CN105839437B - 纸产品以及用于制造该产品的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于造纸的纤维素或木质素纤维素材料的生产方法，包括用电离辐射处理具有第一平均分子量的纤维素或木质素纤维素干原料，并控制电离辐射的剂量以使得该原料的平均分子量降低到预定水平。经照射的纸产品的生产方法，包括电离辐射处理纸产品，该纸产品包含具有第一分子量的第一含碳水化合物材料，并控制该电离辐射的剂量以提供经照射的纸产品，该经照射的纸产品包含具有高于第一分子量的第二分子量的第二含碳水化合物材料。生产了纸浆和纸产品。

Description

纸产品以及用于制造该产品的方法和系统
本申请是申请日为2009年4月28日、申请号为200980122443.5、发明名称为“纸产品以及用于制造该产品的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于制备纸产品的方法和系统，以及通过该方法和系统生产的产品。
背景技术
本文中使用的术语“纸”指的是用于书写、印刷、包装和其它应用的很多种基于纤维素的片状材料。纸可以用于例如但不限于以下应用：作为纸币、银行票据、股票和债券、支票等；用于书籍、杂志、报纸和艺术品；用于包装，例如卡纸、瓦楞纸板、纸袋、信封、包装用薄页纸、盒子；用于家用产品例如卫生纸、薄纸、纸巾和餐巾纸；在复合材料中用作芯材的纸蜂窝；建筑材料；建筑用纸；一次性衣物；以及用于多种工业用途中，包括砂纸、沙纸、吸墨纸、石蕊试纸、通用试纸、纸色谱、电池隔板和电容器电介质。
纸通常通过如下方法生产：将纤维素材料制浆以形成含有纤维素纤维的纸浆，将纤维素纤维混合(amalgamate)以形成湿纸幅(wet web)，并将湿纸幅干燥。在成品纸中，纤维通过机械连结和氢键结合在一起。制浆可以通过多种方式完成，例如：使用化学方法(例如硫酸盐工艺)、机械方法(磨木浆)，或热机械方法(TMP)。混合和干燥步骤通常使用高速造纸机进行。
最常见的纤维素纤维来源是来自于树木的木浆。纸浆也来自于回收(“再循环”)的纸。也使用植物纤维材料，例如棉、大麻、亚麻(linen)和稻。其它非木纤维来源包括但不限于甘蔗、甘蔗渣、稻草、竹子、洋麻、黄麻、亚麻(flax)和棉。可以将多种合成纤维(例如聚丙烯和聚乙烯)以及其它成分例如无机填料加入纸中，作为赋予期望的物理性能的手段。
对于很多应用，期望的是纸具有高强度和抗撕性能，即使是很薄的纸张，例如当纸用于包装、用于工业应用、用作钞票以及用于需要强度和耐久性的其它应用中时。通常还期望纸具有良好的适印性特征，具体特征在某种程度上取决于其中将要使用纸的印刷方法。
发明内容
本发明部分地基于如下发现：通过以合适的水平照射纤维材料，可以有利地改变纤维材料的物理特征。例如，可以改变材料的至少纤维素部分的分子量、交联水平、接枝点和/或官能团。此外，可以有利地影响纤维材料的物理特性例如抗拉强度和剪切强度。相对较高的电离辐射剂量可以用于降低纤维材料的至少纤维素部分的分子量，帮助纤维材料向适合用于造纸的纸浆的转化。相对较低的电离辐射剂量可以用于提高纸产品的分子量，增强其抗拉强度和其它力学特性。电离辐射也可以用于控制纤维材料的官能化，即该材料上或材料中存在的官能团。
一方面，本发明在于用于造纸的纤维素或木质素纤维素材料的生产方法。一些方法包括用至少2.5MRad的电离辐射处理具有第一平均分子量的纤维素或木质素纤维素干原料以将该原料的平均分子量降低到预定水平。选择该预定水平以使得经处理的原料适合用作或者适合形成造纸工艺中的纸浆。
一些实施方案包括一个或多个以下特征。该方法进一步包括使经处理的原料经受制浆工艺。该方法进一步包括使经处理的原料经受机械分解工艺。该方法可以进一步包括向经处理的原料施加声能。
在某些实施方案中，原料可以包括木屑，并且电离辐射的剂量可以为约2.5至约10MRad。处理可以包括用γ射线照射和/或用电子束辐射照射。在某些实施方案中，电子束中的电子可以具有至少0.25MeV的能量。
另一方面，本发明在于经照射的纸产品的制造方法。一些方法包括用电离辐射处理纸产品，该纸产品包含具有第一分子量的第一含碳水化合物材料，以提供经照射的纸产品，该经照射的纸产品包含具有高于第一分子量的第二分子量的第二含碳水化合物材料。
另一方面，本发明在于将经照射的纸产品淬火。该纸产品包含第一含碳水化合物材料，其被至少0.10MRad的电离辐射照射以提高该纸产品的分子量。
再一方面，本发明包括用至少0.10MRad的电离辐射照射包含第一含碳水化合物材料的纸产品，以提高该纸产品的分子量，然后将经照射的纸产品淬火。
一些实施方案包括一个或多个以下特征。电离辐射的剂量可以为至少0.10MRad，例如至少0.25MRad。可以将电离辐射的剂量控制在约0.25至约5MRad的水平。处理可以包括用γ射线和/或用电子束辐射进行照射。电子束中的电子可以具有至少0.25MeV的能量，例如约0.25MeV至约7.5MeV。该方法可以进一步包括将经处理的纸产品淬火。例如，淬火可以在气体的存在下进行，选择该气体以与经处理的纸产品中存在的游离基(radical)反应。
又一方面，本发明在于经照射的纸产品的制造方法，该方法包括用电离辐射处理含碳水化合物的纸浆材料，以提高含碳水化合物的纸浆材料的平均分子量。
这些方法的一些实施方案可以包括一个或多个以下特征。处理可以发生在纸产品的形成过程中。“形成”可以包括将纸浆材料混合成湿纸幅。处理可以在湿纸幅上进行或者可以在形成湿纸幅之前进行。“形成”可以进一步包括将湿纸幅干燥，并且处理可以发生在干燥之后。
另一方面，本发明在于纸，该纸包含经照射的木质素纤维素材料，其中经照射的木质素纤维素材料包括至少约2重量％的木质素，例如至少约2.5、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0或至少约10.0重量％的木质素。
在一些情况下，经照射的木质素纤维素材料包括交联，该交联发生在经照射的木质素纤维素材料的至少木质素部分中。
本发明还在于造纸的方法，该方法包括将纤维素或木质素纤维素材料与木质素组合，并由该组合形成纸。本发明还在于由通过将纤维素或木质素纤维素材料与木质素组合提供的前体形成纸。
在一些情况下，纤维素或木质素纤维素材料已经过照射，和/或该组合已经过照射，并然后形成纸，和/或照射形成的纸。在一些情况下，该前体已经过照射。
本发明还在于例如使用本文中所述的方法通过照射纤维素和木质素纤维素材料形成的纸浆和纸产品。
一方面，本发明在于包含经处理的纤维素或木质素纤维素纤维材料的纸浆材料，所述纤维材料具有小于500,000的平均分子量并且含有用于获得经处理材料的天然存在的纤维素或木质素纤维素纤维材料中不存在的官能团。例如，在一些实施方案中，该官能团包括烯醇基团和/或羧酸基团或其盐或酯。该官能团也可以选自醛基、亚硝基、腈基、硝基、酮基、氨基、烷基氨基、烷基、氯代烷基、氯氟烷基和羧酸基团。在一些情况下，天然存在的纤维素或木质素纤维素纤维材料可以包括木屑。在一些情况下，纸产品由纸浆材料形成。
另一方面，本发明在于包含经处理的纤维素或木质素纤维素纤维材料的纸产品，该经处理的纤维素或木质素纤维素纤维材料含有用于获得经处理材料的天然存在的纤维素或木质素纤维素纤维材料中不存在的官能团。
纤维素或木质素纤维素材料可以选自废纸、木材、碎料板、锯屑、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉、黄麻、大麻、亚麻(flax)、竹子、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米芯、玉米秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰毛、棉、海草、藻类及其混合物。
另一方面，制造纤维素或木质素纤维素材料包括用电离辐射将纤维素或木质素纤维素材料照射到选定的温度；将经照射的材料冷却到选定的温度以下；并将冷却的材料再次用电离辐射照射。
在一些实施方案中，纤维素或木质素纤维素材料包括纸产品和/或用于纸浆生产的起始材料。
另一方面，制造纸产品包括用涂料或染料对经照射的纤维素材料进行表面处理。
另一方面，制造纸产品包括将材料接枝到经过照射的纤维素材料的接枝点上，以提供具有多个接枝点的官能化纤维素材料。
另一方面，制造纸产品包括照射纤维素材料以提供具有多个接枝点的官能化纤维素材料，并将材料接枝到接枝点上。
在一些实施方案中，接枝到接枝点上的材料包括反应性染料。
另一方面，制造纸产品包括照射纤维素材料和接枝剂的组合，以使得接枝剂结合到纤维素材料上。
在一些实施方案中，接枝剂共价结合到纤维素材料上。
另一方面，处理纸或纸前体包括形成多个带负电的离子；将所述带负电的离子加速到第一能量；从所述带负电的离子的至少一些中去除多个电子以形成带正电的离子；将带正电的离子加速到第二能量；并引导带正电的离子入射到纸或纸前体上。
另一方面，处理纸或纸前体包括生成多个带电粒子；通过引导各个带电粒子多次通过加速器腔而将带电粒子加速，所述加速器腔包含依时电场；并将纸或纸前体暴露于经加速的带电粒子。
另一方面，处理纸或纸前体包括生成多个带电粒子；通过引导带电粒子要么通过包含不同电势的多个电极的加速腔要么通过包含多个波导的加速器而将所述多个带电粒子加速，其中各个波导具有电磁场；并将纸或纸前体暴露于经加速的带电粒子。
本文中使用的术语“干原料”指的是具有小于25％的水分含量的原料(例如木屑或其它纤维素或木质素纤维素纤维材料)。
以下各个美国专利申请的全部公开内容在此通过引用纳入本文：美国临时申请No.61/049,391；61/049,394；61/049,395；61/049,404；61/049,405；61/049,406；61/049,407；61/049,413；61/049,415；和61/049,419，均提交于2008年4月30日；美国临时申请No.61/073,432；61/073,436；61/073,496；61/073,530；61/073,665；和61/073,674，均提交于2008年6月18日；美国临时申请No.61/106,861，提交于2008年10月20日；美国临时申请No.61/139,324和61/139,453，均提交于2008年12月19日；以及美国专利申请No.12/417,707；12/417,720；12/417,840；12/417,699；12/417,731；12/417,900；12/417,880；12/417,723；12/417,786以及12/417,904，均提交于2009年4月3日。
在本文中所公开的任何方法中，辐射可以从坑室(vault)中的设备施加。
除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的技术人员通常所理解的相同的含义。尽管在本发明的实践或测试中可以使用与本文中所述的方法和材料类似或等价的方法和材料，但是下面说明了合适的方法和材料。所有提及的出版物、专利申请、专利和其它参考文献在此通过引用全部纳入本文。在冲突的情况下，本说明书(包括定义)将优先。此外，材料、方法和实例仅仅用于举例说明而不用于限制。
从以下详细说明和权利要求将会明了本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1A是制浆系统的示意图。图1B是图1A中所示的制浆系统的预处理子系统的示意图。
图2是造纸系统的示意图。
图3是说明改变纤维材料的分子和/或超分子结构的图。
图4是容纳在混凝土坑室中的γ线照射器的透视剖视图。
图5是图4的区域R的放大透视图。
图6是DC加速器的示意图。
图7是用于对液体介质中的纤维素材料的工艺物流进行声处理的系统的示意图。
图8是具有连接到单个喇叭上的两个换能器的超声发生器的示意图。
图9是混合型电子束/声处理设备的侧面剖视示意图。
图10是场电离源的示意图。
图11是静电离子分离器的示意图。
图12是场电离发生器的示意图。
图13是热离子发射源的示意图。
图14是微波放电离子源的示意图。
图15是循环加速器的示意图。
图16是静电加速器的示意图。
图17是动态(dynamic)线性加速器的示意图。
图18是van de Graaff加速器的示意图。
图19是折叠式串列式加速器的示意图。
具体实施方式
如上所述，本发明部分地基于如下发现：通过以合适的水平照射纤维材料，即纤维素和木质素纤维素材料，可以改变纤维材料的至少纤维素部分的分子结构。例如，分子结构的改变可以包括纤维素部分的相区尺寸、平均分子量、平均结晶度、表面积、聚合、孔隙率、支化和接枝中任意一个或多个的改变。分子结构的这些改变可以反过来导致纤维材料所表现的物理特征的有利的改变。此外，可以有利地改变纤维材料的官能团。
例如，相对于照射之前的相同的性质，可以将以下性质提高10、20、30、40、50、75或者甚至100％：
纸和纸板的TAPPI T494om-06抗拉性能(使用拉伸设备的恒定速率)，包括抗拉强度和断裂长度；
纸的TAPPI Method T 414om-04内抗撕裂强度(Elmendorf型方法)；
纸的TAPPI Method T 403om-02破裂强度；以及
