CN1681888A - 纤维复合制品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了纤维复合制品及其制造方法。优选的纤维材料的平均纤维长度低于约2毫米，且得自工业大麻皮，南非槿麻皮，和/或各种植物竹的杆。纤维与粘结剂树脂和，视需要，施胶剂结合以形成型坯，然后在热和压力下固结以形成复合制品。成型制品具有至少大致相当于(如果不是优于)常规木材－基纤维复合制品的强度和耐久性特性。

Description

纤维复合制品及其制造方法
本发明的领域
本发明一般涉及纤维固结复合制品，并涉及其制造方法，更具体地，本发明涉及由大麻皮，南非槿麻，植物竹，和/或其混合物的纤维制成的复合制品。
相关技术的简要描述
一种模塑复合制品是包括粘结木材片材和/或木质纤维素材料的人造板的纤维素(或木质)复合体，本领域通常称作以下示例性术语：纤维板如硬纸板，中密度纤维板，和软板；碎料板如屑片板，薄片板，碎料板，绞板，和薄片板。木材复合体还包括包含这些材料的组合的人造板。这些木材复合体例如可用作家庭，办公室，和其它建筑物的结构中的柱子，地板，天花板，墙壁，门，壁板和楼梯，以及家具组件，如椅子，桌子，柜台，橱柜，和橱柜门。
制造木材复合体的许多不同的方法是本领域已知的，例如，描述于Hsu等人U.S.专利No.4,514,532和Newman等人U.S.专利No.4,828,643的那些，在此将其内容作为参考并入本发明。用于制造纤维板的基本工艺包括：(a)湿毡制/湿压制或″湿″工艺；(b)干毡制/干压制或″干″工艺；和(c)湿毡制/干压制或″湿-干″工艺。合成粘结剂树脂，如氨基树脂，脲-甲醛树脂，苯酚甲醛树脂，或改性的苯酚-甲醛树脂通常用作这些工艺中的粘结剂。其它粘结剂包括，但不限于此，淀粉，沥青，和树胶。
纤维素纤维如木材纤维通过木质屑片材料在加压精制机，大气精制机，机械精制机，和/或热化学精制机中的纤维化而制成。一般，在湿法工艺中，纤维素纤维在容器中与大量水共混形成淤浆。淤浆优选具有足够的水含量以悬浮大多数的木材纤维和优选具有至少95％重量(wt.％)的水含量。水用于将合成树脂粘结剂，如苯酚-甲醛树脂分布在木材纤维中。该混合物沉积到水可渗透的载体元件，如细筛网或长网，和预压缩，这样去除大量水，留下具有例如基于干纤维素材料重量至少约50wt.％水分含量的纤维素材料湿型坯。湿型坯转移至压机并在热和压力下固结形成模塑木材复合体。
湿-干成型工艺也可用于生产木材复合体。优选，湿-干工艺首先将纤维素材料(如，木材纤维)在容器中与大量水共混。该淤浆随后与树脂粘结剂共混。共混物随后沉积到水可渗透的载体元件上，其中大百分数(如，50wt.％或更多)的水被去除，这样留下具有水含量例如约40wt.％-约60wt.％的纤维素材料湿型坯。该湿型坯随后转移至一个区域，在此大部分的剩余水通过热蒸发而去除以形成干燥型坯。干燥型坯优选具有水分含量约10wt.％或更低。干燥型坯可在此时完工或转移至压机并在热和压力下固结以形成可以是例如平板或模塑产品的较高密度木材复合体。产物可根据预期用途模塑成各种形状或几何结构。
在干成型工艺中，填料材料，如纤维素纤维一般在气态物流中或通过机械方式传输。例如，由纤维化装置(如，加压精制机)供给的纤维可在吹管共混步骤中用热固性合成树脂，如苯酚甲醛树脂涂覆，其中树脂与纤维在空气湍流的帮助下共混。然后，来自吹管的树脂涂覆纤维可通过空气将纤维吹到载体元件上而无规成型为型坯。视需要，纤维可在形成型坯之前或之后例如在管状干燥器中进行预压干燥。所形成的型坯通常具有低于约10wt.％，和优选约5wt.％-约10wt.％的水分含量，随后在热和压力下压制以固化热固性树脂和将型坯压缩成整体固结结构。
作为常规压制的一种替代，蒸汽注射压制是一个可例如在某些情况下用于干和湿-干工艺生产固结纤维素复合体的固结步骤。在蒸汽注射压制中，蒸汽通过穿孔加热压机台注射至，经过，并随后离开包括合成树脂和填料材料的型坯。蒸汽在填料的表面上冷凝并加热型坯。由蒸汽转移至型坯的热以及由压机台转移至型坯的热造成树脂固化。
制造纤维板的成本对原料成本敏感。通常，木材明显已成为纤维板制造中最重要的原料，而且由于其丰富，其成本保持相当低。但作为优选的木材的供给开始减少，其成本相应地增加。木材的原料成本可达到这样的水平，其中木材替代品可在制造纤维板时被认为是可利用的选择。用于纤维板制造的已知的非木材原料替代品限于矿物纤维和衍生自年生植物如蔗渣，竹茎，大麦茎，玉米茎，棉茎，亚麻碎片，黄麻茎，南非槿麻茎，燕麦茎，稻茎/皮，黑麦茎，甘蔗，和小麦茎/稻草的生物木质纤维素纤维。这些原料可在木材-基纤维板中用作可利用的木材替代品，但这些原料还存在某些缺点，它们不能表现出与木材-基纤维板相当的结构特性。
