CN1482960A - 木材产品以及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种处理木材的方法，包括：a)用糠醇溶液浸渍木材；b)使浸渍后的木材静置，从而使糠醇溶液扩散入木材内部；以及在一定条件下热压木材，从而实现糠醇在木材内部聚合。

Description

木材产品以及其制备方法
本发明涉及木材产品以及其制备方法。本发明具体涉及用糠醇溶液处理木材的方法，以及用糠醇溶液制备复合木材产品的方法。
处理木材以改善其性能特性例如其结构和工程特性是已知的。具体地木材的致密化并不是新想法。在过去已经做过不同的试验来生产两种主要产品。一种是尺寸稳定的未处理的压缩木材，通常称之为“压实材(Staypak)”，另一种是树脂处理过的压缩板称之为“胶压木(Compreg)”。已经发现这些产品具有特殊用途，并且已经在这些领域中市场化了。
“压实材”是一种压缩硬木，其压缩方式使木质素在纤维素纤维之间充分流动以消除内部应力。这一点最可能通过将木材加热到预定温度，压缩并保持一定的时间来实现。按这种方式可能会形成稳定的尺寸。“压实材”提高了耐水性、耐冲击性以及弯曲强度特性，但对风蚀来说没有太多的积极作用。
“胶压木”是用酚醛树脂处理并压缩至约1350kg/m3的多层硬木薄片。树脂在这种环境下固化并在木材内形成一种保持和填充剂以使木材稳定。这种处理方式对冲击强度具有负面影响，但却增强了其耐水性、硬度和弯曲强度。对“胶压木”发现了许多新的最终用途，但现在它却只有很少或没有用途。
针对木材致密化在苏联也进行了独立的工作。生产了一种稳定的高密度产品，但却没有达到尺寸稳定性。没有发现一种产品其能够成功地将木材限定在高密度的固定结构中或防止其吸水。这些产品可能局限于应用硬木。通常硬木是一种比较昂贵的原料产品，与之相比辐射松(Radiata pine)是非常便宜的木材。辐射松边材也是非常容易渗透的，并且其低密度可以在木材内吸收大量溶液。不对木材进行化学改性的问题在于没有太多的工作可做来改善大范围内的特性，特别是尺寸稳定性。
应用粘结剂如甲醛生产复合材料也是已知的。通常在这种传统方法中，由于粘结剂中水的存在，必须将木材干燥到水分含量为约2-3％(以木材干重为基准)。另外，粘结剂例如甲醛是已知的致癌物，因此其具有与健康和安全相关的问题。
本发明的方法有利地提供了处理木材产品和复合木材产品的生产方法，所述方法避免了甲醛的应用，并且进一步有利地提供了与现有技术的木材产品和复合材料相比具有改进的性能特性的木材产品和复合材料。
按照本发明的第一个方面，提供了一种处理木材的方法，包括：
a)用糠醇溶液浸渍木材；
b)使浸渍后的木材静置，从而使糠醇溶液扩散入木材内部；和
c)在一定条件下热压木材，从而实现糠醇在木材内部聚合。
已经确信在上述方法中，使糠醇溶液扩散到木材中有利于扩散进入木材的细胞壁，从而封闭纤维素的羟基基团。由于这种浸渍后的木材在进行热压时，在木材内的三维阵列中形成化学粘结键，因而使处理过的木材具有改进的性能特性。
糠醇溶液优选含有添加剂从而促进热压过程中的聚合反应。在一种特别优选的实施方案中，糠醇溶液含有糠醇和马来酸。从而马来酸可以溶解在糠醇中，所述溶液优选进一步含有水，最优选其含量为约5％体积。
进行浸渍步骤a)，从而有利于木材的化学填充，优选的填充量为约15％-30％(以木材干重为基准)。在一种优选实施方案中，浸渍步骤a)包括对木材施加初始真空，随后在糠醇溶液存在时施加压力。优选地，所施加的真空压力为-90至-95kPa。为了促进糠醇溶液浸渍而对木材施加的压力优选为约200至约1,000kPa，更优选为至少300kPa。
扩散步骤b)优选在环境压力和温度下进行约3-5天。扩散步骤b)是优选的，从而相对于单位体积原始木材样品来说木材膨胀约22％体积。本领域技术人员应该理解的是木材膨胀的量在某种程度上取决于木材密度，并且可以预期与不够致密的木材相比，更致密的木材将膨胀更多。
热压步骤c)的进行条件应实现糠醇的聚合反应，有利地在木材纤维之间形成三维化学粘结键。优选地，热压步骤c)在压力为约5-30MPa和温度为约170-200℃下进行。优选地，热压步骤进行约5-15分钟。这种条件会导致木材微结构的压缩，并且引发糠醇的聚合反应。