纸的TAPPI Method T 451cm-84弯曲性能(克拉克挺度)。
美国专利No.7,307,108、7,074,918、6,448,307、6,258,876、6,207,729、5,973,035和5,952,105以及多件专利申请(包括提交于2006年3月23日的“FIBROUS MATERIALSAND COMPOSITES,”PCT/US2006/010648，以及“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES，”美国专利申请公开No.2007/0045456)中记载了多种纤维素和木质素纤维素材料、它们的用途以及应用。上述文献在此通过引用全部纳入本文。纤维素或木质素纤维素材料可以包括例如废纸、木材、碎料板、锯屑、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉、黄麻、大麻、亚麻(flax)、竹子、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米芯、玉米秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰毛、棉、海草、藻类及其混合物。
相对较高的电离辐射剂量可以用于降低纤维材料的分子量，帮助纤维材料向适合用于造纸的纸浆的转化。因而，照射可以用来预处理原料，从而促进化学、机械或热机械制浆工艺，或者在某些情况下可以用于替代常规制浆工艺的至少一部分。相对较高的剂量也可以施加于纸产品或前体(例如湿纸幅)的选定区域，以形成其中纸被弱化的预定区域，例如用于形成撕裂区。
相对较低的电离辐射剂量可以在造纸工艺的一个或多个阶段施加和/或施加于成品纸产品，以便提高纸产品的分子量和交联水平。
电离辐射也可以用于控制纤维材料的官能化，即存在于材料上或材料中的官能团，它可以提高制浆过程中的溶解性和/或可分散性，并且可以有利地影响纸产品的表面性质，例如表面对涂料、墨水和染料的接受能力。
下面将详细讨论这些工艺中的每一个。
以上讨论的照射步骤可以以多种方式组合。包括照射的工艺的一些实例包括：
(a)仅用高剂量的电离辐射进行照射，以降低分子量并促进制浆。照射可以在制浆之前或者在制浆过程中进行。
(b)仅用低剂量的电离辐射进行照射，以提高分子量，并按常规方式制浆。照射可以在造纸工艺的任何阶段进行，或者在成品纸上进行。
(c)用高剂量的电离辐射进行照射，以降低分子量并促进制浆，然后用低剂量的辐射进行照射，以提高分子量。
(d)在有利地改变材料中存在的官能团的条件下进行照射。这可以在以上讨论的步骤之一中进行，或者作为独立的步骤，以下将详细讨论。
(e)用相对较高剂量的辐射照射纸或纸前体的选定区域，以形成预定的弱化区域。该步骤可以单独进行，或者与以上(a)-(d)中讨论的任何步骤组合。
(f)照射多次以获得给定的最终剂量，例如递送1MRad的剂量，重复10次，从而提供10MRad的最终剂量。这可以防止使受照射的材料过热，特别是如果该材料在各剂量之间进行冷却。
照射以降低分子量
电离辐射可以在制浆之前或者在制浆过程中以足以将起始材料转化成纸浆的剂量施加于适合用于造纸的纤维素或木质素纤维素纤维材料(例如木屑)。换言之，可以用照射来代替常规的制浆工艺(例如化学、机械和热机械制浆)，所述照射的电离辐射剂量被选择为将起始材料转化成纸浆或者有助于将起始材料转化成纸浆。
在这种情况下，选择该剂量，以使得将起始材料的分子量降低到与通过常规制浆对分子量的降低类似的程度。例如，在将木屑转化成纸浆的情况下，通常选择该剂量以将分子量从起始分子量(1百万或更大)降低到约20,000至500,000。最优剂量将取决于使用的原料，但是对于常规纸原料例如木基材料，该剂量将通常在10MRad至1000MRad例如25MRad至500MRad范围内。
有利地，在一些实施方案中，不需要像制浆工艺中通常所做的那样从纸浆中去除木质素。例如，如果在造纸工艺过程中或之后按如以下所述用提高分子量的低剂量电离辐射对纸进行照射，则是上述的情况。在这种情况下，残余的木质素实际上可以是有用的，因为木质素充当填料，有效地降低需要的纤维素材料的量，并可以通过低剂量辐射交联。
在其它实施方案中，不是用照射替代常规的制浆，而是可以在常规制浆工艺之前或者在常规制浆工艺过程中施加电离辐射，从而促进或强化制浆工艺。例如，可以在制浆工艺开始之前用相对较高剂量的电离辐射对木屑进行照射。如果需要，在照射后，可以在化学制浆之前使木屑经受机械工艺，例如进一步切削、剪切或粉碎。照射以及经照射原料的任选的机械制浆可以引发原料的分解，在一些情况下使得化学制浆可以在较不严苛的条件下进行，例如使用较少的化学品、较少的能量和/或较少的水。
电离辐射也可以用于纸回收工艺，以便将废纸再制浆，从而在再生纸的生产中用作起始材料。在这种情况下，将递送的电离辐射的剂量选择为足以在不有害地影响纸中的纤维素和/或木质素纤维素纤维的情况下将纸中的氢键和机械连结分解。电离辐射的剂量可以例如比起始材料是木屑时使用的剂量低约20％至30％。
图1A显示了用于将纤维素或木质素纤维素起始材料(在所示的实例中为原木)转化成适合用于造纸的纸浆的系统100。系统100包括进料制备子系统110、预处理子系统114、初步加工子系统118和后处理子系统122。进料制备子系统110以原始形式(例如原木)接收起始材料，并对起始材料进行物理制备以用于下游工艺(例如降低材料的尺寸并开始材料的均化)。在所示的实例中，这通过对原木的剥皮和切削而实现。具有大量纤维素和木质素纤维素组分的起始材料可以具有高的平均分子量和结晶度，这会使得难以制浆。
预处理子系统114从进料制备子系统110接收原料(例如木屑)，并通过例如降低平均分子量和结晶度以及改变原料的官能化的种类和程度而制备用于初步生产工艺的原料。在所示的实例中，这是通过用相对较高剂量的电离辐射照射然后通过线内(inline)声处理(声学)工艺而实现的。下面将详细讨论声处理。传送带将原料从进料制备子系统110运送至预处理子系统114。
如图1B所示，在预处理子系统114中，将原料用例如电子束发射器492照射，与水混合以形成浆料，并经受超声波能量的施加。如以上所讨论，对原料的照射改变原料的分子结构(例如降低平均分子量和结晶度)。将经照射的原料混合成浆料并向浆料施加超声波能量的操作进一步改变原料的分子结构。辐射和声处理的依次施加可以具有协同效应，该效应在于技术的组合获得对分子结构的与各技术自身能够有效获得的改变相比更大的改变(例如平均分子量和结晶度的降低)。不希望局限于理论，除了通过打断原料的纤维素和木质素纤维素组分的链段之间的分子间键而降低原料的聚合，照射还可以使得原料的总体物理结构更易碎。在将易碎的原料混合成浆料后，超声波能量的施加进一步改变分子结构(例如降低平均分子量和结晶度)并且还可以降低原料的颗粒尺寸。
将原料运送到预处理子系统中的传送带491将原料分配成多个进料物流(例如50个进料物流)，每一个物流引向独立的电子束发射器492。优选地，原料在其干燥状态下进行照射。例如，原料可以具有小于25％的水分含量，优选小于20％、小于15％或者小于10％。每个进料物流在独立的传送带上向相关的电子束发射器运送。每个照射进料传送带可以为约1米宽。在到达电子束发射器之前，可以在每个传送带上引起局部振动以使得干燥原料在传送带的截面宽度上均匀分布。
在一个实例中，配置电子束发射器492(例如Titan Corporation，San Diego，CA销售的电子束照射设备)从而以300kW的功率施加100千格雷(kilo-Gray)剂量的电子。电子束发射器是具有1米的扫描宽度的扫描电子束设备，以对应于传送带的宽度。在一些实施方案中，使用具有大的、固定的束宽度的电子束发射器。多种因素，包括传送带/电子束宽度、期望的剂量、原料密度和施加的功率，决定每天加工2,000吨干燥原料的工厂所需的电子束发射器的数量。
在一些实施方案中，从预处理系统中省略声处理。在一些实施方案中，用进一步的机械处理例如进一步的切削来替代声处理，或者用作声处理的补充。
在一些情况下，初步加工子系统118的输出可以直接用作纸浆，但是在其它情况下，该输出需要进一步处理，该处理由后处理子系统122提供。后处理子系统122提供对初步加工子系统的输出的化学制浆(例如，在所示的实例中为加压蒸煮和消化)。如果将要用纸浆生产的纸是漂白的，例如如果该纸是漂白的印刷纸，那么进行漂白步骤。对于用于非漂白纸的纸浆，可以省略该步骤。在一些实施方案中，后处理子系统122利用其它制浆工艺，例如热机械制浆，而不是化学制浆。如所示，在一些情况下，后处理子系统122可以生产待回收的经处理的水，以在其它子系统中用作工艺用水，和/或可以生产可燃废物，该废物可以用作生产蒸汽和/或电的锅炉的燃料。
照射以提高分子量
相对较低的电离辐射剂量可以使含碳水化合物的材料交联、接枝或者以其它方式提高其分子量，所述材料例如为纤维素或木质素纤维素材料(例如纤维素)。在一些实施方案中，纸产品或纸产品的前体的初始数均分子量(在照射之前)为约20,000至约500,000，例如约25,000至约100,000。照射后的数均分子量大于初始的数均分子量，例如大至少约10％、25％、50％、75％、100％、150％、200％、300％或者高达500％。例如，如果初始数均分子量在约20,000至约100,000范围内，那么在某些情况下照射后的数均分子量为约40,000至约200,000。
该新方法可以用于通过在造纸工艺的一个或多个选定的阶段施加辐射而有利地改变基于纤维素的纸的性质。在一些情况下，通过提高形成纸的纤维素纤维的强度，照射将改善纸的强度和抗撕性能。此外，用辐射处理纤维素材料可以对材料消毒，这可以降低纸促进真菌、霉菌等的生长的趋势。通过选择使用的辐射的类型和/或施加的辐射的剂量，照射通常以受控和预定的方式进行，以提供对于特定应用的最优性能，例如强度。
可以施加低剂量的电离辐射以提高分子量，例如在制浆后和在将经过制浆的纤维混合成纸幅之前；施加于湿纤维纸幅；在干燥过程中或干燥后施加于纸幅；或者施加于经干燥的纸幅，例如在随后的处理步骤例如施胶、涂布和压光之前、过程中或之后。通常优选的是当纸幅具有相对较低的水分含量时将辐射施加于该纸幅。在图2所示的实例中，可以在干燥和整理过程中，例如在施胶、干燥、压制和压光操作之间，或者在后处理过程中，进行照射，例如照射于成卷、切割卷(slit roll)或纸张形式的成品纸。
如上所述，在一些实施方案中，在生产工艺过程中在多于一个点上施加辐射。例如，可以以相对较高的剂量使用电离辐射以形成或帮助形成纸浆，之后以相对较低的剂量使用以提高纸中的纤维的分子量。如下面将更详细地讨论的，也可以向成品纸施加辐射以便有利地影响纸中和/或表面上存在的官能团。可以在纸的选定区域向成品纸施加高剂量辐射，以形成局部弱化的区域，例如提供撕裂区。
作为实践中的问题，使用现有技术，通常最希望的是将照射步骤整合到造纸工艺中，要么在制浆之后并在将纸浆引入造纸机之前，要么在纸幅已离开造纸机之后，通常是在干燥和施胶之后。然而，如上所述，照射可以在该工艺中在任何期望的阶段进行。
如果需要，可以向纸浆中加入各种交联添加剂以增强交联对照射的响应。这样的添加剂包括本身可交联的材料以及有助于交联的材料。交联添加剂包括但不限于木质素、淀粉、二丙烯酸酯、二乙烯基化合物以及聚乙烯。在一些实施方案中，以约0.25％至约2.5％，例如约0.5％至约1.0％的浓度包含这样的添加剂。
照射以影响材料的官能团
在用一种或多种电离辐射(例如光子辐射(例如X射线或γ射线)、电子束辐射或者用带正电或负电的比电子重的粒子(例如质子或碳离子)的照射)处理后，本文中所述的任何含碳水化合物材料或混合物发生电离；即它们以可检测(例如用电子自旋共振光谱仪)的水平包含游离基。在电离之后，可以使离子化的任何材料淬火以降低离子化材料中的游离基的水平，例如使得游离基不再可用电子自旋共振光谱仪检测到。例如，可以通过向离子化材料施加足够的压力和/或将离子化材料与和游离基反应(淬火)的流体例如气体或液体接触而使游离基淬火。可以使用多种气体(例如氮气或氧气)或者液体以至少帮助游离基的淬火，以及将离子化材料用期望的官能团官能化。因而，照射然后淬火可以用于提供具有期望的官能团的纸浆或纸，所述官能团包括例如以下的一种或多种：醛基、烯醇基、亚硝基、腈基、硝基、酮基、氨基、烷基氨基、烷基、氯代烷基、氯氟烷基和/或羧酸基团。这些基团提高它们所存在的材料区域的亲水性。在一些实施方案中，在诸如涂布和压光的处理步骤之前或之后对纸幅照射并淬火，以影响纸中和/或表面上的官能团，从而影响纸的吸墨性和其它性质。在其它实施方案中，将纸原料用相对较高剂量的电离辐射照射，以促进制浆，随后淬火以改善纸浆中的离子化材料的稳定性。
图3说明了通过用电离辐射例如用足够能量的电子或离子将材料电离而对纤维材料进行预处理，以提供第一水平的游离基，从而改变纤维材料例如纸原料、纸前体(例如湿纸幅)或纸的分子和/或超分子结构。如图3所示，如果离子化材料保持在大气中，它将被氧化，例如通过与大气氧的反应生成羧酸基团。在一些情况下，对于某些材料，这样的氧化是期望的，因为它可以有助于含碳水化合物的材料的分子量的进一步降低(例如，如果使用照射来促进制浆)。然而，由于游离基可以在照射后“存活”一定的时间，例如长于1天、5天、30天、3个月、6个月甚至长于1年，材料性质可以继续随着时间变化，这在一些情况下是不希望的。
