂于木材的粘合剂树脂和其他各种添加剂在本文中称为涂料,即使粘合剂和添加剂是细小颗粒形式,如不会在木材上形成连续涂层的雾化颗粒或固体颗粒。通常,通过一种或多种喷雾、掺混或混合技术将所述粘合剂、蜡和任何其它添加剂施涂于木材,优选技术是当木条在鼓式掺混器中翻滚时将蜡、树脂、杀真菌剂和其它添加剂喷射到木条上。
[0019]用所需涂料和处理化学品涂布和处理后,这些涂覆条可用来形成多层垫,优选3层垫,然后,将所述垫压制成复合木材组件。用以下方式完成所述成层。将涂覆片在传送带上铺开形成片的取向基本上与传送带呈一直线或与之平行的第一片或层,然后将第二片置于第一片上,第二片层的片的取向基本上与传送带垂直。最后,将第三片置于第二片上,第三片层的片的取向与第一片类似,基本上与传送带呈一直线,使得以这种方式堆叠的片层的各片的取向通常与邻片层垂直。或者,但较不优选,所有片层的各条取向为任意方向。可以采用公知多通道技术和条取向设备沉积多个片或层。在3片或3层垫的情况下,第一和第三片是表面层,而第二片是芯层。所述各表面层具有外表面。
[0020]还可以在不同的相对方向上完成上述实例,从而第一片层的片的取向基本上与传送带垂直,然后,第二片置于第一片上,第二片层的片的取向基本上与传送带平行。本发明中,形成的板的纵向侧边与传送带平行,从而使取向基本上平行于传送带的片基本上按照平行于传送带排列取向,以基本上平行于最终木板产品的纵向边缘结束。最后,将具有取向基本上垂直于传送带的薄片的第三片(与第一片类似)置于第二片上。
[0021]本发明的一个重要方面是将竹条分布在整个木板中。竹条均匀分布在整个木板中,位于所有三层中。或者,竹条可以只在表面层中。当竹条只位于表面层时,竹条的作用是要影响表面层的基本性质和新的性质,如强度和材料重量。[此句是用于法律目的]
[0022]根据上述方法形成多层垫后,在热压机下将它们压制,使木材、粘合剂和其它添加剂熔合和粘合到一起,形成各种厚度和尺寸的压实OSB板。高温还会使粘合剂材料固化。优选将本发明的板在约175-240℃的温度下压制2-15分钟。OSB板的厚度约为0.6cm(约1/4英寸)-5cm(约2英寸),如约1.25-6cm,如约2.8-3.8cm。
实施例
[0023]按照现有技术和本发明如下制备复合板材。在CAE盘式刨片机上切割竹条,竹条的尺寸约为0.032英寸×3英寸×6英寸。在常规条件下制备松木薄片,尺寸为0.032英寸×3英寸×5英寸。然后,以75:25,50:50和25:75的松木与竹条的比例(参见下面表I),将竹条与松木薄片混合在一起。下面的表中,应注意到竹条是否是分布在整个材料中,或者竹条只在表面层中。在各种情况,芯占复合板材重量的40%,而表面层占60%。使用的树脂浓度为5%MDI,同时蜡浓度为1.5%。在200+PSI下,于400℉压制板材175秒,达到44pcf的目标密度和3/4英寸的目标厚度。
[0024]按照ASTM D 1037规定的方案,对标题木材复合物测试板材的性能特性。这些性能特性包括在平行方向和垂直方向的弹性模量(“MOE”,是板的刚性的测量)(然后,对测量结果取平均);在平行方向和垂直方向的断裂模量(“MOR”,是对板强度的测量)(然后,再次对测量结果取平均);1英寸厚度的溶胀和边缘溶胀。
[0025]测量结果如下。
表I
松树/竹的比例 | 厚度溶胀(在1英寸处) | 边缘溶胀 |
100/0 | 5.2 | 9.2 |
75/25 | 5.4 | 9.8 |
50/50 | 4.1 | 8.4 |
25/75 | 3.8 | 7.3 |
0/100 | 8.3 | 11.3 |
100/0 | 5.2 | 9.2 |
[0026]由表I可以知道,添加松木很大程度地降低了完全是竹的板发生的溶胀量。实际上,使用松树木条和竹条的平均混合物时能达到最佳性能。获得的测量值略有不同,取决于测量是在边缘还是按照ASTM D 1037要求在向样品内部方向距边缘1英寸处测量的,但是对两种测量方法,总体趋势完全相同。
表II
样品的平均MOE
松木/竹的比例 | 分布在整个材料中的竹条 | 只在表面层中的竹条 |
100/0 | 848307 | 848307 |
75/25 | 896859 | 876046 |
50/50 | 935900 | 917397 |
25/75 | 1109851 | 1034548 |
0/100 | 1117454 | --- |
表III
样品的平均MOR
松木/竹的比例 | 分布在整个材料中的竹条 | 只在表面层中的竹条 |
100/0 | 5625 | 5625 |
75/25 | 3990 | 4351 |
50/50 | 6070 | 6503 |
25/75 | 6891 | 6538 |
0/100 | 7923 | --- |
[0027]由表II和表III可以知道,与100%的松树木条的板的强度相比,添加竹,由竹条和松树木条的混合物形成板显著提高了板的强度。这由MOE和MOR测量得到证实。
[0028]本领域那些技术人员将意识到,在不偏离本发明主要发明原理的情况下,可以对上述实施方式作出改变。因此,应该理解,本发明不限于所公开的具体实施方式,而其意图是包括所附权利要求书所限定的本发明精神和范围内的各种修改。
Claims (10)
1.一种板,该板包含竹条和木条。
2.如权利要求1所述的板,其特征在于,所述板包含约25-75%的竹条和约75-25%的木条。
3.如权利要求1所述的板,其特征在于,所述板包括上表面层、下表面层和芯层,所述竹条只位于上表面层和表面层。
4.如权利要求1所述的板,其特征在于,所述板包括上表面层、下表面层和芯层,所述上表面层和下表面层主要由竹条和木条组成,芯层主要由木条组成。
5.如权利要求1所述的板,其特征在于,所述木条选自下组:雪松、松树、冷杉、白杨、橡树和枫树。
6.如权利要求1所述的板,其特征在于,所述木条是松树木条。
7.如权利要求1所述的板,其特征在于,所述板为OSB形式。
8.一种板,该板包含:(1)约25-75%竹条,(2)约75-25%松树木条和(3)粘合剂树脂。
9.如权利要求8所述的板,其特征在于,所述粘合剂树脂是异氰酸酯树脂。
10.如权利要求1所述的板,其特征在于,所述板包含约25-75%的竹条和约75-25%的木条,所述板包括上表面层、下表面层和芯层,所述上表面层和下表面层主要由竹条和木条组成,芯层主要由木条组成。
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