本发明的这一方面的方法可以针对任何可渗透的木料进行，所述木料包括边材或软木，例如辐射松。另外，该方法可以用于不太容易渗透的木材，其中已经对所述木材进行过预处理以提高其渗透性。这种预处理可以包括例如微波或蒸汽处理。
还提供了按照本发明这一方面的方法处理过的木材。
按照本发明的另一个方面，提供一种木材产品，所述木材产品包括已经用糠醇溶液浸渍过的木材，所述木材产品相对于未处理的木材来说具有提高了的强度和弹性特性。
在一种具体实施方案中，木材产品的压碎强度至少为50MPa，弹性模量至少为35GPa，并且其硬度至少为25,000N。更优选地，所述木材产品的弹性模量为35-40GPa，且其硬度为25,000-30,000N。
上述木材产品或者按本发明第一方面的方法处理后的木材可以有利地被砂磨或砍成所希望的尺寸或形状。另外，有利的是所述木材产品不吸收大量的水分，通常低于6％(以木材产品的重量为基准)。在这一方面，水分的吸收通常不进入木材的细胞内，并且因此所述木材产品在浸泡和干燥周期中不具有任何明显的膨胀或收缩量。
与未处理木材相比，高的弹性模量代表了实质性的增加。具体地，与处理木材为35-40GPa的弹性模量相比，本源木材(parentwood)的弹性模量通常为5-6GPa。类似地，本发明的木材产品的硬度要明显高于其本源木材，并且通常要比目前可得到的任何硬木的硬度高得多。例如，桉树的硬度为约7000N，该值要比按照本发明的这一方面所提供的木材产品的硬度低得多。
另外，本发明的木材产品具有高的耐火性能，通常为完全填充硼的木材的预期值的85-90％。还应注意的是，概括地说，硼不能成功地固定到木材上，并因此通常会从处理过的木材上损失掉。从工程角度讲，木材产品在结构上是可靠的。类似地，从经济角度讲，应用上述处理木材的方法来生产木材产品在成本上是有效的，原因在于可以处理软木材料从而为更昂贵的硬木材料提供替代品。
在实施本发明的过程中，还发现当用于生产各种基于复合材料的木材时，糠醇可以提供许多优点。
因此，本发明的第二方面是提供一种制备基于复合材料的木材的方法，包括：
a)将木材颗粒与糠醇和糠醛的溶液混合；和
b)在一定条件下热压混合后的木材，从而实现糠醇的聚合反应以促进木材颗粒的粘结。
当用于本申请时，术语“木材颗粒”包括木屑、纤维、颗粒等。
糠醇和糠醛的溶液优选含有添加剂，最优选的为马来酸和水。在一种实施方案中，当马来酸为添加剂时，以溶液的体积为基准，水的加入量为5％体积，从而促进溶液中马来酸的溶解。
按照本发明的这一方面，优选进行木材颗粒与糠醇和糠醛溶液的混合，从而溶液不会明显渗透入木材中。也就是说，基本没有用溶液实质上浸渍木材颗粒。但优选进行混合，从而使溶液混合在木材颗粒的表面上。例如可以应用旋转盘进行混合。
为了促进混合并确保木材颗粒基本涂覆有糠醇和糠醛溶液，在混合前可以调节溶液的粘度。溶液的粘度优选为150-200厘泊。如果需要，溶液可以在一个大桶内进行预反应以提供所希望的粘度。例如可以在温度为约50-60℃下对溶液进行预反应，通常反应时间约半小时。
同前述制备木材产品所应用的压力相比，按照本发明这一方面的热压步骤b)通常将涉及更低的压力。这是因为事实上所生产的是复合木材产品而不是实木产品。正因如此，在一种优选的实施方案中，热压步骤b)包括施加约6-8MPa的压力。
按照以上方法生产的复合板有利地具有至少约700kg/m3的密度。另外，因为糠醇/糠醛溶液含有少量水，与制备复合材料的常规方法中所应用的初始木材颗粒相比，其初始木材颗粒的水含量可能相对要高一些。例如，由于所用粘结剂中存在水，常规方法通常需要预干燥木材，使其水含量为约2-3wt％(以木材的干重为基准)。而按照这里所描述的制备复合材料的发明方法，所述木材颗粒可以具有水含量至多为约10wt％(以木材的干重为基准)。更进一步的结果是，与常规制备颗粒板和MDF板的方法相比，本发明的方法会遇到更少的由于处理过程中气体散发所引起的问题。
因此还提供一种按照上述方法制备的复合材料。
按照本发明的另一个方面，还提供一种包括木材颗粒的复合材料，其中所述木材颗粒用糠醇和糠醛的粘结剂溶液化学粘结，所述粘结剂溶液优选含有糠醇、糠醛、添加剂如马来酸和水。
下面的实施例仅提供范例，不应以任何方式对本发明构成限制。
在该实施例中应用尺寸约为18×45×200的辐射松边材样品。将样品在一个设计好的处理盘中处理，从而使所需要的处理溶液的量最少。应用如下处理过程利用改进的Bethell方法来产生所要求的吸收。