通过电子自旋共振光谱检测经照射的样品中的游离基和这样的样品中的游离基寿命在以下文献中讨论：Bartolotta等人，Physics inMedicine and Biology，46(2001)，461-471，以及Bartolotta等人，Radiation Protection Dosimetry，Vol.84，Nos.1-4，pp.293-296(1999)。如图3所示，可以将离子化材料淬火以使离子化材料官能化和/或稳定化。
在一些实施方案中，淬火包括向离子化材料施加压力，例如通过材料的机械变形，例如直接在一维、二维或三维上对材料进行机械压缩，或者向材料所浸没的流体施加压力，例如等静压(isostatic pressing)。在离子化的纸的情况下，可以例如通过使纸通过辊隙(nip)而施加压力。在这样的情况下，材料自身的变形使得经常束缚在结晶相区中的游离基足够接近，以便游离基复合或与另一基团反应。在一些情况下，压力的施加与加热同时进行，例如热量足以将材料的温度提高到离子化材料的组分(例如木质素、纤维素或半纤维素)的熔点或软化点以上。加热可以改善材料中的分子流动性，这可以有助于游离基的淬火。当使用压力进行淬火时，压力可以大于约1000psi，例如大于约1250psi、1450psi、3625psi、5075psi、7250psi、10000psi，或者甚至大于15000psi。
在一些实施方案中，淬火包括使离子化材料与能够与游离基反应的流体如液体或气体接触，例如气体，例如乙炔或乙炔在氮气中的混合物、乙烯、氯代乙烯或者氯氟代乙烯、丙烯或者这些气体的混合物。在其它具体实施方案中，淬火包括使离子化材料与液体接触，例如可溶解于离子化材料中或者至少能够渗透到离子化材料中并且与游离基反应的液体，例如二烯，例如1,5-环辛二烯。在一些具体实施方案中，淬火包括使离子化材料与抗氧化剂例如维生素E接触。如果需要，该材料可以包含分散于其中的抗氧化剂，并且淬火可以来自于将分散于材料中的抗氧化剂与游离基接触。
用于淬火的其它方法是可能的。例如，Muratoglu等人的美国专利公开No.2008/0067724和Muratoglu等人的美国专利No.7,166,650中记载的用于将聚合物材料中的游离基淬火的任何方法可以用于本文中记载的任何离子化材料的淬火，所述文献的全部内容在此通过引用纳入本文中。此外，Muratoglu的任一文献中记载的任何淬火剂(在上述Muratoglu的公开内容中称为“敏化剂”)和/或任何抗氧化剂可以用于淬火任何离子化材料。
可以通过使用重带电离子(例如本文中记载的任何较重离子)增强官能化。例如，如果希望增强氧化，可以将带电氧离子用于照射。如果期望氮官能团，可以使用氮离子或者包含氮的任何离子。类似地，如果期望硫或磷基团，可以在照射中使用硫或磷离子。
在某些实施方案中，在淬火后，可以将本文中记载的任何经淬火的离子化材料用一种或多种进一步的辐射剂量进行进一步处理，例如电离或非电离辐射、声处理、热解和氧化，用于额外的分子和/或超分子结构改变。
在一些实施方案中，在淬火之前在惰性气体例如氦或氩的保护下照射纤维材料。
可以通过例如选择电离粒子的特定类型和剂量而控制官能团的位置。例如，γ射线往往影响纸中的分子的官能化，而电子束辐射往往优先影响表面的分子的官能化。
在一些情况下，材料的官能化可以与照射同时发生，而不是作为独立的淬火步骤的结果。在这种情况下，可以以多种方式影响官能团的类型和氧化程度，例如通过控制覆盖待照射材料的气体，照射束穿过该气体。合适的气体包括氮气、氧气、空气、臭氧、二氧化氮、二氧化硫和氯。
在一些实施方案中，官能化导致在纤维材料中形成烯醇基团。当纤维材料是纸时，这可以增强纸对墨水、粘合剂、涂料等的吸收性，并可以提供接枝点。烯醇基团可以帮助降低分子量，尤其是在添加的碱或酸的存在下。因而，这样的基团的存在可以帮助制浆。在成品纸产品中，通常pH值足够接近中性，因而这些基团不会导致分子量的有害的降低。
在流体中的粒子束暴露
在一些情况下，纤维素或木质素纤维素材料可以在一种或多种附加的流体(例如气体和/或液体)的存在下暴露于粒子束。在一种或多种附加的流体的存在下材料向粒子束的暴露可以提高处理的效率。
在一些实施方案中，材料在流体例如空气的存在下暴露于粒子束。在本文公开的任何一种或多种加速器(或其它类型的加速器)中加速的粒子通过输出口(例如薄膜，例如金属箔)耦合出加速器，通过流体占据的一定量的空间，然后入射到材料上。除了直接处理材料，一些粒子通过与流体粒子的相互作用而生成额外的化学物质(例如由空气的多种组分如臭氧和氮氧化物生成的离子和/或游离基)。这些生成的化学物质也可以与该材料相互作用，并且可以充当材料中的多种不同的化学键断裂反应的引发剂。例如，产生的任何氧化剂可以将该材料氧化，这可以导致分子量降低。
在某些实施方案中，附加的流体可以在粒子束入射到材料上之前选择性地引入粒子束的路径中。如以上所讨论，粒子束的粒子与引入的流体的粒子之间的反应可以生成额外的化学物质，该化学物质与材料反应并可以帮助材料的官能化，和/或选择性地改变材料的某些性质。该一种或多种附加的流体可以从例如供应管导入粒子束的路径中。引入的流体的方向和流速可以根据期望的暴露速率和/或方向进行选择，以控制整个处理的效率，包括基于粒子的处理所产生的效果以及由于引入的流体动态生成的物质与材料之间的相互作用而产生的效果。除了空气，可以引入离子束中的示例性的流体包括氧气、氮气、一种或多种稀有气体、一种或多种卤素和氢气。
冷却经照射的材料
在用电离辐射对如上讨论的材料的处理过程中，尤其是在高剂量速率下，例如大于0.15MRad每秒的速率，例如0.25Mrad/s、0.35Mrad/s、0.5Mrad/s、0.75Mrad/s或者甚至大于1Mrad/秒，材料可以保留大量的热量以使得材料的温度升高。尽管在一些实施方案中高温可以是有利的，例如当期望较快的反应速率时，但是有利的是控制该加热以便保持对电离辐射引起的化学反应(例如交联、断链和/或接枝)的控制，从而保持对工艺的控制。
例如，在一种方法中，将材料在第一温度下用电离辐射例如光子、电子或离子(例如带单个或多个电荷的阳离子或阴离子)以足够的时间和/或足够的剂量进行照射，以将材料升高到比第一温度高的第二温度。然后将经照射的材料冷却到第二温度以下的第三温度。如果需要，经冷却的材料可以用辐射例如用电离辐射处理一次或多次。如果需要，可以在每次辐射处理后和/或处理过程中将材料冷却。
在一些情况下，冷却可以包括将材料与温度低于第一或第二温度的流体例如气体接触，例如77K或约77K的气态氮。在一些实施方案中甚至可以使用水，例如温度低于标称室温(例如25摄氏度)的水。
辐射的类型
可以通过以下手段提供辐射，例如：1)重带电粒子，例如α粒子；2)电子，例如在β衰变或电子束加速器中产生的电子；或者3)电磁辐射，例如γ射线、X射线或紫外线。不同形式的辐射通过辐射的能量所确定的特定相互作用将纤维素或木质素纤维素材料离子化。
重带电粒子主要通过库仑散射将物质离子化；此外，这些相互作用产生可以进一步将物质离子化的高能电子。α粒子与氦原子核相同并且通过多种放射性原子核的α衰变产生，所述放射性原子核为例如铋、钋、砹、氡、钫、镭、多种锕系元素例如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅和钚的同位素。
电子通过电子速度的变化产生的轫致辐射和库仑散射而相互作用。电子可以通过发生β衰变的放射性原子核产生，所述放射性原子核例如为碘、铯、锝和铱的同位素。或者，电子枪可以通过热离子发射而用作电子源。
电磁辐射通过三种过程相互作用：光电吸收、康普顿散射和电子偶生成。主要的相互作用由入射辐射的能量和材料的原子序数决定。对纤维素材料中吸收的辐射有贡献的相互作用之和可以通过质量吸收系数表示。
电磁辐射细分为γ射线、X射线、紫外线、红外线、微波或无线电波，这取决于它们的波长。
例如，γ射线可以用于照射材料。参见图4和5(区域R的放大视图)，γ线照射器10包括γ射线源408(例如60Co颗粒)、用于固定待照射材料的工作台14以及贮藏库(storge)16(例如由多个铁板制成)，它们均容纳在混凝土防泄露室(坑室)20中，该坑室在铅衬门26以远包含迷宫入口22。贮藏库16限定多个通道30，例如16个或更多个通道，这些通道使得γ射线源在它们的与工作台邻近的路线上通过贮藏库。
在操作中，将待照射的样品放置在工作台上。将照射器配置成递送期望的剂量，并将监视装置与试验区31连接。然后操作者离开防泄露室，穿过迷宫入口并穿过铅衬门。操作者操作控制板32，指示计算机33使用连接到液压泵40上的液压缸36将辐射源12提升到工作位置。
γ射线具有在样品中的多种材料中大的穿透深度的优点。γ射线源包括放射性原子核，例如钴、钙、technicium、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊和氙的同位素。
X射线源包括电子束与金属靶的撞击，所述金属为例如钨或钼或合金，或者压缩光源(compact light source)，例如Palo Alto，CA的Lyncean Technologies，Inc.商业生产的那些。
用于紫外线的源包括氘或镉灯。
用于红外线的源包括蓝宝石、锌或硒化物窗陶瓷灯(selenide window ceramiclamps)。
用于微波的源包括速调管、Slevin型RF源或使用氢、氧或氮气的原子束源。
在一些实施方案中，将电子束用作辐射源。电子束具有高剂量速率(例如1、5或者甚至10MRad每秒)、高生产量、低防泄露和低束缚(confinement)装置的优点。电子也可以在导致断链方面更有效。此外，具有4-10MeV的能量的电子可以具有5至30mm或更高，例如40mm的穿透深度。
电子束可以通过例如静电发生器、级联发生器、变压发生器、具有扫描系统的低能加速器、具有线状阴极的低能加速器、线性加速器以及脉冲加速器而产生。可以使用电子作为电离辐射源，例如对于相对较薄的材料，例如小于0.5英寸，例如小于0.4英寸、0.3英寸、0.2英寸或小于0.1英寸。在一些实施方案中，电子束的各个电子的能量为约0.25MeV至约7.5MeV(百万电子伏)，例如约0.5MeV至约5.0MeV，或者约0.7MeV至约2.0MeV。电子束照射设备可以从比利时Louvain-la-Neuve的Ion Beam Applications或San Diego，CA的TitanCorporation购买。典型的电子能量可以为1、2、4.5、7.5或10MeV。典型的电子束照射设备功率可以为1、5、10、20、50、100、250或500kW。典型的剂量可以取1、5、10、20、50、100或200kGy的值。
在考虑电子束照射设备功率规格时涉及的因素包括运行成本、资本成本、折旧和设备轨迹(device footprint)。在考虑电子束照射的暴露剂量水平时涉及的因素将会是能量消耗和环境、安全和健康(ESH)问题。发生器通常容纳在例如铅或混凝土坑室中。
电子束照射设备可以产生固定束或者扫描束。扫描束可以具有大扫描长度和高扫描速度的优点，这将有效地替代大的、固定的束宽度。此外，可以获得0.5m、1m、2m或更大的可用扫描宽度。
在其中用电磁辐射进行照射的实施方案中，电磁辐射可以具有例如大于102eV，例如大于103、104、105、106或者甚至大于107eV的每光子能量(电子伏)。在一些实施方案中，电磁辐射具有104至107，例如105至106eV的每光子能量。电磁辐射可以具有例如大于1016hz、大于1017hz、1018、1019、1020或者甚至大于1021hz的频率。在一些实施方案中，电磁辐射具有1018至1022hz，例如1019至1021hz的频率。
可以用于将以上讨论的源产生的离子加速的一种加速器为(可以从例如Radiation Dynamics Inc.获得，其现为比利时Louvain-la-Neuve的IBA的单位)。加速器1500的示意图显示于图6中。加速器1500包括注射器1510(它包括离子源)和包括多个环形电极1530的加速柱1520。注射器1510和柱1520容纳在被真空泵1600抽空的外壳1540中。
注射器1510产生离子束1580，并将束1580引入加速柱1520中。将环形电极1530保持在不同的电势，使得当离子通过电极之间的间隙时被加速(例如，离子在间隙中被加速，而不是在电极中，在电极中电势是均匀的)。当离子在图6中从柱1520的顶部向底部行进时，离子的平均速度提高。相继的环形电极1530之间的间距通常是提高的，因而容纳更高的平均离子速度。
在加速的离子已穿过柱1520的长度以后，经加速的离子束1590通过递送管1555耦合出外壳1540。选择递送管1555的长度以使得足够的屏蔽物(例如混凝土屏蔽物)可以位于与柱1520相邻的位置，将柱隔离。在通过管1555后，离子束1590通过扫描磁体1550。扫描磁体1550由外部逻辑单元(未示出)控制，该扫描磁体可以以受控的方式在垂直于柱1520的中轴线取向的二维平面中扫描经加速的离子束1590。如图6所示，离子束1590通过窗口1560(例如金属箔窗口或筛(screen))，然后被扫描磁体1550引导撞击到样品1570的选定区域上。
