CN1743153A - 芦竹浆、纸制品、以及刨花板 - Google Patents

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Abstract

由芦竹生产复合材料板和纸浆、以及该纸浆的纸制品。在制造复合材料板时，芦竹被粉碎(20)合适尺寸，与粘结剂相混合(40，50)，然后固结成符合建筑和/或家具级板标准的板。芦竹颗粒可与木材颗粒相混合以生产出混合的配料，混合的配料能被用于制备复合材料板。被粉碎的芦竹在惯用的制浆过程中被处理而生产出高抗张强度的浆，所说的浆能被用于纸的生产。所说的浆具有比木浆较浅的颜色，由此而能使用稍少的漂白化学品而达到理想的白度。该浆能与木浆相混合而生产出各种产品。

Description

芦竹浆、纸制品、以及刨花板
本申请为分案申请，其母案申请申请号为“99814407.X”，申请日为1999年6月16日，发明名称为“芦竹浆、纸制品、以及刨花板”。
发明领域
本发明涉及由芦竹(一种草本植物)制成的复合板和设计产品，和由芦竹生产的纸浆与纸。
发明背景
有几种为人们所熟知的、使用木片和其它木材加工废料生产刨花板的方法。确实、这些木基复合板具有广泛的用途，特别是在建筑结构物与家具制造方面。近年来，该工业已经生产出一种作为有用的建筑材料的定向木丝板(OSB)。刨花板与OSB二者均属于“复合材料”范畴，因为二者均含有被埋在粘结剂基料中的填料(木纤维)。另一种为人们所熟知的木材复合材料是“MDF”(中密度纤维板)。其他为人们所熟知的复合材料产品是使用无机粘结剂例如水泥用木材或其它纤维制造的建筑和装饰产品。
流行的木基复合材料大部份是基于较低成本可获得的木材副产品(木片、锯末等)，这些木材副产品可被用来制造复合材料。的确，这些复合材料的物理性能的许多工业标准是以木基复合材料为依据的。由于木基复合材料的制造参数是为人们所熟知的，且通常能为某些应用而作出特别的规定，现在对研究其它填料只有极少的兴趣。
随着对得自木浆的纸制品的日渐增大的需求和世界性的对木基复合材料(它能取代成材)世界性需求的增加，出现新的可感觉到对木材取代品的越益增大的需求。尽管用于这些产品的木材来源是“可更新的”，但是并没有考虑到树木生长需要长的时间的。而且，当需求超过供应时，因为供应是根据在植树前几十年预测的，那么必然会出现估计不足的差错。由于为了满足这些应用所需要的木材每年要砍伐几百万英亩的森林，这样的短缺量导致严重的世界性的森林消失与全球气候变暖问题。
还存在对在木基复合材料中能方便地代替木材的材料的需求，该种材料还能被用于生产制造纸制品的纸浆。为了发现在复合材料与制浆工业中代替木材的适用的新材料，现已进行了大规模的研究且生产性试验正在有效地进行，但是，迄今为止，此项工作由于不良的性质、昂贵的成本和许多工业生产方面的缺陷而收效甚微。
发明简介
在本发明的一个方面中，提供芦竹颗粒。包括小片与刨花的所说的芦竹颗粒能有利地形成能制造纸与纸制品的纸浆。所说的颗粒还能被用于生产刨花板。
在另一个方面中，本发明提供包括用芦竹颗粒充填的粘结剂基料的复合材料。根据本发明，这些复合材料板与木基复合材料相比使用少得多的粘结剂，且与可比拟的木基复合材料相比，按工业中所用的标准测定，在几个物理性能方面更为优越。
本发明的复合材料是通过精选nalgrass(芦竹的常用名)来生产，nalgrass作为天生的野草广泛地生长在世界各地。将nalgrass装到刨片机，刨片机有尖锐的机内刀片将nalgrass削成小碎片(例如，刨花)，然后能将小碎片装入到锤式粉碎机以进一步减少其尺寸。所得到的材料被称为“配料”。按尺寸能锤式粉碎机配料进行分类，最好至少分成二部份。二部份的每一部份nalgrass颗粒分别与一部份树脂相混合。然后生产具有细和粗nalgrass-树脂混合物交错层的层状结构。为了固化对层状结构加热与加压而形成复合材料。令人满意的产品可被制成单层、二层、或更多层。在制造复合材料时，许多工业操作中掺混各种木材料，例如针叶材、阔叶材、和回收的木材废料。本领域的熟练技术人员正在寻求通过在配料中将一部份nalgrass与部份可获得的木源材料相掺合的nalgrass的优点。