因此，需要提供一种与传统木材-基纤维复合体产物相比具有至少大致相当的强度和耐久性特性以及其它相关结构特性的非木材-基纤维复合体。另外，希望提供在结构特性上优于传统木材-基纤维复合体的非木材-基纤维复合体。还需要提供一种丰富的原料木材替代物作为用于制造纤维复合体的纤维的来源。
本发明的综述
本发明的一个方面是一种包含平均纤维长度低于约2毫米(mm)的纤维材料和固化的粘结剂树脂的非木材纤维复合制品，所述树脂的存在量优选为基于固化之前的纤维材料重量的约2％重量(wt.％)-约8wt.％，其中纤维材料包含选自大麻皮，南非槿麻皮，植物竹茎，和其混合物的物质。
本发明的另一方面是一种制造纤维复合制品的方法。该方法包括提供和精制选自大麻皮，南非槿麻皮，植物竹茎，和其混合物的纤维的步骤。纤维与粘结剂树脂结合形成型坯，然后，将型坯压缩并干燥得到纤维复合制品。视需要，型坯可在压缩之前包括施胶剂。该成型复合体的优点在于，它不采用木质原料，而是采用更丰富来源，即年生植物的纤维材料。
本领域熟练技术人员在阅读以下详细描述并结合所附权利要求书之后会显然得出本发明的进一步特点。尽管本发明受各种形式的实施方案的影响，以下描述本发明的特定实施方案，但要理解，本公开内容只用作说明，而无意于将本发明限定为本文所述的特定实施方案。
优选实施方案的详细描述
本发明涉及一种包含平均纤维长度低于约2毫米(mm)的纤维材料和固化的粘结剂树脂的非木材纤维复合制品，所述树脂的存在量优选为基于固化之前的纤维材料重量的约2wt.％-约8wt.％，其中纤维材料包含选自大麻皮，南非槿麻皮，植物竹茎，和其混合物的物质。
本发明还涉及一种制造纤维复合制品的方法。本发明方法包括包括提供和精制选自大麻皮，南非槿麻皮，植物竹茎，和其混合物的纤维的步骤。纤维与粘结剂树脂结合形成型坯，然后，将型坯压缩并干燥得到纤维复合制品。视需要，型坯可在压缩之前包括施胶剂。该成型复合体的优点在于，它不采用木质原料，而是采用更丰富来源，即年生植物的纤维材料。
构成制品的纤维材料优选具有纤维长度约0.3mm-约1.6mm和比重约1-约1.2。这些纤维长度可通过纤维源物质经受一个或多个常规精制机例如加压精制机，大气精制机，机械精制机，热化学精制机，和/或这些精制机的组合的作用而达到。进行精制加工的纤维物质通常得自选自大麻皮，南非槿麻皮，植物竹茎，和其混合物的物质。在前述精制机中进行纤维化处理之前，所得纤维通常具有低于约2mm的纤维长度。
在固结复合体产物领域中，水分含量(百分数)表示为包含在纤维材料中的水的重量除以纤维材料的干重。因此，包含50％水和50％干纤维材料的纤维材料具有水分含量100％。本发明所规定的纤维材料最好具有水分含量低于约30％和优选具有水分含量低于约10％。但纤维材料更优选具有固结前水分含量约3wt.％-约5wt.％，和最优选它具有水分含量约4wt.％-约4.5wt.％。一般，纤维材料所需和/或优选的水分含量可通过将纤维材料例如在管状干燥器中进行固结前干燥以去除水而实现。
根据本发明，用于本发明的非木材-基纤维包括具有前述特性的纤维和包括得自工业大麻，南非槿麻，和各种植物竹的那些。以下更详细描述这些非木材-基纤维中的每种以及任何理想的特性性能和处理条件。
工业大麻是一种容易得自大麻(中北亚，北欧，印度，意大利，前苏联共和国的领土，美国，和其它北部气候区所土生的)的干茎的年生纤维作物。这些干茎包括两种主要纤维：长韧皮(外皮)纤维和皮(或芯)纤维。韧皮纤维过去已用于各种用途，包括麻线，绳索，包装，和与棉或亚麻一起用于毛巾料和重织物。长韧皮纤维具有平均纤维长度约55毫米(mm)。价值不太大的是迄今产生较小价值且通常作为用于得到韧皮纤维的工艺的非所需副产物而丢弃的较短皮纤维。
不同于普遍的公知概念，工业大麻不是″大麻(marijuana)″的同义词，后者在包括美国的世界许多地区禁止销售。工业大麻包含低于1％的在″大麻″中活跃的引起幻觉的化学组分，δ-9-四氢大麻酚(THC)。相反，″大麻″包含约3％-约15％的引起幻觉的THC。
大麻是一种丰盛的年生植物，因为其种子发芽迅速，而且在良好的气候条件下可在短至约3周至约5周内变成茁壮的植物。在约10周内，大麻植物可生长至高度超过约6英尺，和在约16周内该植物可生长至高度约16英尺。
大麻皮纤维通常具有低于约2mm的平均纤维长度。用于本发明的大麻皮纤维优选具有平均纤维长度约0.2mm-约0.8mm，和更优选纤维具有平均纤维长度约0.5mm-约0.75mm。得自大麻干茎的原大麻皮纤维可通过常规精制机例如加压精制机，大气精制机，机械精制机，和/或热化学精制机精制至所需尺寸。
大麻皮纤维的化学组成一般类似于许多木材-基纤维，只是大麻皮纤维具有较高的灰分含量(参见下表I)。纤维素，半纤维素，和木质素是据信向大麻皮纤维提供抵抗外部应力所需的强度特性以及归因于良好的纤维/纤维粘接和良好的纤维/树脂粘接的其它特性和耐水性的化学组分。表I所列的每种纤维和木材材料的余量包含水。