在一些实施方案中，施加到电极1530上的电势是通过DC电势源产生的静电势。在某些实施方案中，施加到电极1530上的电势的一些或全部是通过可变电势源产生的可变电势。大电势的合适的可变源包括放大场源(amplified field source)，例如速调管。因此，根据施加到电极1530的电势的性质，加速器1500可以以脉冲或连续模式运行。
为了在柱1520的输出端获得选定的加速离子能量，基于现有技术中公知的考虑因素选择柱1520的长度和施加到电极1530的电势。然而，值得注意的是，为了降低柱1520的长度，可以用多电荷离子代替单电荷离子。也就是说，对于带有两个或两个以上电荷的离子，两个电极之间的选定的电势差的加速效应大于对于带有1个电荷的离子。因而，任意离子X2+可以在比相应的任意离子X+在更短的长度内加速到最终能量E。三电荷和四电荷离子(例如X3+和X4+)可以在更短的距离内加速到最终能量E。因此，当离子束1580主要包含多电荷离子物质时可以将柱1520的长度显著降低。
为了加速带正电的离子，选择柱1520的电极1530之间的电势差以使得图6中场强提高的方向为向下(例如朝向柱1520的底部)。相反，当加速器1500用于加速带负电的离子时，在柱1520中将电极1530之间的电势差反转，并且图6中场强提高的方向为向上(例如朝向柱1520的顶部)。向电极1530施加的电势的重新配置是简单的程序，使得加速器1500可以相对快速地从加速正离子向加速负离子转变，反之亦然。类似地，加速器1500可以快速地从加速单电荷离子向加速多电荷离子转变，反之亦然。
剂量
在一些实施方案中，进行高剂量照射以降低分子量(使用任何辐射源或者辐射源的组合)，直到材料接受至少2.5MRad的剂量，例如至少5.0、7.5、10.0、100或500MRad。在一些实施方案中，进行照射直到材料接受3.0MRad至100MRad的剂量，例如10MRad至100MRad或者25MRad至75MRad。如果使用γ射线，剂量将通常趋向于这些范围的较高一端，而如果使用电子束辐射，在一些实施方案中剂量将趋向于较低一端。对于已具有相对较低的分子量的一些纤维素材料，例如再生纸，剂量速率也将趋向于较低一端。
在一些实施方案中，进行低剂量照射以提高分子量(使用任何辐射源或者辐射源的组合)，直到材料接受至少0.05MRad的剂量，例如至少0.1、0.25、1.0、2.5或5.0MRad。在一些实施方案中，进行照射直到材料接受0.1至2.5MRad的剂量。其它合适的范围包括0.25MRad至4.0MRad、0.5MRad至3.0MRad和1.0MRad至2.5MRad。
以上讨论的高剂量和低剂量也均适合用于材料的官能化，通常剂量越高官能化程度越高。
在一些实施方案中，以5.0至1500.0千拉德/小时，例如10.0至750.0千拉德/小时或50.0至350.0千拉德/小时的剂量速率进行照射。当需要高生产量时，例如在高速造纸工艺中，可以以例如0.5至3.0MRad/秒或者甚至更快的速率施加辐射，使用冷却以避免受照射的材料过热。
在其中照射涂料纸的一些实施方案中，纸涂料包括可交联树脂，例如二丙烯酸酯或聚乙烯。这样，当含碳水化合物材料被照射以提高其分子量时树脂发生交联，这可以提供协同效应以优化纸的耐磨损性和其它表面性能。在这些实施方案中，将辐射的剂量选择得足够高以提高纤维素纤维的分子量，即至少约0.25至约2.5MRad，这取决于材料，同时足够低以避免有害地影响纸涂料。剂量的上限将随着涂料的组成变化，但是在一些实施方案中优选的剂量小于约5MRad。
在一些实施方案中，使用两种或多种辐射源，例如两种或多种电离辐射。例如，可以以任何顺序用电子束然后用具有约100nm至约280nm波长的γ射线和/或UV光处理样品。在一些实施方案中，用三种电离辐射源处理样品，例如电子束、γ射线和高能UV光。
声能
辐射可以与声能组合使用，所述声能为例如声波或超声波能，以改善材料生产量和/或特征，和/或将能量的使用最小化。例如，声能可以与高剂量辐射组合使用以强化制浆工艺。
再次参见图1A，在预处理系统114中，将用于形成纸浆的起始材料，例如木屑，可以用声能进行线内声处理步骤。
图7显示了一种一般系统，其中将纤维素材料物流1210(例如用于制造纸浆的原料)与水流1212在储槽1214中混合以形成工艺物流1216。第一泵1218从储槽1214抽取工艺物流1216并引向流动池1224。当工艺物流流过流动池1224时超声波换能器1226将超声波能传送进工艺物流1216中。第二泵1230从流动池1224抽取工艺物流1216并引向后续处理。
储槽1214包括与空间1236处于流体连通的第一入口1232和第二入口1234。传送器(未示出)将纤维素材料物流1210通过第一入口1232递送至储槽1214。水流1212通过第二入口1234进入储槽1214。在一些实施方案中，水流1212沿切向进入空间1236，在空间1236中形成涡流。在某些实施方案中，纤维素材料物流1210和水流1212沿相对的轴线引入空间1236中，以强化空间中的混合。
阀1238控制水流1212通过第二入口1232的流动，以产生期望的纤维素材料与水的比率(例如，约10％的纤维素材料，重量/体积)。例如，可以将2000吨/天的纤维素材料与一百万至一百五十万加仑/天，例如一百二十五万加仑/天的水合并。
纤维素材料和水在储槽1214中的混合受到空间1236的大小以及纤维素材料和水向该空间中的流速的控制。在一些实施方案中，选择空间1236的大小以形成对于纤维素材料和水最小的混合停留时间。例如，当2000吨/天的纤维素材料和一百二十五万加仑/天的水通过储槽1214流动时，空间1236可以为约32,000加仑以产生约15分钟的最小混合停留时间。
储槽1214包括与空间1236处于流体连通的搅拌器1240。搅拌器1240搅动空间1236的内容物以将纤维素材料分散得遍布于该空间中的水中。例如，搅拌器1240可以是位于储槽1214中的旋转叶轮。在一些实施方案中，搅拌器1240将纤维素材料基本均匀地分散得遍布于水中。
储槽1214进一步包括与空间1236以及工艺物流1216处于流体连通的出口1242。空间1236中纤维素材料与水的混合物通过出口1242流出储槽1214。出口1242设置得接近储槽1214的底部以使得重力可以将纤维素材料和水的混合物拉出储槽1214并进入工艺物流1216。
第一泵1218(例如由Los Angeles，CA的Essco Pumps&Controls制造的多种凹形叶轮(recessed impeller)涡流泵的任何一种)将工艺物流1216的内容物移向流动池1224。在一些实施方案中，第一泵1218搅动工艺物流1216的内容物以使得纤维素材料和水的混合物在流动池1224的入口1220基本上均匀。例如，第一泵1218搅动工艺物流1216以形成沿着第一泵和流动池1224的入口1220之间的工艺物流持续的湍流。
流动池1224包括与入口1220和出口1222处于流体连通的反应器空间1244。在一些实施方案中，反应器空间1244是能够耐受高压(例如10巴)的不锈钢管。作为补充或者作为替代，反应器空间1244限定矩形截面。
流动池1224进一步包括与反应器空间1244的至少一部分处于热连通的热交换器1246。冷却流体1248(例如水)流入热交换器1246中并吸收当工艺物流1216在反应器空间1244中进行声处理时生成的热。在一些实施方案中，控制进入热交换器1246的冷却流体1248的流速和/或温度以便在反应器空间1244中保持大致恒定的温度。在一些实施方案中，将反应器空间1244的温度保持在20至50℃，例如25、30、35、40或45℃。作为补充或者作为替代，从反应器空间1244向冷却流体1248传递的热可以用于整个工艺的其它部分中。
接合器部分1226在反应器空间1244和连接(例如使用法兰以机械方式连接)于超声波换能器1226上的增压器1250之间形成流体连通。例如，接合器部分1226可以包括法兰和O型环组件以在反应器空间1244和增压器1250之间形成密封连接。在一些实施方案中，超声波换能器1226是由德国Teltow的Hielscher Ultrasonics制造的高功率超声波换能器。
在操作中，发电机1252向超声波换能器1252供电。超声波换能器1226包括将电能转化成超声范围内的声音的压电元件。在一些实施方案中，将材料用具有约16kHz至约110kHz，例如约18kHz至约75kHz或者约20kHz至约40kHz的频率的声音(例如具有20kHz至40kHz的频率的声音)进行声处理。将超声波能量通过增压器1248递送到工作介质。通过增压器1248在反应器空间1244中行进的超声波能量在工艺物流1216中形成一系列压缩和稀疏作用，其强度足以在工艺物流1216中形成空化。空化使工艺物流1216中分散的纤维素材料分解。空化也在工艺物流1216的水中产生自由基。这些自由基起作用以进一步分解工艺物流1216中的纤维素材料。
通常，将5至4000MJ/m3,例如10、25、50、100、250、500、750、1000、2000或3000MJ/m3的超声波能量施加于以约0.2m3/s(约3200加仑/分钟)的速率流动的工艺物流16。在反应器空间1244中暴露于超声波能量后，工艺物流1216通过出口1222离开流动池1224。第二泵1230将工艺物流1216移至后续处理(例如由Los Angeles，CA的Essco Pumps&Controls制造的多种凹形叶轮涡流泵的任何一种)。
尽管说明了某些实施方案，但是其它实施方案也是可以的。
作为实例，尽管已将工艺物流1216说明成单一流路，但是其它布置也是可以的。在一些实施方案中，例如，工艺物流1216包括多个平行流路(例如以10加仑/分钟的速率流动)。作为补充或者作为替代，工艺物流1216的多个平行流路流入独立的流动池中并且并联地进行声处理(例如使用多个16kW的超声波换能器)。
作为另一个实例，尽管已说明将单一的超声波换能器1226连接到流动池1224上，但是其它布置也是可以的。在一些实施方案中，将多个超声波换能器1226布置在流动池1224中(例如，可以将十个超声波换能器布置在流动池1224中)。在一些实施方案中，将多个超声波换能器1226中的每一个产生的声波定时(例如将彼此异相同步)以增强作用于工艺物流1216的空化。
作为另一个实例，尽管已说明了单个流动池1224，但是其它布置也是可以的。在一些实施方案中，第二泵1230将工艺物流移至第二流动池，在第二流动池中第二增压器和超声波换能器对工艺物流1216进一步进行声处理。
作为再一个实例，尽管已将反应器空间1244说明成封闭的空间，但是在某些实施方案中反应器空间1244可以向周围条件开放。在这样的实施方案中，可以与其它预处理技术基本同时地进行声波预处理。例如，可以将超声波能量施加于反应器空间1244中的工艺物流1216，与此同时将电子束引入工艺物流1216中。
作为另一个实例，尽管说明了流通式工艺，但是其它布置也是可以的。在一些实施方案中，可以在批处理工艺中进行声处理。例如，可以将一个空间用纤维素材料在水中的10％(重量/体积)的混合物填充并暴露于声音，该声音的强度为约50W/cm2至约600W/cm2，例如约75W/cm2至约300W/cm2，或者约95W/cm2至约200W/cm2。作为补充或者作为替代，该空间中的混合物可以声处理约1小时至约24小时，例如约1.5小时至约12小时或者约2小时至约10小时。在某些实施方案中，可以将材料进行预定时间的声处理，然后使其在再次进行声处理之前静置第二预定时间。
现参见图8，在一些实施方案中，将两个电声换能器以机械方式连接到单个喇叭上。如图所示，将一对压电换能器60和62通过各自的中间连接喇叭70和72连接到开缝条形喇叭64上，所述中间连接喇叭也称为增压器喇叭。换能器响应施加于其上的高频电能而提供的机械振动传递给各自的连接喇叭，该连接喇叭可以构建成提供机械增益，例如1至1.2的比率。为喇叭提供各自的安装法兰74和76，用于在固定的外壳中支承换能器和喇叭组件。
通过连接喇叭或增压器喇叭从换能器传递的振动连接到喇叭的输入表面78，并通过喇叭传递到相对位置的输出表面80，该输出表面在操作过程中与被施加振动的工件(未示出)处于强制接合。
电源82提供的高频电能通过平衡变压器84和各自的串联连接的电容器86和90供应给并联地电连接的各个换能器，电容器与各个换能器的电连接串联地连接。平衡变压器也称为“balun”，代表“平衡单元”。平衡变压器包括磁芯92和一对相同的线圈94和96，也分别称为初级线圈和二级线圈。
在一些实施方案中，换能器包括市售的压电换能器，例如Branson UltrasonicsCorporation的型号105或502，其各自用于在20kHz和3kW的最大标称功率下运行。用于在换能器的输出表面提供最大运动偏移的激励电压为930伏rms。通过换能器的电流可以根据负载阻抗在0和3.5安培之间变化。在930伏rms下，输出运动为约20微米。用于相同运动幅度的端电压的最大差值因而可以为186伏。这样的电压差可以产生在换能器之间流动的大的环流。平衡单元430通过提供流过换能器的相等的电流而保证平衡条件，从而消除了环流的可能性。必须针对上述满载电流选择线圈的线号，并且通过线圈输入出现的最大电压为93伏。