本发明还提供由nalgrass制成的纸浆与纸制品。由nalgrass生产的粗浆与纸生产中常用的由木材生产的纸浆相比具有较浅的颜色。因此，必须添加少量的化学漂白剂以将纸浆漂白到所需要的白度。Nalgrass浆还比最普通的针叶材例如山杨具有更高的强度。本发明的浆还能被用于其它的纤维基产品，包括建筑产品和改性的纤维纤维诸如粘胶(例如人造纤维)。
附图的简要说明
本发明的上述诸方面与伴随的优点，通过参照附图与下列详细的说明书而对本发明有更清楚的理解而变得更为清楚。这些附图包括：
图1示明本发明的代表性的nalgrass颗粒；
图2是根据本发明形成nalgrass小片代表性设备的示意图；
图3是根据本发明形成nalgrass小片代表性设备的剖面图；
图4是根据本发明形成nalgrass小片代表性设备的刀片排列的局部图；
图5是显示生产本发明的nalgrass复合材料的代表性方法的示意流程图；
图6是本发明制备的代表性nalgrass复合材料板；
图7是说明比较由洋麻、阔叶材、芦竹收获物进行生产的图；
图8是说明根据本发明生产nalgrass浆的代表性方法中各步骤的示意流程图。
优选实施方式的详细说明
本发明的复合材料所利用的原料是丰富的，但被称杂草(weed)的除了保护斜坡土壤、抗风林与制造木管乐器外是不适于任何使用的。可用的原料是羊茅族草科的芦竹属。它包括六种，其中芦竹L是分布最广的和最有名的。芦竹，还被称为nalgrass，天生于地中海周围诸国。此处术语“nalgrass”和“芦竹”是互用的。
Nalgrass是一种高而直的多年生草且在成熟期高达2.13-8.53m(7-28英尺)。在最佳气候下，最好年份它的生长率为每天152.4mm(六英寸)且在一年到一年半的期间达到成熟期。在不良土壤中，产率为每0.4公顷7.26公吨(每英亩8吨)干nalgrass。在南加利福尼亚的试验性收割产率为每0.4公顷27.2公吨(每英亩30吨)干nalgrass。20.234公顷(50000英亩)nalgrass干纤维的持续产量相当于505.857公顷(1250000英亩)木材纤维。它是最大的草本植物之一。与竹子、洋麻和其他草类不同，茎是空的，具有壁厚为2-7毫米有在节处能被剖分。节的长度变化为约12到30厘米不等。茎的外壁组织是含硅物质、非常硬且脆，具有平滑的光泽表面，当完全成熟期间表面转变成浅的金黄色。
Nalgrass的维管束自由地布在基本的薄壁组织的整个截面。其中少数朝向茎的周边而更多数是朝向内部的。这些维管束排列在一列或更多列的厚壁的、强的木素化的纤维周围。由于维管束尺寸的减少，朝向茎的周边的与维管束相连的纤维是小的且比较地靠近在一起，纤维充分地丰富而形成连续的结构组织的环，其中散布维管组织。这些结构环通过窄的薄壁细胞带而与覆盖蜡的单一细胞表皮层相分离，在成熟期间茎是比较小的、壁厚而木素化的。维管束包括处于相关的纤维环内的纤维，约占茎量的24％。维管细胞与相关的纤维构成结构环约占总截面积的33％。于是，薄壁细胞约占茎的总截面积的43％。
Nalgrass的叶与茎，特别是前者含有许多高硅化的细胞。这些与维管束有关的细胞还处于表皮组织内。其存在说明了已被化学分析所指出的高的二氧化硅含量。
制备本发明的组合物的必要设备是商业上可购到的，但必须进行改进以优化生产。不管怎样，商购的设备能被方便地用于本发明的方法中。
在本发明的一个方面中提供芦竹颗粒。所说的颗粒为小片或刨花，且它们既能被用于形成纸浆和由纸浆得到的纸制品，也能被掺入到复合材料板中。