1.针对大量吸收按照如下处理程序应用硼混合物
初始真空-85kPa 15分钟。
压力为1200kPa 45分钟。
卸压，并从处理溶液中取出木材样品。
将样品放入空盘中，并放回到处理装置中。
最后真空-50kPa 20分钟
2.糠醇组成如下
90％糠醇
5％马来酸(催化剂)
5％水(助催化剂)
按照如下处理程序应用：
真空-70kPa 10分钟。
浸泡30分钟。
放置3-4天进行扩散。
3.对比样品，一些被压缩，而另一些保持其原始形态。
在将样品放入每个模具之前，将压具和两个模具均预热到175℃。将模具盖放到样品顶部并加压10分钟。压力的最大值为18000kPa，模具盖的表面积为200cm2，因此最大压强为90kPa/cm2。
然后从模具中取出样品，冷却并砂磨以得到最终产品。当挤压木块时发现了一个问题。当压力增加时木材的宽度自由增加。结果是最终产品不受欢迎。
最终产品是不可控制的，并且为了测试，需要尺寸均一的样品。作为结果开发了一个容器设备(图1)。将木材放置在模具中，将盖放置在木材顶部，然后加压。当木材压缩时，盖的顶部与模具的侧边变得一样高。一旦达到这一点，不能再进一步压缩，并且木材样品具有预定的尺寸、形状和密度，并且能够很容易地重复生产。所述模具由平的低碳钢制成，其中装有产生恒定最终产品的木材。通过向模具中插入更多的平钢，并且通过改变“盖”的厚度，可以改变尺寸。
在该试验中达到密度的增加。表1给出了每种样品的最终密度以及每种处理方式的平均密度。
                  表1每种样品的最终密度
  样品编号 未压缩对比例 压缩对比例 硼处理并压缩 糠醇压缩
    1     454     1296     1121     1415
    2     523     1181     983     1359
    3     513     1171     1155     1336
    平均     497     1216     1086     1370
表2给出了经过每一处理阶段的样品的密度，并且给出了从最初阶段到最终产品的密度的增加。
                   表2整个处理过程中密度的变化
    样品编号     初始密度   干燥处理后的密度     最终密度 与初始值相比的密度增加
    C1     514     1296     2.5
    C2     485     1181     2.4
    C3     470     1170     2.5
    B1     483     561     1121     2.3
    B2     482     527     983     2.0
    B3     470     575     1155     2.5
    F1     480     691     1415     2.9
    F2     451     632     1357     3.0
    F3     485     695     1336     2.7
C＝压缩对比例，B＝硼样品，F＝糠醇样品
观察这些结果可以看出与压缩对比例和硼样品相比，糠醇样品确定具有更大的密度增加。
每种样品均进行三次平行测试，并且在实验室的强度测试机上进行MOE测试。MOE的公式为：
W I 3 4 Δb d 3 其中：W＝负荷(N)
  I＝跨度(样品的长度)
  Δ＝偏差
  b＝样品宽度
  d＝样品厚度
现在：斜率＝W/Δ
因此：
测量其尺寸，并从强度测试机器上收集数据。然后应用上述公式计算结果。
    处理方式   大约尺寸
  未压缩对比例 200×45×16mm
  压缩对比例 200×45×6mm
  压缩硼处理 200×50×6mm
  用糠醇压缩 200×50×6mm
每种样品各自的结果均示于表3中。
              表3每种样品的MOE值
    样品编号 未压缩对比例(MPa)   压缩对比例(MPa)     硼处理(MPa)     糠醇(MPa)
    1     7689     28092     27138     36468
    2     8663     25708     20768     29818