作为使用超声波能的替代方案，可以使用高频转子-定子设备。这种设备产生高剪切微空化力，它可以将与这样的力接触的材料分解。两种市售的高频转子-定子分散设备为Connecticut的Dorr-Oliver Deutschland GmbH销售、Krupp Industrietechnik GmbH制造的SupratonTM设备，以及Ohio Cincinnati的Ika-Works，Inc制造并销售的DispaxTM设备。这些微空化设备的操作在Stuart的美国专利No.5,370,999中进行了讨论。
尽管已将超声波换能器1226说明为包括一个或多个压电有源元件以形成超声波能，但是其它布置也是可以的。在一些实施方案中，超声波换能器1226包括由其它类型的磁致伸缩材料(例如铁类金属)制成的有源元件。这样的高功率超声波换能器的设计和操作在Hansen等人的美国专利No.6,624,539中进行了讨论。在一些实施方案中，将超声波能通过电-液(electrohydraulic)系统传递给工艺物流16。
尽管已将超声波换能器1226说明为使用磁致伸缩材料的电磁响应产生超声波能，但是其它布置也是可以的。在一些实施方案中，可以使用水下火花(underwater spark)将强烈冲击波形式的声能直接施加于工艺物流16。在一些实施方案中，通过热-液(thermohydraulic)系统将超声波能传递给工艺物流16。例如，可以通过封闭的电解质空间施加电力，从而产生高能量密度的声波，从而将该封闭空间加热并产生压力升高，该压力升高随后通过声音传播介质(例如工艺物流1216)传递。这样的热-液换能器的设计和操作在Hartmann等人的美国专利6,383,152中进行了讨论。
在一些实施方案中，将照射和声处理设备结合到单一的混合型设备中会是有利的。对于这样的混合型设备，多种工艺可以以邻近并置(close juxtaposition)或者甚至同时的方式进行，这具有提高预处理生产量和潜在的费用节省的益处。
例如，考虑电子束照射和声处理工艺。各个独立的工艺在将纤维素材料的平均分子量降低一个或多个量级方面是有效的，在串联实施时在降低多个量级方面是有效的。
照射和声处理工艺均可以使用图8中所示的电子束/声处理混合型设备进行施加。电子束/声处理混合型设备2500画在纤维素材料2550的浆料的浅池(深3-5cm)之上，该纤维素材料分散于含水的氧化性介质中，例如过氧化氢或过氧化尿素。混合型设备2500具有能源2510，其为电子束发射器2540和声处理喇叭2530两者提供动力。
电子束发射器2540产生电子束，该电子束穿过电子束瞄准设备2545以撞击含有纤维素材料的浆料2550。电子束瞄准设备可以是在与浆料2550的表面大致平行的方向上在最高达约6英尺的范围内扫描电子束的扫描器。
在电子束发射器2540的每一侧为声处理喇叭2530，它将超声波能递送给浆料2550。声处理喇叭2530结束于可拆卸的末端部件2535，该末端部件与浆料2550接触。
声处理喇叭2530存在着受到电子束辐射的长时间残留暴露的损害的风险。因而，将喇叭用标准防护物2520进行保护，该防护物由例如铅或者含有重金属的合金例如Lipowitz金属制成，其对于电子束辐射是不能渗透的。然而，必须注意保证超声波能不受到防护物的存在的影响。可拆卸的末端部件2535用相同的材料构建并连接于喇叭2530上，用于与纤维素材料2550接触并预计会受到损害。因此，将可拆卸的末端部件2535构建成容易更换的。
这样的同时的电子束和超声工艺的另一个益处是两个工艺具有互补的结果。单独使用电子束照射，不足的剂量会导致纤维素材料中一些聚合物的交联，这降低整个解聚过程的效率。较低剂量的电子束照射和/或超声辐射也可以用于获得与分别使用电子束照射和声处理所获得的类似的解聚程度。
电子束设备也可以与一个或多个高频转子-定子设备结合，该转子-定子设备可以用于替代超声波能设备并起类似的功能。
设备的其它组合也是可以的。例如，产生由例如60Co颗粒发射的γ射线的电离辐射设备可以与电子束源和/或超声波源组合。在这种情况下防护的要求会更严格。
离子生成
多种方法可以用于适合于离子束的离子的生成，该粒子束可用于处理纤维素或木质素纤维素材料。在生成离子后，它们通常在各种加速器的一种或多种中进行加速，然后被引导撞击到纤维素或木质素纤维素材料上。
(i)氢离子
可以使用多种不同的方法在离子源中生成氢离子。通常，将氢离子引入离子源的电离室中，然后通过向气体分子供应能量而产生离子。在操作过程中，这样的室可以产生适合为下游离子加速器提供种子(seeding)的大的离子流。
在一些实施方案中，氢离子通过氢气的场电离而产生。场电离源的示意图显示在图10中。场电离源1100包括室1170，在该室中发生气体分子(例如氢气分子)的电离。气体分子1150通过沿着供应管1120中的方向1155流动而进入室1170。场电离源1100包括电离电极1110。在操作过程中，向电极1110施加大的电势VE(相对于共同系统接地电势)。在与电极1110邻近的区域中流动的分子1150被电势VE产生的电场电离。同样在操作过程中，将抽提电势VX施加于抽提器1130。新形成的离子在电势VE和VX的电场的影响下向抽提器1130迁移。实际上，新形成的离子经受相对于电离电极1110的排斥力和相对于抽提器1130的吸引力。结果，某些新形成的离子进入泻出管1140，并在电势VE和VX的影响下沿着方向1165传播。
根据电势VE的符号(相对于共同接地电势)，既可以形成带正电离子也可以形成带负电离子。例如，在一些实施方案中，可以向电极1110施加正电势并向提取器1130施加负电势。在室1170中生成的带正电的氢离子(例如质子H+)被驱离电极1110并导向提取器1130。结果，泻出的粒子流1160包括向注射器系统输送的带正电的氢离子。
在某些实施方案中，可以向电极1110施加负电势并可以向提取器1130施加正电势。在室1170中生成的带负电的氢离子(例如氢化物离子H-)被驱离电极1110并导向提取器1130。泻出的粒子流1160包括带负电的氢离子，其随后向注射器系统输送。
在一些实施方案中，通过氢气的直接加热可以产生氢正离子和负离子两者。例如，可以将氢气引导进入加热室中，该加热室被排空以去除残余的氧气和其它气体。然后可以将氢气通过加热元件加热以产生离子物质。合适的加热元件包括例如电弧放电电极、加热丝(heating filament)、加热线圈和多种其它的热传递元件。
在某些实施方案中，当氢离子通过场致发射或加热而产生时，可以产生多种氢离子物质，包括带正电和带负电的离子物质，以及单电荷和多电荷离子物质。可以通过一种或多种静电分离器和/或磁分离器将各种离子物质彼此分离。图11显示了静电分离器1175的示意图，其被配置为将多种氢离子物质彼此分离。静电分离器1175包括一对平行电极1180，向该对电极上通过电压源(未示出)施加电势VS。沿着箭头所示方向传播的粒子流1160包括多种带正电和带负电的离子物质以及单电荷和多电荷离子物质。当各种离子物质通过电极1180时，电极之间的电场根据离子物质的大小和符号使离子轨线发生偏转。在图11中，例如，在电极1180之间的区域中，电场从下方电极指向上方电极。结果，带正电的离子沿着图11中向上的轨线偏转，带负电的离子沿着向下的轨线偏转。离子束1162和1164各自对应于带正电的离子物质，离子束1162中的离子物质具有比离子束1164中的离子物质更大的正电荷(例如，由于离子束1162的离子的更大的正电荷，离子束发生更大程度的偏转)。
类似地，离子束1166和1168各自对应于带负电的离子物质，离子束1168中的离子物质具有比离子束1166中的离子物质更大的负电荷(因而被电极1180之间的电场偏转更大的程度)。束1169包括粒子流1160中原始存在的中性粒子；中性粒子在很大程度上不受电极1180之间的电场的影响，因而不偏转地通过电极。各个分离的粒子流进入递送管1192、1194、1196、1198和1199之一中，并被递送至注射器系统以用于粒子随后的加速，或者被操纵直接入射到纤维素或木质素纤维素材料上。作为替代或者作为补充，可以将分离的粒子流的任何一个或者全部阻挡，以防止离子和/或原子物质到达纤维素或木质素纤维素材料。作为另一种替代方案，可以使用已知技术将某些粒子流合并，然后导向注射器系统和/或操纵其直接入射到纤维素或木质素纤维素材料上。
通常，粒子束分离器也可以使用磁场，作为用于偏转带电粒子的电场的补充或者替代。在一些实施方案中，粒子束分离器包括多对电极，其中每对电极产生将通过其中的粒子偏转的电场。作为替代或者作为补充，粒子束分离器可以包括一个或多个磁偏转器，其被配置成根据粒子电荷的大小和符号将带电粒子偏转。
(ii)稀有气体离子
稀有气体原子(例如氦原子、氖原子、氩原子)当受到相对较强的电场的作用时形成带正电的离子。用于生成稀有气体离子的方法因而通常包括生成高强度电场，然后将稀有气体原子引入电场区以导致气体原子的场电离。用于稀有气体离子(以及其它类型的离子)的场电离发生器的示意图显示于图12中。场电离发生器1200包括位于室1210内的锥形电极1220。真空泵1250与室1210的内部通过入口1240处于流体连通，并在操作过程中降低室1210内的本底气体的压力。将一种或多种稀有气体原子1280通过入口管1230放入室1210中。
在操作过程中，将相对较高的正电势VT(例如相对于共同外部接地为正)施加于锥形电极1220。进入围绕着电极1220尖端的空间区域的稀有气体原子1280被从该尖端延伸的强电场电离；气体原子失去一个电子给该尖端，并形成带正电的稀有气体离子。
带正电的稀有气体离子加速远离该尖端，并且气体离子1290的某一部分通过提取器1260并离开室1210，进入包括透镜1270的离子光学柱，它进一步将离子偏转和/或聚焦。
电极1220形成锥形以提高尖端顶点附近区域中的局部电场的大小。根据锥形的锐度和电势VT的大小，室1210中发生稀有气体原子的电离的空间区域可以相对较紧密地控制。结果，可以在提取器1260后获得相对较准直的稀有气体离子束1290。
如以上针对氢离子所讨论，得到的稀有气体离子束1290可以通过带电粒子光学柱传输，该光学柱包括用于偏转和/或聚焦稀有气体离子束的多种粒子光学元件。稀有气体离子束也可以通过静电分离器和/或磁分离器，如以上针对图11所讨论。
可以在场电离发生器1200中产生的稀有气体离子包括氦离子、氖离子、氩离子和氪离子。此外，场电离发生器1200可以用于生成其它气态化学物质的离子，包括氢、氮和氧。
当处理纤维素或木质素纤维素材料时，稀有气体离子可以具有相对于其它离子物质的特别的优点。例如，尽管稀有气体离子可以与纤维素或木质素纤维素材料反应，但是这样的反应产生的中性化的稀有气体离子(例如稀有气体原子)通常是惰性的，并且不与纤维素或木质素纤维素材料进一步反应。此外，中性稀有气体原子不持续包埋在纤维素或木质素纤维素材料中，而是扩散到材料以外。稀有气体是无毒的并且可以在对人体健康或环境没有负面后果的情况下大量使用。
(iii)碳、氧和氮离子
碳、氧和氮的离子通常可以通过诸如场电离源1100或场电离发生器1200的系统中的场电离而产生。例如，可以将氧气分子和/或氧原子(例如通过将氧气加热而产生)引入室中，其中氧分子和/或原子发生场电离从而产生氧离子。根据向场电离电极施加的电势的符号，可以产生带正电和/或带负电的氧离子。期望的离子物质可以通过静电粒子选择器和/或磁粒子选择器从多种离子物质和中性原子和分子中优先选择，如图11所示。
作为另一个实例，可以将氮气分子引入场电离源1100或场电离发生器1200的室中，并通过室中的相对较强的电场电离以形成带正电和/或带负电的氮离子。然后可以通过静电分离器和/或磁分离器将期望的离子物质与其它离子物质和中性物质分离，如图11所示。
为形成碳离子，可以向场电离源1100或场电离发生器1200的室供应碳原子，其中碳原子可以被电离以形成带正电和/或带负电的碳离子。然后可以通过静电分离器和/或磁分离器将期望的离子物质与其它离子物质和中性物质分离，如图11所示。向场电离源1100或场电离发生器1200的室供应的碳原子可以通过将基于碳的靶材(例如石墨靶)加热导致碳原子从该靶材的热发射而产生。靶材可以放置得与该室较接近，以使得发射的碳原子在发射后直接进入腔中。
(iv)较重的离子
较重的原子例如钠和铁的离子可以通过多种方法产生。例如，在一些实施方案中，重离子例如钠和/或铁离子分别通过从包含钠和/或铁的靶材的热离子发射而产生。合适的靶材包括诸如硅酸钠和/或硅酸铁的材料。靶材通常包含其它惰性材料例如β氧化铝。一些靶材是沸石材料，包含形成于其中的通道以使得离子可以从靶材逸出。