                             表I
组分(wt.％) 大麻韧皮纤维 大麻皮纤维    桉树    松树
    木质素     4     21     26     28
    纤维素     65     40     46     42
    半纤维素     12     18     27     25
    灰分     5     4     1     1
使用大麻皮纤维的成型制品可具有光滑度值约2-约5，和优选约2.1-约3.8。光滑度值使用本领域普通技术人员一般已知的60°光反射率技术测定。另外，成型制品通常具有内部粘接强度约140psi(约965kPa)-约250psi(约1723kPa)，和优选约150psi(约1034kPa)-约200psi(约1378kPa)。制品具有开裂值约45磅(约20千克(kg))-约65磅(约29kg)，和优选约60磅(约27kg)-约65磅(约29kg)。按照本发明制成的产品的其它示例性物理性能数据汇总于下表II。
                                    表II
大麻皮纤维 树脂含量(wt.％)   OOP卡钳(英寸)   OOP比重   24-小时水增量(％)   24-小时卡钳膨胀(％)   内粘结强度(psi) 开裂(lbs)   光滑度值(粗)   光滑度值(细)
    细     3     0.124     1.05     28.4     18.8     186.4   58.5     2.1     3.1
    粗     3     0.127     1.03     28.7     19.2     140.2   47.6     2.4     3.7
    细     5     0.123     1.05     26.7     15.8     247.1   64.8     2.3     3.8
    粗     5     0.126     1.03     24     14.5     187.2   53.5     2.4     3.8
另一适用于本发明的非木材-基纤维是南非槿麻(hibiscuscannabinus L.)，它是一种干茎可用于制造纸浆和纸产物的年生双子叶纤维作物。南非槿麻是热带非洲和东印度所土生的，用于各种用途，包括绳，毯，袋，和麻线，以及由于其叶子的较高蛋白质含量而用于食品。南非槿麻可在美国的南部地区如亚拉巴马州，加利福尼亚州，佛罗里达州，路易斯安娜州，密西西比州和德克萨斯州生长。
南非槿麻干茎具有两种主要纤维：存在于干茎外皮中的通常具有平均长度约2.5毫米(mm)的长韧皮纤维，和具有平均长度低于约2mm，如约0.6mm的木质皮(或芯)纤维。韧皮纤维占植物重量的约25％-约40％，而木质皮纤维是余量。南非槿麻是一种丰盛的年生植物，因为其种子通常可在约3天至约5天内迅速发芽，而且在良好的气候条件下可在短至约5周至约6周内变成茁壮的植物。在约16周内，南非槿麻植物可生长至高度超过约11英尺，和在约12周内该植物可生长至高度约18英尺。一般参见，T.Sellers，Jr.等人 作为板原料的南非槿麻芯，森林作物杂志(Forest Product Journal)，Vol.43，69-71页(七月/八月，1993)；S.W.Neill等人，1989 南非槿麻品种实验，Mississippi农业和林业实验站(MAFES)，信息印刷品No.1326，1-5页(1990年4月)，在此将其内容作为参考并入本发明。
南非槿麻已成为木材纤维的可利用的替代物，因为例如，南非槿麻(干基)的年生产量是约6吨/英亩-约12吨/英亩。相反，南方松树通常需要约20-约25年才能得到约10吨/英亩的年生产量。每年充足的南非槿麻带来收获，传输，和储存的成本。但这些成本往往被成品复合材料的利益所超出。
如上所述，南非槿麻皮纤维通常的平均长度低于约2mm，如约0.6mm。用于本发明的南非槿麻纤维的平均纤维长度约0.2mm-约0.8mm，和更优选纤维具有平均纤维长度约0.5mm-约0.75mm。得自南非槿麻干茎的原始南非槿麻皮纤维可通过常规精制机例如加压精制机，大气精制机，机械精制机，和/或热化学精制机精制至所需尺寸。
南非槿麻韧皮纤维和南非槿麻皮纤维的化学组成相对类似，但皮纤维与韧皮纤维相比具有较少的木质素，纤维素，提取物，和灰分，和较高量的糖和乙酰基。韧皮纤维和芯纤维的平均化学组成在下表III中给出。
                        表III