由芦竹茎通过垂直其长度方向切割茎面而形成具有基本上为环形截面长度为约3.18至约76.2mm(约1/8英寸-约3英寸)的片。破坏的环形截面就形成小片。通常，当环被破坏时形成二到五块小片。现参看图1，芦竹茎1形成环2并由环2形成小片3。形成芦竹片的代表性装置与方法被介绍于实施例1中。最好，环的长度为约12.7至约38.1mm(约1/2-约11/2英寸)且是通过用锯、刀或单板刀片切割而形成的。
除了小片外，合适的芦竹颗粒包括刨花。刨花是由在任何一种惯用的刨片机中刨削芦竹茎而形成的。最好，刨花(即，碎片、条状碎片)具有长度为约50.8至约101.6mm(约二英寸-约四英寸)，优选为约63.5至约88.9mm(约21/2英寸-约31/2英寸)。小片厚度能从约0.79至约3.18mm(约1/32英寸到约1/8英寸)之间变化。参看图1，刨削的茎1提供小片4。适用的小片能由惯用的设备包括环状、鼓式、盘状刨片机和小片来制备。最好，小片是使用鼓式刨片机来制备的。
如下面所讨论的，芦竹颗粒(例如，刨花与小片)能被有利地用于生产复合材料、纸浆与纸制品中。小片能被有利地用于形成纸浆，包括连续法或分批法。芦竹刨花还能优选通过分批蒸煮法被制浆。在硫酸盐制浆法中刨花或小片被直接蒸煮。在CTMP(碱性过氧化物)制浆中，在蒸煮前刨花和/或小片尺寸能被减少。就形成复合材料板(例如刨花板)而言，刨花和/或小片一般通过锤式粉碎机减少尺寸以提供配料，然后将配料与粘结剂诸如树脂粘结剂相混合，然后固化成板。
形成复合材料的代表性方法被说明于图5中。在第一步中干净的nalgrass被装入到刨片机或小片机10中，机10装有内峰利刀片以将nalgrass的尺寸减少。一般，nalgrass的尺寸分布是由刨片机获得的。如果制得的配料被用于制造复合材料的话，最好，具有长度为约25.4mm(一英寸)、且最高达约101.6mm(四英寸)的nalgrass颗粒是由刨片机制备的。如果制得的颗粒被用于制造纸浆的话，那么它优选为比较小的，通常长度为12.7-38.1mm(0.5英寸到1.5英寸)。
然后将nalgrass颗粒装到锤式粉碎机20中进行进一步粉碎。当然，还可以使用粉碎纤维材料的其他常用设备，本发明并不限于使用刨片机、小片机、以及锤式粉碎机。锤式粉碎机进一步减少nalgrass颗粒的尺寸并达到配料的料径分布。
然后最好将得自锤式粉碎机的颗粒装入到筛网30进行筛选。最好，筛网的配备以能产生至少三种的nalgrass颗粒的切割料或尺寸分布。于是，优选使用48目的第一筛网以除去过小尺寸的nalgrass“粉尘”。因此，过大尺寸的颗粒被装到14目的第二筛网。这种筛选产生过小尺寸与过大尺寸物。不能通过4目(超过6.35mm(四分之一英寸))的材料被除掉和再加工。
过小尺寸的材料是细的并被用来制造图6中所示的复合材料的“表面”层100。过大尺寸的材料是较粗的，被用于复合材料的芯层120。复合材料一般包括三层：其每一面被表面层所覆盖的中央层。然而，还可添加另外的层，这取决于消费者的要求、物理性能、以及其他因素。
过小尺寸或“表面nalgrass颗粒”与树脂40相混合而形成树脂涂布颗粒的“表面材料混合物”。另外，芯层材料还可与树脂相混合以形成“芯材料混合物”。
尽管在制造木材产品中常用的任何有机或无机的粘结剂还可被用于制造nalgrass复合材料，但是优选的树脂是二异氰酸甲酯(MDI)。现已发现，MDI树脂导致生产出具有优越性能的复合材料。在不囿于任何理论的情况下，从理论是说nalgrass-MDI树脂相结合可产生具有增大的物理性能的产品，因为nalgrass的上例的物理性能源于：在nalgrass中存在高熔点蜡、nalgrass的高二氧化硅的含量、nalgrass的高α-纤维素含量、和nalgrass的低木素含量之故。