图13显示了热离子发射源1300，其包含与靶材1330接触的加热元件1310，两者均位于真空室1305的内侧。加热元件1310由控制器1320控制，该控制器调节加热元件1310的温度从而控制从靶材1330产生的离子流。当向靶材1330供应足够的热量时，从靶材的热离子发射产生离子1340的流。离子1340可以包括诸如钠、铁以及其它相对较重的原子物质(例如其它金属离子)的材料的带正电的离子。然后可以通过静电电极和/或磁电极1350将离子1340准直化、聚焦和/或偏转，所述电极也可以将离子1340向注射器递送。
在例如标题为“Thermionic Ionization Source”的美国专利No.4,928,033中，也讨论了热离子发射形成相对较重的原子物质的离子，所述专利的全部内容通过引用纳入本文。
在某些实施方案中，可以通过微波放电产生相对较重的离子例如钠离子和/或铁离子。图14显示了由相对较重的原子例如钠和铁产生离子的微波放电源1400的示意图。放电源1400包括微波场发生器1410、波导管1420、场集中器1430和电离腔1490。在操作过程中，场发生器1410产生微波场，该微波场通过波导1420和集中器1430传播；集中器1430通过对场的空间约束而提高场强度，如图14所示。微波场进入电离室1490。在室1490内的第一区域，螺线管1470在同样包含微波场的空间区域中产生强磁场1480。源1440将原子1450递送到该空间区域。经集中的微波场将原子1450电离，螺线管1470产生的磁场1480约束电离的原子以形成定域等离子体。等离子体的一部分作为离子1460离开室1490。然后可以将离子1460通过一个或多个静电元件和/或磁性元件偏转和/或聚焦，并递送至注射器。
诸如钠和/或铁的材料的原子1450可以通过例如从靶材的热发射而产生。合适的靶材包括诸如硅酸盐和其它稳定的盐的材料，包括基于沸石的材料。合适的靶材也可以包括金属(例如铁)，它可以涂布在惰性基材例如玻璃材料上。
在下列美国专利中也讨论了微波放电源：标题为“Microwave Discharge IonSource”的美国专利No.4,409,520以及标题为“Microwave Discharge TypeElectrostatic Accelerator Having Upstream and Downstream AccelerationElectrodes”的美国专利No.6,396,211。以上各件专利的整个内容通过引用纳入本文中。
粒子束源
产生用于照射纤维素或木质素纤维素材料的束的粒子束源通常包括三组部件：注射器，它产生或接收离子并将离子引入加速器；加速器，它从注射器接收离子并提高离子的动能；以及输出耦合元件，它操纵经加速的离子束。
(i)注射器
注射器可以包括例如以上部分中讨论的任何离子源，它们供应用于后续加速的离子流。注射器也可以包括多种静电和/或磁性粒子光学元件，包括透镜、偏转器、准直仪、过滤器以及其它这样的元件。这些元件可以用于在进入加速器之前调节离子束；即，这些元件可以用于控制进入加速器的离子的传播特征。注射器也可以包含预加速静电元件和/或磁性元件，它们将带电粒子在进入加速器之前加速到选定的能量阈值。注射器的一个实例显示在Iwata，Y等。
(ii)加速器
可以用于将使用以上讨论的源产生的离子加速的一种加速器是(可以从例如Radiation Dynamics Inc.获得，其现为比利时Louvain-la-Neuve的IBA的单位)。加速器1500的示意图显示于图6中并在以上进行了讨论。
另一种可以用于将离子加速以处理纤维素或木质素纤维素基材料的加速器是加速器(可以从例如比利时Louvain-la-Neuve的IBA获得)。通常，Rhodotron型加速器包括单个循环腔(recirculating cavity)，被加速的离子经过该腔多趟。结果，加速器可以在相对较高的连续离子流条件下以连续模式操作。
图15显示了加速器1700的示意图。加速器1700包括注射器1710，该注射器将经加速的离子引入循环腔1720中。电场源1730位于腔1720的内室1740中，并产生振荡径向电场。选择径向电场的振荡频率以匹配注射的电子通过循环腔1720一趟的渡越时间。例如，当腔中的径向电场具有零幅度时将带正电的离子通过注射器1710注入腔1720中。当离子向室1740传播时，室1740中的径向场的幅度提高到最大值，然后再次下降。径向场向内指向室1740，离子被径向场加速。离子通过内室1740的壁中的孔，穿过腔1720的几何中心，并通过内室1740的壁中的另一个孔穿出。当离子位于腔1720的入口时，腔1720内的电场幅度已降低至零(或接近零)。当离子从内室1740出现时，腔1720中的电场幅度开始再次升高，但是此时该电场沿径向朝外取向。在离子穿过腔1720的后半程过程中场大小再次达到最大，然后开始减小。结果，当正离子完成通过腔1720的第一趟的后半程时再次被电场加速。
在到达腔1720的壁后，腔1720中的电场的大小为零(或接近零)，并且离子通过壁中的开口并遭遇束偏转磁体1750之一。束偏转磁体基本上将离子的轨线反转，如图15中所示，引导该离子通过室的壁中的另一个开口再次进入腔1720中。当离子再次进入腔1720中时，其中的电场再次开始降低幅度，但是此时再次沿径向向内取向。离子通过腔1720的第二趟以及随后的趟次遵循类似的方式，使得电场的取向始终匹配离子的运动方向，并且离子在通过腔1720的每趟(以及每半趟)中被加速。
如图15所示，在通过腔1720六趟后，经加速的离子作为经加速的离子束1760的一部分耦合出腔1720。经加速的离子束通过一个或多个静电和/或磁性粒子光学元件1770，该元件包括透镜、准直仪、束偏转器、过滤器和其它光学元件。例如，在外部逻辑单元的控制下，元件1770可以包括静电和/或磁性偏转器，该偏转器将经加速的束1760在垂直于束1760的传播方向取向的二维平面区域中扫描。
注射到腔1720中的离子在通过腔1720的每趟中被加速。因此，通常，为了获得具有不同平均离子能量的经加速的束，加速器1700可以包括多于一个输出耦合。例如，在一些实施方案中，可以改变一个或多个偏转磁体1750以使得到达磁体的一部分离子被耦合出加速器1700，并且一部分离子被返回室1720。因此可以从加速器1700获得多个经加速的输出束，每个束对应于与束中的离子通过腔1720的趟数相关的平均离子能量。
加速器1700包括5个偏转磁体1750，并且注入腔1720中的离子通过该腔6趟。然而，通常，加速器1700可以包括任意数量的偏转磁体，并且注入腔1720中的离子可以经历通过该腔的任何相应的趟数。例如，在一些实施方案中，加速器1700可以包括至少6个偏转磁体，并且离子可以通过该腔至少7趟(例如至少7个偏转磁体并通过该腔8趟，至少8个偏转磁体并通过该腔9趟，至少9个偏转磁体并通过该腔10趟，至少10个偏转磁体并通过该腔11趟)。
通常，由场源1730产生的电场向注射的电子提供约1MeV的单趟(single-cavity-pass)增益。然而，通常，通过在腔1720中提供更高幅度的电场可以得到更高的单趟增益。例如，在一些实施方案中，单趟增益为约1.2MeV或更高(例如1.3MeV或更高、1.4MeV或更高、1.5MeV或更高、1.6MeV或更高、1.8MeV或更高、2.0MeV或更高、2.5MeV或更高)。
单趟增益也取决于注射的离子所带电荷的大小。例如，对于腔中相同的电场，带多个电荷的离子将比带单个电荷的离子获得更高的单趟增益。结果，加速器1700的单趟增益可以通过注入具有多个电荷的离子而进一步提高。
在对加速器1700的以上说明中，将带正电的离子注入腔1720中。加速器1700也可以加速带负电的离子。为此，注入带负电的离子，使得它们的轨线的方向与径向电场方向异相。也就是说，注入带负电的离子，使得在通过腔1720的每个半程时每个离子的轨线方向与径向电场的方向相反。要达到这一点，涉及简单地调整将带负电的离子注入腔1720时的时间。因此，加速器1700能够同时加速具有近似相同的质量但是具有相反电荷的离子。更一般地说，加速器1700能够同时加速不同类型的带正电和带负电(以及单电荷和多电荷)的离子，条件是离子通过腔1720的渡越时间比较相似。在一些实施方案中，加速器1700可以包括多个输出耦合，提供具有类似或不同能量的不同类型的经加速离子束。
也可以将其它类型的加速器用于加速离子以用于照射纤维素或木质素纤维素材料。例如，在一些实施方案中，可以将离子在基于回旋加速器和/或同步加速器的加速器中加速到相对较高的平均能量。这样的加速器的构造和操作是本领域公知的。作为另一个实例，在一些实施方案中，可以使用潘宁(Penning)型离子源产生和/或加速离子，以用于处理纤维素或木质素纤维素基材料。潘宁型源的设计在Prelec(1997)第7.2.1节中讨论。
多种类型的静电加速器和/或动态加速器通常也可以用于加速离子。静电加速器通常包括保持在不同的DC电压下的多个静电透镜。通过选择施加到各个透镜元件上的合适的电压值，可以将引入加速器中的离子加速到选定的最终能量。图16显示了为加速离子以处理纤维素或木质素纤维素材料1835而配置的静电加速器1800的简化的示意图。加速器1800包括产生离子并将离子引入离子柱1820中的离子源1810。离子柱1820包括多个静电透镜1825，所述透镜将离子源1810产生的离子加速以产生离子束1815。向透镜1825施加DC电压；透镜的电势在操作过程中保持近似恒定。通常，各个透镜中的电势是恒定的，并且离子束1815的离子在各个透镜1825之间的间隙中被加速。离子柱1820还包括偏转透镜1830和准直透镜1832。这两个透镜将离子束1815引导至纤维素或木质素纤维素材料1835上的选定位置，并将离子束1815聚焦到纤维素或木质素纤维素材料上。
尽管图16显示了静电加速器的特定实施方案，但是很多其它变化方案也是可以的并适合用于处理纤维素或木质素纤维素材料。例如，在一些实施方案中，可以将偏转透镜1830和准直透镜1832沿着离子柱1820的相对位置交换。也可以在离子柱1820中存在另外的静电透镜，并且离子柱1820可以进一步包括静磁光学元件。在某些实施方案中，在离子柱1820中可以存在很多种附加元件，包括偏转器(例如四极、六极和/或八极偏转器)，过滤元件例如孔以从离子束1815中去除不期望的物质(例如中性物质和/或某些离子物质)，提取器(例如用于形成离子束1815的空间轮廓)，以及其它静电和/或静磁元件。
动态线性加速器——经常称为LINACS——也可以用于生成可用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束。通常，动态线性加速器包括具有一线性系列的射频腔的离子柱，各个射频腔产生高强度的振荡射频(RF)场，将该场定时以与离子向离子柱中的注射和传播相一致。作为实例，诸如速调管的设备可以用于在腔中产生RF场。通过使场的振荡与离子的注入时间匹配，RF腔可以将离子加速到高能量而不必长时间保持峰值电势。结果，LINACS通常不具有与DC加速器相同的防护要求，并且通常在长度上更短。LINACS通常在3GHz(S频带，通常限于相对较低的功率)和1GHz(L频带，能够进行显著更高功率的运行)的频率下运行。典型的LINACS具有2-4米的总长度。
动态线性加速器1850(例如LINAC)的示意图显示在图17中。LINAC 1850包括离子源1810以及包含三个加速腔1860的离子柱1855、偏转器1865以及聚焦透镜1870。偏转器1865和聚焦透镜1870用于在加速后将离子束1815操纵并聚焦到纤维素或木质素纤维素材料1835上，如以上所讨论。加速腔1860由传导性材料例如铜形成，并充当经加速的离子的波导。与各个腔1860相连的速调管1862产生在腔内将离子加速的动态RF场。将速调管1862各自配置成产生这样的RF场：它们一起将离子束1815中的离子在入射到纤维素或木质素纤维素材料1835上之前加速到选定的最终能量。
如以上针对静电加速器所讨论，动态加速器1850的很多变化形式也是可以的，并且可以用于产生用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束。例如，在一些实施方案中，在离子柱1855中也可以存在附加的静电透镜，并且离子柱1855可以进一步包括静磁光学元件。在某些实施方案中，很多种附加的元件可以存在于离子柱1855中，包括偏转器(例如四极、六极和/或八极偏转器)、过滤元件例如孔以从离子束1815中去除不期望的物质(例如中性物质和/或某些离子物质)、提取器(例如用于形成离子束1815的空间轮廓)，以及其它静电和/或静磁元件。除了以上讨论的具体的静电加速器和动态加速器，其它合适的加速器系统包括例如：可从日本Nissin High Voltage获得的DC绝缘芯变压器(ICT)型系统，可从L3-PSD(美国)、Linac Systems(法国)、Mevex(加拿大)和Mitsubishi Heavy Industries(日本)获得的S频带LINACS；可从Iotron Industries(加拿大)获得的L频带LINACS；以及可从Budker Laboratories(俄罗斯)获得的基于ILU的加速器。