  组分(wt.％) 南非槿麻韧皮纤维   南非槿麻皮纤维
    木质素     21.1     18.7
    纤维素     44.4     37.6
    糖     68.6     70.2
    提取物     2.7     1.9
    灰分     4.6     2.2
    乙酰基     2.7     4.0
但在制造复合制品时简单地用南非槿麻纤维替代常规木材-基纤维不足以制备相当坚固的产品。本发明人已经发现，在使用南非槿麻纤维替代常规木材-基材料时起泡和中心芯脱层会产生明显的问题。为了克服这些问题，本发明人发现，优选调节水分含量和压制周期条件，因为南非槿麻皮纤维型坯的水分/蒸汽渗透性明显低于木材纤维型坯，如果保持所有的其它材料和处理条件不变。不愿局限于任何特定理论，据信南非槿麻皮纤维的细胞壁结构和南非槿麻材料的较低密度与渗透性特性有关。一旦型坯被压制和热固性粘结剂树脂开始固化，存在于纤维(靠近型坯的芯)中的水/蒸汽没有足够的微通道用于逃逸。
因此，已经开发出一种包括第一压制期，呼吸期，和第二压制期的优选压制周期。在呼吸期中，降低压力以使水分从纤维内排出。在第二压制期结束时，如果释放压力，由束缚在板内的蒸汽压力所造成的内应力下降且纤维和树脂之间的粘结更加完全。更完全的粘结消除了起泡和中心芯脱层的问题。
用于第一压制期的优选的压制周期时间是约20秒-约30秒，更优选约25秒-约30秒。优选的呼吸期是约10秒-约15秒，更优选约10秒-约12秒。用于第二压制期的优选的时间期是约35秒-约75秒，更优选约40秒-约50秒。在各种压制期过程中的优选的压力是约700psi(约4823kPa)-约1200psi(约8268kPa)，更优选约800psi(约5521kPa)-约1100psi(约7579kPa)。在优选的呼吸期过程中，压力降至约50psi(约345kPa)-约100psi(约690kPa)。
使用南非槿麻纤维的成型制品可具有光滑度值约2-约5，和优选约2.5-约4.2。
另外，成型制品通常具有内部粘接强度约210psi(约1447kPa)-约290psi(约2000kPa)，和优选约218psi(约1503kPa)-约279psi(约1923kPa)。
制品可具有开裂值约80磅(约36kg)-约100磅(约45kg)，和优选约82磅(约37kg)-约95.7磅(约43.4kg)。
硬木材可与南非槿麻纤维一起被包括。适合与南非槿麻纤维结合使用的硬木材包括得自阔叶或落叶树如山杨，桦树，朴树，山芯桃树，枫木，桑树，橡树，和悬铃木的那些。如果硬木材与南非槿麻纤维一起使用，硬木材与南非槿麻的重量比是约0.25∶1-约0.67∶1，优选比率约0.4∶1-约0.5∶1。压机操作条件往往根据硬木材的存在量而变化，而根据前述教导，这些条件可由本领域熟练技术人员确定。具有硬木材和南非槿麻纤维的混合物的本发明示例性制品的各种物理性能数据汇总于下表IV。软木材，如松树(如，马尾松)和枞木也可与南非槿麻纤维一起以本文对于硬木材所述的类似重量比被包括。
                                            表IV
硬木材/南非槿麻比率 OOP卡钳(英寸) OOP比重   24-小时水增量(％)   24-小时卡钳膨胀(％) 内粘结强度(psi)   开裂(lbs)   光滑度值(粗)   光滑度值(细)
    100∶0   0.125     1.04     24     15.3     279     95.7     7.1     4.4
    40∶60   0.124     1.05     25.7     16.9     254     81.9     5.2     3.1
    30∶70   0.125     1.04     25.4     17.8     218     91.1     5.3     2.9
    20∶80   0.119     1.06     24.8     17.3     253     90.3     4.2     2.5
    0∶100   0.121     1.02     24.4     17.7     224     82     4.8     1.9
用于本发明的另一合适的非木材-基纤维得自植物竹(Bambusoideae)。更具体地，有用的植物竹纤维得自一种选自高节竹，thunder(P.praecoxf prevenalis)，红竹，和其混合物的物质。这些竹物质分别包括有节杆(竹植物的可见地面部分)和其芽生长成新植物的地下有节根茎。一般，这些竹物质可生长在世界的热带或亚热带地区，且土生于非洲，南美，南太平洋，和各个亚洲国家(包括，但不限于，中国，印度，和日本)。过去，植物竹植物已例如在中国为了竹笋生产而种植，这是高度盈利的植物。但这些植物竹植物的剩余的茎被认为是副产物并由农民例如作为低成本燃料而烧掉。