不管理论上怎么说，现还发现，nalgrass复合材料比其物理性质(尺寸稳定性与强度)上较差的木基复合材料需要较低添加量的树脂。的确，根据所要求的复合材料的性能的不同，本发明的nalgrass复合材料可以用少达1.5％重量的MDI树脂来制备。通常，取决于要求的复合材料的性能，树脂比例可为1.5％重量-5％重量的MDI。还可使用高于5％重量的MDI树脂，但是生产这样的复合材料似乎没有多大的商业上好处。一般说，添加的树脂量愈高，组合物的强度就愈大。最好，nalgrass-树脂混合物含有约1.5％-约3.5％重量MDI，最优选为含有约2.5％-约3.0％重量MDI。显然，当使用不是MDI的其他树脂时，可以找出最佳的不同的树脂量，这取决于复合材料的所要求的物理性能。
在已制备nalgrass-树脂混合物后，将它们送至“垫形成步骤”60。在该过程中，首先将表面材料混合物铺成一层。接着铺芯材料混合物层，在芯材料混合物层上覆盖最后的表面混合物层，以形成三层的夹芯物。或多或少的层还能被使用，这取决于所制成复合材料的想要的性能。成层的垫在通常的条件下被预压70以减少其体积，接着是颗粒的有限制的移动以充填间隙和空洞。然后对加工好的成层结构加压，加压使用生产木基复合材料的常用压机，施加充分的热与压力以固结板80。当使用MDI树脂时，压机通常在温度为160-170℃(320-340°F)，闭合循环期间的压力为3.45-4.14MPa(500-600psi)(最大值)和固化循环期间的压力为0.69MPa(100psi)。
加压期间，某些混合物向外流出，形成具有不均匀边缘的固结的复合材料。板边缘被修整，且将板切割成标准尺寸而生产出复合材料板。Nalgrass颗粒板的形成及其性质和麦杆基颗粒板和南方松基颗粒板被介绍于实施例2中。
如上所述，根据本发明nalgrass配料可与部份木基配料相混合来制备复合材料。最好，nalgrass占配料的主要部份，以便降低成本。在实施例3中介绍代表性的nalgrass/南方松颗粒板的形成及其性质。在该实施例中将nalgrass/南方松混合颗粒板与(1)由nalgrass形成的颗粒板和(2)由南方松形成的颗粒板进行了比较。
芦竹复合材料板包括粘结剂基料和分布在整个粘结剂基料中的芦竹颗粒(例如，小片、刨花、和具有减少尺寸的小片和刨花)。现参看表1和2，本发明的复合材料板至少符合复合材料板的M-3标准。
所说的板包括以板的总重量计为约1％-约10％重量的树脂粘结剂。然而，为了获得与木材板有关的有利的性质，在本发明的复合材料板中存在芦竹的情况下有可能使用低得多量的粘结剂。因此，所说的板优选包括以板的总重量计为约1.5％-约3.0％重量的粘结剂。已知在形成复合材料板中惯用的粘结剂均能被使用来制造本发明的板。优选的粘结剂包括甲基二异氰酸酯、脲醛、和酚醛粘结剂。
本发明的板能进一步包含包括木纤维的其他纤维。最好，本发明的板包含以板的总重量计为约10％-约90％重量的芦竹颗粒的纤维掺合物。
本发明板的抗弯强度与耐湿性相对于惯用的木基板是随着板中芦竹量的增加而增大的。一般说，板的抗弯强度比类似结构的木基板高约55％，而比类似结构的麦杆板高约5％。板的耐湿性比类似结构的木基板高约2.6倍，而比类似结构的麦杆板高约15％。
代表性的制造芦竹复合材料板的方法包括以下步骤：(1)粉碎芦竹到粒径分布适于被用作复合材料板的配料；(2)将这些颗粒与粘结剂(例如，树脂)相混合而形成粘结剂-颗粒混合物；和(3)将粘结剂-颗粒混合物固化成复合材料板。在该方法中，芦竹颗粒被树脂粘结而成为连续材料。如上所指出的，颗粒-粘结剂混合物能进一步包括其他材料诸如木材颗粒和纤维。
如上所述，芦竹能有利地被掺入到刨花板。类似的优点能通过在定向木丝板(OSB)和中密度纤维板(MDF)中掺入芦竹来达到。芦竹能作为基底颗粒组分或作为颗粒混合物中的组分而被掺入。