    3     8371     22980     33449     30507
    平均     8241     25593     27118     32264
对结果的分析清楚地表明压缩后的样品的MOE显著增加。压缩样品的平均结果的MOE要比未压缩对比例高三到四倍。对于压缩样品来说其结果也有一些差异。处理样品比未处理样品具有更高的MOE，并且糠醇样品明显具有最高的结果。
Koehler(1924)总结说MOE与密度增加直接相关。表4给出了MOE的密度增加的平均值，以及MOE增加与密度的比例关系。
              表4 MOE/密度的平均增加
平均密度增加 平均MOE增加   MOE/密度
    对比例     2.4     3.1     1.30
    硼     2.2     3.3     1.50
    糠醇     2.7     3.9     1.45
对这些结果的观察表明所有的样品类型均超过了Koehler所做的总结。处理样品比未处理样品具有更高的MOE增加。
每种样品均进行三次平行测试，并且在实验室的强度测试机上进行MOR测试。MOR的公式为：
3 WI 2 b d 2 其中：W＝负荷(N)
  I＝跨度(样品的长度)
  b＝样品宽度
  d＝样品厚度
测量其尺寸，并从强度测试机器上收集数据。然后应用上述公式计算结果。
样品的MOR数据在表5中给出，并且所有的数据都在附件3中。
                      表5每种样品的MOR值
    样品编号 未压缩对比例(GPa)   压缩对比例(GPa)     硼处理(GPa)     糠醇(GPa)
    1     71.4     251.5     130.3     219.8
    2     104.2     171.1     116.5     144.3
    3     114.4     175.0     119.6     202.3
    平均     96.6     119.2     122.2     188.8
对结果的分析表明压缩样品中MOR值增加。压缩样品的平均结果比未压缩对比例的MOE高1.3-2.1倍。对于压缩样品来说其结果也有一些差异。对比样品比处理样品具有更高的MOE。
MOR的增加比密度增加稍微更快一些。对这一系列的样品来说情况并不是这样。由表6可知，在所有样品中密度均比MOR以更高的速率增加。对比例接近1∶1，但是处理样品，特别是硼处理样品与对比例相比时得到相反的结果。
已经发现压缩的未处理木材(压实材)的MOR比未压缩木材具有稍微更高的MOR，并且树脂处理的压缩木材(胶压木)实际上比未压缩、未处理的木材具有更低的MOR。因此在比较这些结果时，我们的样品的MOR非常好。
             表6 MOR/密度的平均增加
平均密度增加 平均MOR增加   MOR/密度
    对比例     2.4     2.1     0.95
    硼     2.2     1.3     0.60
    糠醇     2.7     1.9     0.75
对于尺寸约为17×50×200mm的样品以及未压缩对比例、压缩对比例和糠醇处理样品还进行了硬度测试。由于破碎使得针对较薄样品的初始测试失败了，因此没有得到有意义的结果。因此必须生产新的更厚的样品，但是由于材料和时间的限制，没有得到硼处理样品。
其结果在表7中给出。虽然由这些结果可能得到一些指示，但由于对糠醇样品得到的是不完整的结果，而很难对这些结果进行分析。正如预期的那样，压缩样品比未压缩样品具有更高的表面硬度。糠醇样品比压缩对比例具有更高的硬度。这些是所得到的清楚结果。
                      表7每种样品的硬度测试及密度结果
   样品编号   密度                     硬度 平均密度增加 平均硬度增加
    测试1     测试2     测试3
    U1   454     2252     2608     2520
    U2   523     2728     2792     2988
    C1   1025     7190     7760     8350     2.1     2.9