植物竹的茎生长非常迅速且可在短至约5周至约8周内达到最终高度和直径。但不同于大麻和南非槿麻，植物竹需要约3年至约5年才能成熟。尽管成熟期较长，植物竹据信是一种用于纤维的更丰富的资源，而木材-基植物，如南方松树通常需要约20-约25年才能得到年产量约10吨/英亩。
用于本发明的植物竹纤维优选具有平均纤维长度约0.2mm-约0.8mm，和更优选纤维具有平均纤维长度约0.5mm-约0.75mm。得自植物竹植物茎的纤维可通过一种或多种常规精制机例如加压精制机，大气精制机，机械精制机，和/或热化学精制机精制至所需尺寸。更具体地，将约1/2-英寸-约2.5英寸直径和约6英尺-约7英尺长度，和具有水分含量约15％的竹干用3-英寸和4-英寸园盘切屑机切削。将碎屑在室温浸渍在水中约4小时-约12小时。
在水浸渍之后，碎屑通过两种精制板(C型和D型板)精制至所需纤维尺寸。C型板具有开口端缘以在精制过程中提供较短的停留时间和得到更长但较粗糙的纤维。D型板的一面具有密封端缘以在精制过程中提供较长的停留时间并为竹节提供较短和较细的纤维和较小的颗粒尺寸。
植物竹纤维的化学组成一般类似于大多数木材-基纤维，只是植物竹纤维包含提取物(参见下表V)。尽管所得植物竹的纤维和所得木材的纤维在组成上有某些类似，但竹的物理结构明显不同于木材之处在于茎通过高木质化节划分成各区。此外，竹茎的硬度主要由维管束的量及其在茎的横截面上的散射图案决定。在表V中列举的每种材料的余量包含水。
                      表V
组分(wt.％)   植物竹纤维     桉树     松树
  木质素     22-26.2     26     28
  纤维素     39-60     46     42
  半纤维素     18.9-22.5     27     25
  灰分     0.7-2.7     1     1
  提取物     6.1-9.7     0     0
使用植物竹纤维的成型制品可具有光滑度值约2-约9，和优选约2-约4.2。另外，成型制品通常具有内部粘接强度约160psi(约1103kPa)-约400psi(约2758kPa)，优选约180psi(约1241kPa)-约375psi(约2585kPa)，和更优选约225psi(约1551kPa)-约375psi(约2585kPa)。制品可具有开裂值约65磅(约29kg)-约95磅(约43kg)，和优选约67.2磅(约30.5kg)-约92.5磅(约42kg)。分别使用三种植物竹物质制成的产品的其它的示例性物理性能数据在下表VI中给出。
                                     表VI
  植物竹物质 OOP卡钳(英寸)   OOP比重  24-小时水增量(％)  24-小时卡钳膨胀(％) 内粘结强度(psi)    开裂(lbs)   弹性模量(psi) 破裂模量(psi) 光滑度值
  Thunder(A)     0.127     1.03     25.5     14.1     364     79.9     657     7024   -
  Thunder(B)     0.127     1.03     25.3     13.5     288     76.8     611     6506   -
  Thunder(C1)*     0.125     1.04     24.8     12.1     399     92.5     634     6704   1.7-8.3
  Thunder(C2)**     0.125     1.04     25.1     12.5     316     34.9     613     6107   1.7-8.3
  高节竹     0.125     1.04     28.7     16.4     234     72.3     539     4849   1.8-8.6
  红竹     0.128     1.01     28.5     15.2     172     76.2     556     5027   2-8.8
  混合物***     0.129     1.01     26.7     15.4     162     67.2     523     4785   2-8.9
*＝回火