在一些实施方案中，基于van de Graaff的加速器可以用于产生和/或加速随后用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子。图18显示了van de Graaff加速器1900的一个实施方案，该加速器包括球形壳电极1902和绝缘带1906，该绝缘带在电极1902和加速器1900的底部1904之间循环。在操作过程中，绝缘带1906沿着箭头1918所示的方向在滑轮1910和1908上行进，并将电荷携带到电极1902中。电荷从带1906上去除并向电极1902转移，使得电极1902上的电势的大小提高，直到电极1902通过火化放电(或者，直到充电电流被负载电流平衡)。
如图18所示，滑轮1910接地。在带1906一侧的一系列点或细线之间保持电晕放电。配置线1914以保持加速器1900中的电晕放电。将线1914保持为正电势，以使得带1906截取从线1914向滑轮1910移动的正离子。当带1906沿着箭头1918的方向移动时，被截取的电荷被携带到电极1902中，在此它们被针尖1916从带1906上去除并转移到电极1902。结果，正电荷在电极1902的表面上累积；这些电荷可以从电极1902的表面上放电并用于处理纤维素或木质素纤维素材料。在一些实施方案中，可以配置加速器1900以通过在相对于接地滑轮1910的负电势下操作线1914和针尖1916而提供带负电的离子。
通常，可以配置加速器1900以提供用于处理纤维素或木质素纤维素材料的很多种不同类型的正电荷和负电荷。电荷的示例性类型包括电子、质子、氢离子、碳离子、氧离子、卤素离子、金属离子和其它类型的离子。
在某些实施方案中，可以使用串列式加速器(包括折叠式串列式加速器)来生成用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束。折叠式串列式加速器1950的一个实例显示在图19中。加速器1950包括加速柱1954、电荷剥离器1956、束偏转器1958和离子源1952。
在操作过程中，离子源1952产生带负电的离子束1960，该离子束被引到通过输入口1964进入加速器1950。通常，离子源1952可以是产生带负电的离子的任何类型的离子源。例如，合适的离子源包括通过铯溅射源的负离子源(SNICS)、RF电荷交换离子源或者环状空间离子源(TORVIS)。上述示例性离子源中的每一个可以从例如National ElectrostaticsCorporation(Middleton，WI)获得。
一旦在加速器1950中，束1960中的负离子被加速柱1954加速。通常，加速柱1954包括多个加速元件例如静电透镜。为加速负离子而在柱1954中施加的电势差可以用多种类型的设备产生。例如，在一些实施方案中(例如加速器)，使用充电设备产生电势。设备包括由多个金属(例如钢)链节或小球(pellet)形成的带电带，所述链节或小球由绝缘连接体(例如由诸如尼龙的材料形成)桥接。在操作过程中，带在一对滑轮之间循环，滑轮之一保持在接地电势。当带在接地滑轮和相对的滑轮(例如末端滑轮)之间移动时，金属小球通过感应带正电。在到达末端滑轮后，将在带上累积的正电荷去除，并且当小球离开末端滑轮并返回接地滑轮时带负电。
设备在柱1954中产生用于加速束1960的负离子的大的正电势。在柱1954中发生加速后，束1960通过电荷剥离器1956。电荷剥离器1956可以以薄金属箔和/或含有气体的管的形式实现，其例如将电子从负离子中剥离。带负电的离子从而转变成带正电的离子，该带正电的离子从电荷剥离器1956中出现。改变出现的带正电的离子的轨线以使得带正电的离子返回并通过加速柱1954，在柱中经历第二次加速，然后作为带正电离子束1962从输出口1966出现。然后可以将带正电的离子束1962用于根据本文中讨论的各种方法处理纤维素或木质素纤维素材料。
由于加速器1950的折叠式几何形状，离子被加速到对应于充电设备产生的电势差的两倍的动能。例如，在2MV加速器中，通过离子源1952引入的氢化物离子将在通过柱1954的第一趟期间被加速到2MeV的中间能量，被转变成正离子(例如质子)，并在通过柱1954的第二趟期间被加速到4MeV的最终能量。
在某些实施方案中，柱1954可以包括作为充电设备的补充或替代的元件。例如，柱1954可以包括静电加速元件(例如DC电极)和/或动态加速腔(例如，具有用于粒子加速的脉冲RF场发生器的LINAC型腔)。选择施加到各种加速设备上的电势以加速束1960的带负电的离子。
串列式加速器的实例包括折叠式和非折叠式加速器两者，均可以从例如NationalElectrostatics Corporation(Middleton，WI)获得。
在一些实施方案中，可以使用各种加速器中的两种或多种的组合来产生适合用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束。例如，折叠式串列式加速器可以与线性加速器、加速器、静电加速器或者任何其它类型的加速器组合使用以产生离子束。加速器可以串联使用，将一种加速器的输出离子束引导进入用于进一步加速的另一种加速器。或者，多个加速器可以并联使用以生成多个离子束。在某些实施方案中，可以将相同类型的多个加速器并联和/或串联使用以生成经加速的离子束。
在一些实施方案中，可以使用多个类似和/或不同的加速器以生成具有不同的组成的离子束。例如，第一加速器可以用于生成一种离子束，而第二加速器可以用于生成第二种离子束。这两个离子束然后可以各自在另一加速器中进一步加速，或者可以用于处理纤维素或木质素纤维素材料。
此外，在某些实施方案中，可以将单个加速器用于生成用于处理纤维素或木质素纤维素材料的多个离子束。例如，可以修改本文中讨论的任何加速器(以及其它类型的加速器)，通过将从离子源引入加速器中的初始离子流进行细分而产生多个输出离子束。作为替代或者作为补充，通过本文中公开的任何加速器产生的任何一束离子束可以仅包含单一类型的离子或者多种不同类型的离子。
通常，在将多种不同的加速器用于产生一个或多个用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束的情况下，多个不同的加速器可以以任何顺序相对于彼此定位。这为一个或多个离子束的产生提供了高度的灵活性，所述离子束中的每一个具有为了处理纤维素或木质素纤维素材料(例如为了处理纤维素或木质素纤维素材料中的不同组分)而仔细选择的性能。
本文中公开的离子加速器可以与本文中公开的任何其它处理步骤组合使用。例如，在一些实施方案中，可以将电子和离子组合使用以处理纤维素或木质素纤维素材料。电子和离子可以分别地产生和/或加速，并用于依次地(以任何顺序)和/或同时地处理纤维素或木质素纤维素材料。在某些实施方案中，电子和离子束可以在共同的加速器中产生并用于处理纤维素或木质素纤维素材料。例如，可以配置本文中的公开的很多离子加速器以产生电子束，作为离子束的替代或者补充。例如，可以配置加速器、加速器和LINACs以产生用于处理纤维素或木质素纤维素材料的电子束。
此外，用离子束对纤维素或木质素纤维素材料的处理可以与其它技术例如声处理组合。通常，基于声处理的处理可以发生在基于离子的处理之前、过程中或之后。其它处理例如电子束处理也可以与超声波处理和离子束处理以任何组合和/或顺序进行。
纸添加剂
造纸工业中使用的很多添加剂和涂料中的任何一种可以添加或施加到本文中所述的纤维材料、纸或任何其它材料和产品中。添加剂包括填料，例如碳酸钙、塑性颜料、石墨、硅灰石、云母、玻璃、玻璃纤维、二氧化硅和滑石；无机阻燃剂例如三水合氧化铝或氢氧化镁；有机阻燃剂例如含氯或含溴的有机化合物；碳纤维；以及金属纤维或粉末(例如铝、不锈钢)。这些添加剂可以增强、扩充或改变电学或力学性能、相容性能或者其它性能。其它添加剂包括淀粉、木质素、香料、偶联剂、抗氧化剂、遮光剂、热稳定剂、色素例如染料和颜料、聚合物例如可降解聚合物、光稳定剂以及杀生物剂。代表性的可降解聚合物包括聚羟基酸，例如聚丙交酯、聚乙交酯以及乳酸和乙醇酸的共聚物、聚(羟基丁酸)、聚(羟基戊酸)、聚[丙交酯-共-(e-己内酯)]、聚[乙交酯-共-(e-己内酯)]、聚碳酸酯、聚(氨基酸)、聚(羟基链烷酸酯)类、聚酐类、聚原酸酯和这些聚合物的共混物。
当包含添加剂时，它们基于干重量计算可以以低于约1％至高达约80％的量存在，该百分比基于纤维材料的总重量。更典型地，该量的范围从约0.5重量％至约50重量％，例如从约0.5％至约5％、10％、20％、30％或更多，例如40％。
可以将本文中所述的任何添加剂封装，例如喷雾干燥或微囊化，以便例如保护添加剂在操作过程中免遭热量或水分的作用。
合适的涂料包括用于在造纸工业中提供特定表面特征的很多涂料中的任何一种，所述特征包括特定的印刷应用所需的性能特征。
如上所述，多种填料可以包含在纸中。例如，可以使用无机填料例如碳酸钙(例如沉淀碳酸钙或天然碳酸钙)、霰石粘土(aragonite clay)、正交粘土(orthorhombic clay)、方解石粘土(calcite clay)、菱形粘土(rhombohedral clay)、高岭土、膨润土、磷酸氢钙、磷酸三钙、焦磷酸钙、不溶性偏磷酸钠、沉淀碳酸钙、正磷酸镁、磷酸三镁、羟磷灰石、合成磷灰石、氧化铝、二氧化硅干凝胶、金属铝硅酸盐配合物、硅酸钠铝、硅酸锆、二氧化硅或这些无机添加剂的组合。填料可以具有例如大于1微米，例如大于2、5、10或25微米或者甚至大于35微米的颗粒尺寸。
纳米级填料也可以单独地或者组合地用于任何尺寸和/或形状的纤维材料。填料可以为例如颗粒、片或纤维形式。例如，可以使用纳米尺度的粘土、硅和碳纳米管以及硅和碳纳米线。填料可以具有小于1000nm，例如小于900、800、750、600、500、350、300、250、200或100nm或者甚至小于50nm的横向尺寸。
在一些实施方案中，纳米粘土是蒙脱土。这样的粘土可从Nanocor，Inc以及Southern Clay products获得，并且已记载于美国专利No.6,849,680和6,737,464中。粘土可以在混合到例如树脂或纤维材料之前进行表面处理。例如，可以对粘土进行表面处理以使得其表面为离子性的，例如阳离子或阴离子性。
也可以使用聚集或凝聚的纳米级填料，或者组装成超分子结构例如自组装超分子结构的纳米级填料。聚集填料或超分子填料在结构上可以是开放或封闭的，并且可以具有多种形状，例如笼状、管状或球状。
木质素含量
纸可以含有木质素，例如最高达1、2、3、4、5、7.5、10、15、20或者甚至25重量％的木质素。
该木质素含量可以来自于用于造纸的木质素纤维素材料中存在的木质素。作为替代或者作为补充，如以上所述，可以将木质素加入纸中作为添加剂。在这种情况下，木质素可以作为固体加入，例如作为粉末或其它颗粒材料，或者可以溶解或分散并以液体形式加入。在后一种情况下，木质素可以溶解于溶剂或溶剂体系中。溶剂或溶剂体系可以是单相或两相或更多相的形式。用于纤维素和木质素纤维素材料的溶剂体系包括DMSO-盐体系。这样的体系包括例如DMSO与锂盐、镁盐、钾盐、钠盐或锌盐的组合。锂盐包括LiCl、LiBr、LiI、高氯酸锂和硝酸锂。镁盐包括硝酸镁和氯化镁。钾盐包括碘化钾和硝酸钾。钠盐的实例包括碘化钠和硝酸钠。锌盐的实例包括氯化锌和硝酸锌。任何盐都可以是无水的或水合的。盐在DMSO中的典型含量为约1至约50重量％，例如约2至25重量％、约3至15重量％或者约4至12.5重量％。
在一些情况下，木质素在照射过程中将在纸中交联，这进一步增强纸的物理性能。
纸的类型
纸经常通过重量表征。对于纸所称的重量是一令500张的重量，其尺寸是在切割成销售给最终消费者的尺寸之前的各种“基本尺寸”。例如，一令20lb 81/2×11”的纸的重量为5磅，因为它已从更大的纸张切成四片。在美国，印刷纸(printing paper)通常为20lb、24lb或者至多32lb。封皮纸(Cover Stock)通常为68lb和110lb或者更多。
在欧洲，重量以每平米的克数表示(gsm或者只是g)。印刷纸通常为60g至120g。任何重于160g的纸被认为是制卡片的纸料。因此，一令的重量取决于纸的尺寸，例如一令A4(210mm×297mm)尺寸(约8.27”×11.7”)纸的重量为2.5千克(约5.5磅)。
纸的密度的范围从薄纸的250kg/m3(16lb/ft3)到某些特种纸的1500kg/m3(94lb/ft3)。在一些情况下，印刷纸的密度为约800kg/m3(50lb/ft3)。
本文中所述的方法适合用于所有这些品级的纸，以及其它类型的纸例如瓦楞纸板、卡纸和其它纸产品。本文中所述的方法可以用于处理用于例如任何以下应用中的纸：用作邮票；用作纸币、银行票据、有价证券、支票等；用于书籍、杂志、报纸和艺术品；用于包装，例如卡纸、瓦楞纸板、纸袋、信封、包装用薄页纸、盒子；用于家用产品例如卫生纸、薄纸、纸巾和餐巾纸；在复合材料中用作芯材的纸蜂窝；建筑材料；建筑用纸；一次性衣物；以及用于多种工业用途中，包括砂纸、沙纸、吸墨纸、石蕊试纸、通用试纸、纸色谱、电池隔板和电容器电介质。该纸可以是单层或多层纸。
纸可以由任何期望类型的纤维制成，包括来自木材和再生纸的纤维，以及来自其它来源的纤维。植物纤维材料，例如棉、大麻、亚麻(linen)和稻，可以单独使用或者彼此组合使用或者与来自木材的纤维组合使用。其它非木纤维来源包括但不限于甘蔗、甘蔗渣、稻草、竹子、洋麻、黄麻、亚麻(flax)和棉。可以将多种合成纤维(例如聚丙烯和聚乙烯)以及其它成分例如无机填料加入纸中，作为赋予期望的物理性能的手段。在用于特殊应用例如纸币、精致文具(fine stationary)、铜版纸和需要特定强度或美学特征的其它应用中，可能需要在纸中包含这些非木纤维。