在本发明的另一方面，nalgrass被用作纸浆及由此纸浆制造的纸制品的原料。芦竹纸包含由处理芦竹颗粒(例如，小片和刨花)而获得的纤维。取决于纸浆的不同，如所说的处理外，颗粒还可被粉碎。粉碎能通过许多装置包括，例如，锤式粉碎机或转盘精碎磨机来进行。
如上所述，所说的纸浆能由许多不同的处理来形成，这些处理包括，例如，硫酸盐法制浆、苏打法制浆、碱性过氧化物机械法制浆(CTMP)、亚硫酸盐法制浆、以及本行业已知的其他制浆法。制浆方法还能包括漂白。在一种优选方法中，漂白步骤包括无元素氯漂白。
本发明的芦竹浆具有游离度为约150-750CSF和具有亮度为至少约55％ISO、且优选为至少约75％ISO。
本发明的制浆法的纸浆产率约为50％。该产率可与阔叶材的产率相比而稍高于由洋麻所得的产率。由芦竹、阔叶材和洋麻所得的产率被说明于图7中。现参看图7，可用的洋麻、阔叶材和芦竹的初始产率分别为约22.7kg/45.4kg(50磅/100磅)、约39.9kg/45.4kg(88磅/100磅)和约44.9kg/45.4kg(99磅/100磅)。就洋麻而言，分离髓心大大地降低了可用的纤维量。就阔叶材而言，去皮对进一步加工来说能提供更多量的纤维。芦竹的初始加工仅从茎上除去叶子，叶子是不适用的，留下大部份的芦竹之主要部份(即，约99％)可供进一步加工使用。初速加工之后，然后洋麻、阔叶材和芦竹纤维被蒸煮，一般产率为约50％。如图7中所示，就制浆所需的功率(蒸汽需量，单位为kJ/公吨(BTU/吨))与化学品kg/公吨(磅/吨)而言，芦竹大大地低于洋麻或阅叶材纤维。芦竹制浆所需的功率约为洋麻蒸煮的88％和阔叶材蒸煮的约73％。另外，芦竹制浆需要约83％量的化学品以将原料纤维转变成可用的纸浆。对洋麻、阔叶材和芦竹来说，总产率分别为约28％、44％和50％。因此，使用芦竹于制浆和随后的纸制品，由于与阔叶材和其他非木材料相比使用较少的能量与化学品而提供经济上大大的好处。如实施例中所说，芦竹浆的特征、纸制品和刨花板通常是可与木基和非木基的对比物相比拟的或比它们要优越。
与杨木相比浆具有更好的撕裂与抗张强度。这是影响纸生产效率的重要性质。还有，nalgrass配料使用较少化学品与能量以生产纸浆。
Nalgrass的松厚密度稍高于一般木材小片的松厚密度。因此，nalgrass小片的蒸煮装料量按比例高于木材小片。这对那些纸与纸浆制造者来说具有重要的意义，因生产能力受到蒸煮器装料量的限制。
与木材小片相反，为了进行有效的蒸煮木材小片要求含水量为约50％，nalgrass颗粒具有大大地低的水含量，水含量为低于10％就能直接而方便地进行蒸煮。
Nalgrass小片或颗粒易于被蒸煮，与木材硫酸盐蒸煮条件下的木材相比Nalgrass小片或颗粒非常容易被蒸煮。未漂白浆的产率为48.5％，处于可漂白的硫酸盐浆的上限，可能例外的是杨木(其产率为55-58％)。重要的是，nalgrass浆具有比通常由阔叶材得到的浆浅的颜色。因此，添加较低量的化学品就能生产出相同结果的处理亮度。在产率为93.9％时由nalgrass粗浆生产的粗浆是非常容易地用DEDED顺序漂白到89.9％ISO亮度。粗浆还能通过无元素氯(ECF)法(一种三步法)方便地进行漂白，如实施例4和8中所述。在一种代表性的ECF法中，得到的纸浆的亮度约为85％ISO。
Nalgrass浆的重均纤维长度约为0.97毫米，浆的粗度为每米0.13毫克。这二个值稍高于从杨木浆所得到的值。
Nalgrass浆可被用于制造纸，例如无木的未涂布纸，且还可与木浆掺合来制造其他产品。Nalgrass木浆还适用于生产皱纹纸。Nalgrass配料可与木配料相掺合而生产适用于各种用途的混合浆产品。
在本发明的另一方面，提供形成芦竹浆的方法。在这些方法中，芦竹颗粒诸如小片和刨花被制浆。