    C2   982     6938     7140     7200     2.0     2.7
    F1   1265     10000@3.3    10000@2.9     10000@2.8     2.6   ＞3.7
    F2   1312     10000@3.25    10000@2.8     10000@2.4     2.7   ＞3.7
给出密度是为了表明当密度增加如何引起硬度增加。Koehler(1924)声称通常硬度的增加约为密度的平方。因此如果密度增加2个因数，所产生的硬度增加应该约为4。针对对比样品的观察表明硬度的增加没有预期的那样高，但对糠醇样品来说很难讲。硬度“球”需要穿进木材表面5.6mm，但应用所用的强度测试机器不能达到这一点。强度测试机器的最大力为10,000N，因此当达到最大力时记录穿透深度。由表7可以看出，在达到5.6mm的标记之前仍然有大的穿透量有待产生，因此其硬度值实际上可能要高得多
为了进行尺寸稳定性测试，针对如下每种类型样品均进行三次平行测定：
30×30×6mm，压缩样品
30×30×16mm，未压缩对比例
所有样品均在105℃下干燥24小时，从而产生一个已知的起始点。在与水接触之前，对每种样品进行称重并测量其尺寸。每种类型的样品均放入单独的水杯中。从水中取出所有样品，用纸擦干，称重，并分别在5、10、15、20、30、60、180分钟以及24小时的时间间隔处测量其尺寸。
结束后，将样品在105℃下干燥24小时，称重，并测量其尺寸。
在图2中所给出的为每种样品各自的质量随时间变化的数据。对该图的简单观察可以发现除了糠醇样品外，所有样品均随时间具有稳定的质量增加。表8给出了从初始点到24小时浸泡的过程中质量增加的百分比。这里突出的数据是糠醇样品具有很低的质量增加百分比。平均只有4.8％的质量增加。硼处理样品在24小时浸泡期间具有平均为76.4％的质量增加。对比例和压缩对比例的质量吸收分别为48.7％和35.7％。
图3给出了在长度方向上变化的所有数据。预期所有样品在该测试过程中均应具有很少的变化，并且这一点可以从结果观察中看出。每个样品均保持在0.3mm的范围内，并且随时间具有很大的随机性。对这种随机性在某种程度上可以通过数字测量仪的应用来解释，因为当应用手动设备时不可能完全精确。如果说在样品之间可以发现任何差异的话，则在糠醇样品中所述不同会稍微更小些。
对图4的观察表明切向尺寸变化与前面讨论的质量变化部分具有相似的结果。除了糠醇样品以外，其它样品类型均随时间均有明显的稳定增加。表8给出了从测试开始到24小时标记之间增加的百分比。对比例、压缩对比例和硼处理样品在切向的增加百分比分别为2.4％、1.9％和2.3％。糠醇样品经过24小时浸泡后增加了0.9％。这是由这一部分测试得到的明显结果。
最后一部分分析是径向的尺寸变化。压缩样品在径向方向上受压，因此这部分预期可以得到非常明显的结果。每种样品的数据示于图2中。预期的是压缩样品的膨胀率要比未压缩样品大得多，这是因为在压缩样品中有更多的细胞壁材料。对图5的观察表明压缩对比例和硼处理样品具有高的膨胀，但在对比例和糠醇样品中则较低。经过24小时浸泡后其增加百分比再次在表8中给出。对比例平均有3.4％的尺寸增加，这是相当标准的。压缩对比例和硼处理样品的增加分别为33.1％和47.4％。因为已经注意到这是由于高密度产品中细胞壁材料的量造成的，并且当受压时它们可以被压缩约130％。而平均密度为1370kg/m3的糠醇样品却仅有6.7％的平均膨胀率。这是非常令人鼓舞的结果。
表8尺寸稳定性测试中质量增加％、切向增加％和径向增加％
  样品编号   质量增加％   切向增加％   径向增加％
    U1     56.5     4.3     3.9
    U2     46.8     4.2     3.8
    U3     42.9    -1.4     2.5
    平均     48.7     2.4     3.4
    C1     16.9     1.9     29.8
    C2     44.9     1.8     31.2
    C3     45.4     1.9     38.4
    平均     35.7     1.9     33.1