纸可以在印刷之前或之后照射。照射可以用于对纸进行标记，例如通过提高受照射区域中的羧酸基团的数目。这在例如对货币作标记方面会是有用的。
工艺用水
在本文中所公开的方法中，无论何时在任何工艺中使用水时，它可以是灰水(greywater)，例如市政灰水，或者黑水(black water)。在一些实施方案中，灰水或黑水在使用之前消毒。消毒可以通过任何期望的技术来完成，例如通过照射、蒸汽或化学消毒。
实施例
以下实施例不用于限制权利要求中所述的发明。
实施例1-通过凝胶渗透色谱法确定纤维素和木质素纤维素材料的分子量的方法
该实施例说明如何确定本文中讨论的材料的分子量。将用于分析的纤维素和木质素纤维素材料按如下所述进行处理：
从International Paper获得1500磅货盘(skid)的具有30lb/ft3的体密度的原始漂白白色牛皮纸板。将该材料折平，然后以每小时约15至20磅的速度加入3hp FlinchBaugh碎纸机中。该碎纸机装有两个12英寸旋转刀片、两个固定刀片和一个0.30英寸的卸料筛(discharge screen)。将旋转刀片和固定刀片之间的间隙调整为0.10英寸。从碎纸机的输出类似于碎纸花(如上)。将类似于碎纸花的材料加入SC30型的Munson转刀切割机中。卸料筛具有1/8英寸的孔。将旋转刀片和固定刀片之间的间隙设定为约0.020英寸。转刀切割机剪切通过刀刃的类似于碎纸花的纸片。将由第一次剪切得到的材料重新加料到相同的设备中，并将该筛用1/16英寸的筛替换。剪切该材料。将由第二次剪切得到的材料重新加料到相同的设备中并将该筛用1/32英寸的筛替换。剪切该材料。得到的纤维材料具有1.6897m2/g+/-0.0155m2/g的BET表面积、87.7163％的孔隙率和0.1448g/mL的体密度(在0.53psia的压力下)。纤维的平均长度为0.824mm，纤维的平均宽度为0.0262mm，得到32:1的平均L/D。
下表1和2中所示的样品材料包括牛皮纸(P)、麦杆(WS)、苜蓿(A)和柳枝稷(SG)。样品ID的数字“132”指的是材料通过1/32英寸筛剪切后的颗粒尺寸。横线之后的数字指的是照射的剂量(MRad)，“US”指的是超声波处理。例如，样品ID“P132-10”指的是剪切到132目的颗粒尺寸并用10MRad照射的牛皮纸。
表1.经照射的牛皮纸的峰平均分子量
**低辐射剂量看来提高某些材料的分子量
1剂量速率＝1MRad/小时
2在循环条件下使用1000W的喇叭用20kHz的超声处理30分钟，材料分散于水中。
表2.经照射材料的峰平均分子量
*处理后峰合并
**低辐射剂量看来提高某些材料的分子量
1剂量速率＝1MRad/小时
2在循环条件下使用1000W的喇叭用20kHz的超声处理30分钟，材料分散于水中。
将凝胶渗透色谱(GPC)用于确定聚合物的分子量分布。在GPC分析过程中，将聚合物样品的溶液通过装填有多孔凝胶的柱，该凝胶用于俘获小分子。将样品基于分子大小分离，较大的分子比较小的分子更快地洗脱。经常用折射率(RI)、蒸发光散射(ELS)或紫外线(UV)检测各组分的保留时间，并与标定曲线对比。然后将得到的数据用于计算样品的分子量分布。
将分子量分布而不是单独的分子量用于表征合成聚合物。为了表征该分布，使用统计平均值。最常用的这些平均值为“数均分子量”(Mn)和“重均分子量”(Mw)。计算这些值的方法记载于现有技术中，例如WO 2008/073186的实施例9。
多分散指数或PI定义为比值Mw/Mn。PI越大，该分布越宽或越分散。PI可以具有的最低值为1。这表示单分散样品；也就是说该分布中所有分子具有相同分子量的聚合物。
峰分子量值(Mp)是另一个指标，它定义为分子量分布的模式。它表示在分布中丰度最高的分子量。该值也传达分子量分布的信息。
大部分GPC测量相对于不同的标准聚合物进行。结果的精度取决于被分析的聚合物的特征与使用的标准如何接近。独立地标定的不同系列测定之间重复性的预期误差为约5至10％，并且是GPC测定的有限精度的特征。因此，当在相同系列的测定中比较不同样品的分子量分布时，GPC结果最有用。
木质素纤维素样品要求在GPC分析之间进行样品制备。首先，在二甲基乙酰胺(DMAc)中制备氯化锂(LiCl)的饱和溶液(8.4重量％)。将大约100mg样品加入大约10g新制备的LiCl/DMAc饱和溶液中，并将混合物在搅拌下在约150℃-170℃下加热1小时。得到的溶液通常是淡黄色至深黄色的。将溶液的温度降低到约100℃并再加热2小时。然后将溶液的温度降低到约50℃并将样品溶液加热约48至60小时。注意到，照射了100MRad的样品比它们的未处理的对应物更容易溶解。此外，经剪切的样品(用数字132表示)具有比未切割的样品略低的平均分子量。
使用DMAc作为溶剂将得到的样品溶液以1:1稀释，并通过0.45μm PTFE过滤器过滤。然后将经过过滤的样品溶液用GPC分析。通过凝胶渗透色谱(GPC)测定的样品的峰平均分子量(Mp)汇总于上表1和2中。每个样品制备为双份，并将每个样品的配制品分析两次(两次注射)，即每个样品一共注射4次。对于从约580至7,500,00道尔顿的分子量范围，使用聚苯乙烯标准品PS1A和PS1B产生标定曲线。GPC分析条件记载于下表3中。
表3.GPC分析条件
实施例2-电子束处理卡纸板样品
使用坑室中的TT200连续波加速器以80kW的输出功率递送5MeV电子，用电子束处理0.050英寸厚的褐色卡纸板样品。表4记载了TT200的标称参数。表5报道了递送给样品的标称剂量(MRad)和实际剂量(kgy)。
表4.TT 200参数
表5.递送给样品的剂量
1例如,将9.9kgy在11秒中以5mA的束流和12.9英尺/分钟的线速度递送。在1MRad处理之间的冷却时间为约2分钟。
在7MRad以下处理的卡纸板样品比未处理的对照在触感上更硬，但是看上去与对照相同。用约10MRad的剂量处理的样品在触觉上硬度与对照相当，而用更高的剂量处理的样品操纵起来更柔。对于用50MRad的剂量处理的样品，明显看出强烈的材料降解。
其它实施方案
应当理解，虽然已通过详细说明对本发明进行了说明，但是以上说明用于举例说明而不限制本发明的范围，该范围由附带的权利要求的范围限定。其它方面、优点和修改在以下权利要求的范围内。
优选的实施方式：
1.用于造纸的纤维素或木质素纤维素材料的生产方法，该方法包括：
用至少2.5MRad的电离辐射处理具有第一平均分子量的纤维素或木质素纤维素干原料以将该原料的平均分子量降低到预定水平，该预定水平选择为使得经处理的原料适合用作或者适合形成用于造纸工艺中的纸浆。
2.项目1的方法，进一步包括使经处理的原料经受制浆工艺。
3.以上项目任意之一的方法，进一步包括使经处理的原料经受机械分解工艺和/或向经处理的原料施加声能。
4.以上项目任意之一的方法，其中原料包括木屑。
5.以上项目任意之一的方法，其中电离辐射的剂量为约2.5至约10MRad。
6.以上项目任意之一的方法，其中所述处理包括用γ射线或电子束辐射照射。
7.项目6的方法，其中所述处理包括用电子束辐射照射，并且其中该电子束中的电子具有至少0.25MeV的能量。
8.处理纸产品的方法，该方法包括：
将经照射的纸产品淬火，该纸产品包含第一含碳水化合物材料，其被至少0.10MRad的电离辐射照射以提高该纸产品的分子量。
9.项目8的方法，其中经照射的纸产品已用约0.25至约2.5MRad的电离辐射剂量照射。
10.项目8或9的方法，其中经照射的纸产品已用γ射线或用电子束辐射照射。
11.项目10的方法，其中经照射的纸产品已用电子束辐射照射，该电子束中的电子具有至少0.25MeV，或者0.25MeV至7.5MeV的能量。
12.项目8至11任意之一的方法，其中淬火在气体的存在下进行，选择该气体以与经照射的纸产品中存在的游离基反应。
13.纸浆材料，其包含：
经处理的纤维素或木质素纤维素纤维材料，所述纤维材料具有小于500,000的平均分子量并且含有用于获得经处理材料的天然存在的纤维素或木质素纤维素纤维材料中不存在的烯醇基团或羧酸基团或其盐或酯。
14.项目13的纸浆材料，其中经处理的材料进一步包含选自以下的官能团：醛基、亚硝基、腈基、硝基、酮基、氨基、烷基氨基、烷基、氯代烷基、氯氟烷基和羧酸基团。
15.项目13的纸浆材料，其中天然存在的纤维素或木质素纤维素纤维材料包括木屑。
16.由项目13的纸浆材料形成的纸产品。
17.纤维素或木质素纤维素材料的制造方法，该方法包括：
用电离辐射将纤维素或木质素纤维素材料照射到选定的温度；
将经照射的材料冷却到选定的温度以下；并且
将冷却的材料再次用电离辐射照射。
18.项目17的方法，其中纤维素或木质素纤维素材料包括纸产品和/或用于纸浆生产的起始材料。
19.纸产品的制造方法，该方法包括：
用涂料或染料对经照射的纤维素材料进行表面处理。
20.纸产品的制造方法，该方法包括：
将材料接枝到经过照射的纤维素材料的接枝点上，以提供具有多个接枝点的官能化纤维素材料。
21.项目20的方法，其中该材料包含反应性染料。
22.纸产品的制造方法，该方法包括：
照射包含纤维素材料和接枝剂的组合，以使得接枝剂结合到纤维素材料上。
23.项目20的方法，其中接枝剂共价结合到纤维素材料上。
24.处理纸或纸前体的方法，该方法包括：
形成多个带负电的离子；
将所述带负电的离子加速到第一能量；
从所述带负电的离子的至少一些中去除多个电子以形成带正电的离子；
将带正电的离子加速到第二能量；并且
引导带正电的离子入射到纸或纸前体上。
25.处理纸或纸前体的方法，该方法包括：
生成多个带电粒子；
通过引导各个带电粒子多次通过加速器腔而将带电粒子加速，所述加速器腔包含依时电场；并且
将纸或纸前体暴露于经加速的带电粒子。
26.处理纸或纸前体的方法，该方法包括：生成多个带电粒子；
通过引导带电粒子要么通过包含不同电势的多个电极的加速腔要么通过包含多个波导的加速器而将所述多个带电粒子加速，其中各个波导包含电磁场；并且
将纸或纸前体暴露于经加速的带电粒子。
27.包含经照射的木质素纤维素材料的纸，其中经照射的木质素纤维素材料包含至少约2重量％的木质素。
28.造纸的方法，该方法包括：
由通过将纤维素或木质素纤维素材料与木质素组合而提供的前体形成纸。
29.项目28的方法，进一步包括照射该纸、该前体和/或该纤维素或木质素纤维素材料。

Claims (13)

1.处理纸或纸前体的方法，该方法包括：
将纸或纸前体暴露于经加速的带电粒子，通过生成多个带电粒子并将多个带电粒子加速而形成所述经加速的带电粒子，以递送0.1至5MRad的辐射剂量到所述纸或纸前体，以提高所述纸或纸前体的分子量；
将经照射的纸淬火，通过使经照射的纸与经选择以与经处理的纸产品中存在的游离基反应的气体接触，所述气体选自氧气、氮气、乙炔、乙烯、氯代乙烯、氯氟代乙烯、丙烯或者其混合物；和
在暴露于带电粒子并淬火之后，对纸进行印刷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过引导各个带电粒子多次通过加速器腔而将所述粒子加速，所述加速器腔包含依时电场。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过引导带电粒子通过包含不同电势的多个电极的加速腔而将所述粒子加速。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过引导带电粒子通过包含多个波导的加速器而将所述粒子加速，其中各个波导包含电磁场。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子包括电子。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述电子以具有5至150kW功率的束进行递送。
7.根据权利要求1所述的方法，其中暴露包括以大于0.5Mrad/s的剂量速率递送辐射。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述纸来制造纸币。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述纸包括合成纤维。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述合成纤维包括聚丙烯或聚乙烯。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述纸包括植物纤维。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述植物纤维选自棉、大麻、亚麻、稻及其混合物。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述纸或纸前体包含纤维素纤维。
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