**＝未回火
***＝1∶1∶1重量比的Thunder(C1)∶高节竹∶Red。
合适的(热固性)粘结剂树脂一般包括，但不限于此，氨基树脂，酚醛树脂，和衍生物和其混合物，例如，描述于Kirk-Othmer化学技术百科全书，Vol.15，176-208页(第二版，1970)。用于本发明的优选的树脂包括酚醛树脂，包括改性的酚醛树脂。优选的酚醛树脂包括描述于Teodorczyk U.S.专利No.5,367,040的那些，在此将其作为参考并入本发明。尽管酚醛树脂可以是粉状高分子量形式，但粉状形式通常制造上更加昂贵，因此树脂的含水形式一般是优选的。
许多合适的酚醛树脂是可购得的。一般，酚醛树脂是酚组分和醛的反应产物，所述反应在碱性化合物的存在下发生。用于本发明的酚醛树脂的酚组分可包括苯酚，甲酚，二甲苯酚，其它取代的酚类，和/或其混合物。取代的酚类的例子包括邻甲酚，对甲酚，对叔丁基苯酚，对壬基苯酚，对十二烷基苯酚，和双官能二甲苯酚(如，3，5-二甲苯酚)。甲酚、苯酚和二甲苯酚的混合物(通常称作甲苯基酸)由于其丰富和成本较低也可用于本发明方法的商业规模实践。
用于本发明的酚醛树脂的醛组分不限于醛本身，而是包括已知可用于制造酚醛树脂的任何醛，甲醛，和其衍生物。因此，在此参考的树脂的醛组分包括醛，甲醛，和其衍生物。甲醛是优选的醛。甲醛的衍生物包括，例如，对甲醛，六亚甲基四胺，乙醛，乙二醛，和糠醛。
例如，醛组分与酚组分的比率可以是约2.0摩尔醛或更低/摩尔酚组分，更具体地约0.5摩尔-约1.2摩尔醛/摩尔酚组分，例如，约0.8摩尔-约1.0摩尔醛/摩尔酚组分。如果使用双官能酚化合物(如，3，5-二甲苯酚)，当量摩尔比(即，醛的摩尔数与酚环上可用于与醛反应的自由位数目的比率)可以是约0.4∶1-约0.66∶1。但本发明不限于这些范围。
如上所述，用于本发明的酚醛树脂在碱性化合物(有时称作″苛性物″)的存在下形成，后者用于：(a)获得酚的羟甲基化；(b)加速醛和酚化合物之间的反应；和(c)使所形成的树脂增溶。各种合适的碱性化合物是本领域已知的，和包括，例如，氢氧化钠，氢氧化钾，或其混合物。尽管可以使用较高比例苛性物且本领域熟练技术人员能够选择合适的苛性物含量，苛性物在酚/醛混合物中的加入量可以是约0.05摩尔-约0.2摩尔碱性化合物/摩尔酚化合物。这种量苛性物一般保证所形成的产物具有非常有益的性能，同时使树脂足够快速地固化。
视需要，可将一定量的二羟基苯改性剂(如，间苯二酚)加入酚醛树脂。二羟基苯的例子包括间苯二酚，对苯二酚，和儿茶酚。也可使用未取代和取代的间苯二酚，包括其混合物。酚醛树脂和改性剂之间的反应优选在没有进一步加入苛性物的情况下进行，直至达到所需链长度以生产改性的酚醛树脂。尽管间苯二酚是优选的改性剂化合物，可与苯酚-甲醛树脂反应的其它改性剂化合物包括氨基苯酚和苯二胺。氨基苯酚的例子包括邻-羟基苯胺，间-羟基苯胺，和对-羟基苯胺。苯二胺的例子包括邻苯二胺，间苯二胺和对苯二胺。如果包括，改性剂化合物的存在量优选为约1摩尔-约10摩尔苯酚化合物/摩尔间苯二酚，和优选约5摩尔-约10摩尔苯酚/摩尔间苯二酚。醛与总酚(即，酚组分加上二羟基苯改性剂)的摩尔比优选大于约1∶1，更优选是约1摩尔-约1.8摩尔甲醛/摩尔酚，和最优选约1.1摩尔-约1.4摩尔甲醛/摩尔酚。
一般，热固性粘结剂树脂在固结前型坯中的存在量是约2wt.％-约8wt.％，基于纤维材料在固化之前的重量，优选约3wt.％-约7wt.％。
施胶剂优选与纤维材料和热固性粘结剂树脂一起加入固结前型坯。施胶剂用于覆盖各个纤维的表面，这样降低纤维的表面能量，并使纤维憎水。使纤维憎水能够较好地控制因纤维吸收水而造成的线性膨胀，厚度膨胀，表面变质，和强度损失。另外，憎水，固结制品更容易应用于密封剂，油漆，和其它整饰涂料，因为这些材料不渗透或浸渗到固结纤维型坯中。合适的施胶剂包括作为粗油的残余物或馏出物而得到的较高分子量(如，约200-约1000)的蜡。这些蜡优选是化学惰性的和水不可溶的。这些蜡可以商品名CITGO 60/40购自Citgo。如果使用，施胶剂在固结前型坯中的存在量是约1％重量(wt.％)-约3wt.％，基于纤维材料在固化之前的重量，和更优选约1.5wt.％-约2.5wt.％。
将型坯放置和/或排列在合适的压制装置的模具中并固结以形成模塑复合制品。压制装置优选具有能够在约125°F(约52℃)-约500°F(约260℃)，优选约375°F(约190℃)-约450°F(约232℃)，和更优选约400°F(约204℃)-约425°F(约218℃)的温度下操作的压机台。压机台操作温度往往取决于例如热固性粘结剂树脂的种类和所用的具体纤维。