    B1     79.1     2.5     47.0
    B2     74.4     1.6     42.9
    B3     75.7     2.9     52.5
    平均     76.4     2.3     47.4
    F1     4.7     0.9     7.6
    F2     5.3     1.0     6.4
    F3     4.5     0.9     6.3
    平均     4.8     0.9     6.7
在该测试的所有四个方面，糠醇样品都产生非常好的结果。其它样品的表现相对可以预测，但对糠醇样品是最感兴趣的。糠醇样品只允许最少量的水进入木材中，并且在这种密度非常高的木材中只允许最少的尺寸变化。在本说明书和随后的权利要求书中，除非在上下文中有相反要求，否则术语“包括”及其各种变化均应被理解为暗示包括所述的数值或步骤或数值组或步骤组，但不排除任何其它数值或步骤或数值组或步骤组。
在该说明书中对任何现有技术的参考不是并且也不应该是对现有技术形成澳大利亚的部分公知常识的认可或任何形式的暗示。
本领域的熟练技术人员将会意识到这里所描述的本发明可以进行不同于此处具体描述的变化和改进。应该理解的是本发明包括所有这些落在其实质和范围内的变化和改进。本发明还包括在本说明书中单独或总体提到或指出的所有步骤、特征、组合物和化合物，以及任意两个或多个所述步骤和特征的任意及所有组合。

Claims (21)

1.一种处理木材的方法，包括：
a)用糠醇溶液浸渍木材；
b)使浸渍后的木材静置，从而使糠醇溶液扩散入木材内部；和
c)在一定条件下热压木材，从而实现糠醇在木材内部聚合。
2.权利要求1的方法，其中糠醇溶液含有添加剂，优选为马来酸，以促进热压过程中的聚合反应。
3.权利要求2的方法，其中糠醇溶液进一步含有水，优选其含量为约5％体积。
4.权利要求1的方法，其中浸渍步骤a)包括对木材施加初始真空，随后在糠醇溶液存在时施加压力。
5.权利要求4的方法，其中所施加的真空压力为-90至-95kPa，并且其中为了促进糠醇溶液浸渍而施加到木材上的压力为约200至约1,000kPa，优选为至少300kPa。
6.权利要求1的方法，其中扩散步骤b)在环境压力和温度下进行约3-5天。
7.权利要求1的方法，其中扩散步骤b)使单位体积木材相对于原始木材样品体积膨胀约22％。
8.权利要求1的方法，其中热压步骤c)在一定条件下进行，所述条件实现糠醇的聚合反应，从而导致木材纤维间形成三维化学粘结键。
9.权利要求1的方法，其中热压步骤c)在压力为约5-30MPa，温度为约170-200℃下进行，优选进行约5-15分钟。
10.权利要求1的方法，包括预处理木材以提高木材的渗透性，优选利用微波或蒸汽处理进行。
11.按照权利要求1的方法处理的木材。
12.一种木材产品，包括已经用糠醇溶液浸渍过的木材，相对于未处理的木材来说，所述木材产品具有提高的强度和弹性特征。
13.权利要求12的木材产品，其压碎强度为至少50MPa，弹性模量为至少35GPa，硬度为至少25,000N，优选的弹性模量为35-40GPa，硬度为25,000-30,000N以及干燥周期。
14.一种基于复合材料制备木材的方法，包括：
d)将木材颗粒与糠醇和糠醛的溶液混合；和
e)在一定条件下热压混合后的木材，从而实现糠醇的聚合反应以促进木材颗粒的粘结。
15.权利要求14的方法，其中所述糠醇和糠醛的溶液含有添加剂，优选为马来酸和水。
16.权利要求15的方法，其中以溶液体积为基准，水的加入量为5％体积，从而促进溶液中马来酸的溶解。
17.权利要求14的方法，其中木材颗粒与糠醇和糠醛溶液的混合应保证没有大量的溶液渗透进入木材中，所述木材颗粒基本上被糠醇和糠醛溶液所涂覆。
18.权利要求14的方法，其中所述溶液的粘度为150-200厘泊。
19.权利要求14的方法，其中热压步骤b)包括施加约6-8MPa的压力。
20.按照权利要求14的方法制备的复合材料。
21.一种包括木材颗粒的复合材料，其中所述木材颗粒利用糠醇和糠醛的粘结剂溶液化学粘结，优选的粘结剂溶液含有糠醇、糠醛、添加剂如马来酸和水。
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