压制时间一般较短，且是优选约30秒-约3分钟，优选约60秒-约150秒，和更优选约60秒-约90秒。优选的压机操作包括约60秒-约90秒的三级压制周期，其中第一阶段包括约10秒-约20秒的压制周期时间，第二阶段包括约30秒-约40秒的呼吸时间期，和第三阶段包括约20秒-约30秒的压制周期时间。在第二阶段呼吸时间期过程中，压机台施加到型坯上的压力下降约50psi-约200psi，优选约75psi-约100psi。更优选的压机操作包括约70秒-约80秒的压制周期时间。
但这些固结参数可根据所用的材料和装置而变化。本领域普通技术人员可以看出，理想的压制温度的变化取决于，但不限于，以下标准：复合体的厚度；压制的纤维材料的种类；纤维材料的水分含量；压制时间；和特定的热固性粘结剂树脂。
另外，蒸汽注射压机方法可用于固结包含纤维材料，树脂，和施胶剂的型坯。在蒸汽注射方法中，将型坯引入具有穿孔压机台和蒸汽注射能力的合适的压制装置。蒸汽通过压机台注入型坯以固化树脂。蒸汽注射压机装置可包括具有孔的压机台，其中一个台用于将蒸汽注射通过孔，且另一台(如，底台)用于通过孔排放蒸汽或液体冷凝物。在这种实施方案中，蒸汽可进入型坯的上侧，均匀位于整个表面上，随后由上表面流向底表面，和最后通过底台离开。另外，蒸汽可通过相同的(如，底)台注射和排气。
压机中的压力优选为约100磅/平方标准英寸(psig)-约400psig，和更优选在范围约200psig-约300psig。蒸汽的温度优选为约300°F(约150℃)-390°F(约200℃)，而压机台是优选处于温度约300°F(约150℃)-390°F(约200℃)。压制时间一般较短，且是优选约15秒-约5分钟，和更优选约20秒-约1分钟，如约30秒。但这些压制时间，温度，和压力可根据纤维材料，具体热固性粘结剂树脂，和使用的装置而调节。例如，本领域普通技术人员可以看出，理想的压机温度根据各种因素，如所要压制的型坯的厚度，压制的纤维材料的种类，纤维材料的水分含量，所需压制时间，和所用树脂的种类而变化。
用于蒸汽注射压制的工艺参数和装置更详细描述于K.Walter，Steam Pressing Experience from Operating Plants and FuturePossibility，(G.Siempelkamp Gmbh and Co.)和U.S.专利Nos.5,195,428；5,134,023；和4,890,849，在此将其相应内容作为参考并入本发明。
在固结步骤之后，将所形成的复合制品从压机中取出并冷却至环境温度。由大麻皮和/或南非槿麻皮制成的模塑复合制品具有优异的表面质量，这有助于获得较高涂布质量，从而又给成品增加更多的价值。
所形成的复合制品可具有类似于中密度板(即，密度约30磅/立方英尺(lbs/ft3)-约45lbs/ft3)或高密度板(即，密度约45lbs/ft3或更高)的密度。另外，所形成的复合制品可具有各种厚度，从约1/8-英寸至约2英寸，更具体地该制品可具有厚度约1/8-英寸，1/4-英寸，1/3-英寸，3/8-英寸，1/2-英寸，5/8-英寸，2/3-英寸，3/4-英寸，7/8-英寸，1-英寸，11/4-英寸，11/4-英寸，11/3-英寸，13/8-英寸，11/2-英寸，15/8-英寸，12/3-英寸，13/4-英寸，17/8-英寸，2-英寸。这些复合体可用作家庭，办公室，和其它建筑物的构造中的柱子，地板，天花板，墙壁，门，壁板和楼梯，以及家具组件，如椅子，桌子，柜台，橱柜，和橱柜门，和其它用途，如布告板。
前述内容仅用于清楚地解释，而不应因此理解为任何不必要的限定，因为本领域普通技术人员可在本发明范围内进行改进。

Claims (49)

1.一种包含平均纤维长度低于约2毫米(mm)的纤维材料和固化的粘结剂树脂的纤维复合制品，其中纤维材料包含选自大麻皮，南非槿麻皮，植物竹茎，和其混合物的物质。
2.权利要求1的制品，它包含具有平均纤维长度约0.3mm-约1.6mm的纤维材料且所述粘结剂树脂的存在量是约2wt.％-约8wt.％，基于纤维材料在固化之前的重量。
3.权利要求1的制品，其中纤维材料具有比重约1-约1.2。
4.权利要求1的制品，其中热固性粘结剂树脂选自氨基树脂，改性的氨基树脂，酚醛树脂，改性的酚醛树脂，和其混合物。
5.权利要求1的制品，其中纤维材料具有固结前水分含量约3wt.％-约5wt.％。
6.权利要求1的制品，其中纤维材料具有固结前水分含量约4wt.％-约4.5wt.％。
7.权利要求1的制品，进一步包含基于纤维材料在固化之前的重量约1wt.％-约3wt.％的施胶剂。
8.权利要求1的制品，进一步包含基于纤维材料在固化之前的重量约1.5wt.％-约2.5wt.％的施胶剂。
9.权利要求2的制品，其中纤维材料包含大麻皮和纤维具有平均纤维长度约0.5mm-约0.75mm且制品包含基于纤维材料在固化之前的重量约4wt.％-约6wt.％的固化的粘结剂树脂。
10.权利要求9的制品，具有光滑度值约2.1-约3.8。
11.权利要求9的制品，具有内部粘接强度约140磅/平方英寸(psi)-约250psi。
12.权利要求9的制品，具有开裂值约45磅-约65磅。
13.权利要求2的制品，其中纤维材料包含南非槿麻皮和纤维具有平均纤维长度约0.5mm-约0.75mm且制品包含基于纤维材料在固化之前的重量约4wt.％-约6wt.％的固化的粘结剂树脂。
14.权利要求13的制品，具有光滑度值约2-约5。
15.权利要求14的制品，具有光滑度值约2.5-约4.2。
16.权利要求13的制品，具有内部粘接强度约210psi-约290psi。
17.权利要求16的制品，具有内部粘接强度约218psi-约279psi。
18.权利要求13的制品，具有开裂值约80磅-约100磅。
19.权利要求18的制品，具有开裂值约82磅-约95.7磅。
20.权利要求13的制品，进一步包含选自山杨，桦树，朴树，枞木，山芯桃树，枫木，桑树，橡树，松树，和悬铃木的木材物质。
21.权利要求20的制品，其中木材物质以约0.25∶1-约0.67∶1的木材物质：南非槿麻重量比存在。
22.权利要求2的制品，其中纤维材料包含选自高节竹，thunder(P.praecoxf prevenalis)，红竹，和其混合物的植物竹物质的茎。
23.权利要求2 2的制品，其中纤维材料具有平均纤维长度约0.5mm-约0.75mm且制品包含基于纤维材料在固化之前的重量约4wt.％-约6wt.％的固化的热固性粘结剂树脂。
24.权利要求22的制品，具有光滑度值约2-约9。
25.权利要求24的制品，具有光滑度值约2-约4.2。
26.权利要求22的制品，具有内部粘接强度约160psi-约400psi。
27.权利要求26的制品，具有内部粘接强度约180psi-约375psi。
28.权利要求27的制品，具有内部粘接强度约225psi-约375psi。
29.权利要求22的制品，具有开裂值约65-约95。
30.权利要求29的制品，具有开裂值约67.2-约92.5。
31.一种制造纤维复合制品的方法，所述方法包括步骤：(a)提供包含选自大麻皮，南非槿麻皮，植物竹杆，和其混合物的物质的纤维；(b)精制该纤维；(c)将精制纤维与粘结剂树脂结合；(d)形成包含纤维和粘结剂树脂的型坯；和，(e)在热和压力下固结该型坯以生产纤维复合制品。
32.权利要求31的方法，其中步骤(c)进一步包括将精制纤维和粘结剂树脂与施胶剂结合，以及步骤(d)进一步包括形成包含纤维，粘结剂树脂和施胶剂的型坯。
33.权利要求32的方法，其中纤维精制至平均纤维长度约0.1mm-约2mm。
34.权利要求31的方法，其中纤维具有比重约1-约1.2。
35.权利要求31的方法，其中粘结剂树脂是一种选自氨基树脂，改性的氨基树脂，酚醛树脂，改性的酚醛树脂，和其混合物的热固性粘结剂树脂。
36.权利要求31的方法，其中纤维具有固结前水分含量约3wt.％-约5wt.％。
37.权利要求35的方法，其中纤维具有固结前水分含量约4wt.％-约4.5wt.％。
38.权利要求32的方法，其中施胶剂是一种存在量是基于纤维在固化之前的重量约1wt.％-约3wt.％的蜡。
39.权利要求3 8的方法，其中蜡的存在量是基于纤维在固化之前的重量的约1.5wt.％-约2.5wt.％。
40.权利要求31的方法，其中固结步骤包括压机温度约375°F-约450°F。
41.权利要求40，其中压机温度是约400°F-约425°F。
42.权利要求31的方法，其中纤维包含大麻皮纤维。
43.权利要求31的方法，其中纤维包含南非槿麻皮纤维和固结步骤包括约60秒-约90秒的三级压制周期，其中第一阶段包括约10秒-约20秒的压制周期时间，第二阶段包括约30秒-约40秒的压制周期时间，和第三阶段包括约20秒-约30秒的压制周期时间。
44.权利要求43的方法，其中固结步骤包括约70秒-约80秒的三级压制周期。
45.权利要求31的方法，其中纤维包括植物竹茎的纤维。
46.权利要求45的方法，其中纤维包括选自高节竹，thunder(P.praecoxf prevenalis)，红竹，和其混合物的植物竹物质的茎的纤维。
47.权利要求45的方法，其中固结步骤包括(a)具有压制周期时间约20秒-约30秒的第一压制期，(b)具有周期时间10秒-约15秒的呼吸期；和(c)具有压制周期时间约35秒-约75秒的第二压制期。
48.权利要求47的方法，其中所述第一和第二压制期采用约700psi-约1200psi的压力。
49.权利要求48的方法，其中压力是约800psi-1100psi。
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