在一种方法中，芦竹浆是通过选择配料来形成的，所说的配料包括芦竹颗粒，且让配料经受制浆过程来生产具有以配料计产率为约48％重量的粗浆。一般说，得到48％产率和卡伯值为约15的方法之制浆时间为比达到同样产率与卡伯值的制浆阔叶材的时间短25％。
在另一实施方式中，本发明提供一种形成芦竹浆的方法包括以下步骤：(1)选择包括芦竹颗粒的配料；(2)使配料经受制浆过程以生产具有以配料计产率为约48％重量的粗浆；(3)漂白粗浆至亮度为约55％-约90％ISO。在该方法中，粗浆被漂白至亮度为约90％ISO需要比漂白阔叶材至同样亮度所需要的漂白剂少约25％。
在本发明的另一实施方式中，芦竹浆是通过以下步骤形成的：(1)对芦竹颗粒进行化学漂白以提供漂白的配料；和(2)机械精磨浆配料以提供具有亮度为约55％-约90％ISO的浆料。漂白化学品可以是制浆业中已知的各种化学品的任何一种。优选的漂白化学品包括过氧化氢、氢氧化钠和硅酸钠的混合物(碱性过氧化物制浆)。另外，漂白化合物可以包括二氧化氯。
说明二种代表性制浆方法的流程图被示于图8中。现参看图8，对硫酸盐制浆与漂白法和化学制浆法(碱性过氧化物法)进行说明。简言之，在这些方法中nalgrass茎被加工成nalgrass颗粒(例如，小片和/或刨花)。就硫酸盐制浆与漂白法而言，nalgrass颗粒是在蒸煮液中被蒸煮的。然后蒸煮过的材料被洗涤而废液被回收到蒸煮液中供连续加工用。蒸煮结果是浆产物，然后对其进行漂白。如图8中所示，漂白能包括以下步骤：第一二氧化氯漂白步骤，接着是提取步骤，然后是第二二氧化氯漂白步骤。漂白之后，然后是洗浆，接着或是直接送到造纸机中造纸或是经加压和干燥后送到市场。
对化学制浆法来说，nalgrass颗粒用化学品(过氧化氢、氢氧化钠和硅酸钠的碱性过氧化物混合物)浸渍。在化学浸渍后，得到的处理浆被机械精磨，然后进行洗涤。洗涤后浆或是直接送到造纸机或是经干燥和打包后送到市场。
在本发明的另一方面，是提供芦竹纸制品。这些纸制品包括芦竹浆。将芦竹浆掺到纸制品中提供有利的亮度和强度(即，耐破强度，撕裂强度和抗张强度)。在生产纸中利用芦竹、其制浆性和浆性质被介绍于实施例4中。在实施例4中，提供得自硫酸盐制浆法、苏打制浆法和碱性过氧化物制浆法的数据。芦竹的数据可与得自麦杆和木材的数据相比拟。
芦竹纸制品通常中通过一种包括以下步骤的方法来形成的：(1)形成包括纤维与水性分散介质(例如，水)的配料；(2)将配料沉积在多孔的支承物(例如，成形网)上；(3)脱水沉积的配料而形成纤维状纸幅；和(4)干燥纸幅而形成纸制品。
本发明的芦竹纸制品能进一步包括其他材料，且能包括纸浆掺合物，例如芦竹和针叶材和/或阔叶材的掺合物。因此，在上述方法中，芦竹配料进一步包括木材纤维。
芦竹的有利性质能通过在纸制品中掺入约5％-约85％重量的芦竹浆来获得。一般说，本发明的纸制品具有至少约82％ISO的亮度，耐破指数至少约为3.0，撕裂指数至少为约8.5，和拉伸指数至少为约50。取决于纸浆性质之不同，本发明的纸制品包括高亮度的印刷和书写级纸、新闻与出版物级纸、未漂白的箱板纸(liner)与波纹纸板。
为了说明本发明特提供下列的实施例，这些实施例并不是限制性的。
实施例
实施例1
用来减少nalgrass尺寸的设备、过程与方法
在此实施例中，介绍切割或浸软nalgrass，具体说介绍切割nalgrass成为适于加工成蒸煮浆的颗粒或充分加工成复合材料板和/或工程用木制品用的颗粒。
许多年来森林与木材工业已研究出十分复杂的加工设备用来减少原木、制材厂锯末、废板材等等的尺寸。这些设备与处理方法用来生产特定几何形状的颗粒，所说的颗粒供制浆蒸煮器用或供木材复合材料即刨花板、定向木丝板(OSB)和中密度纤维板(MDF)用。在开发期间，对几种形式与类型的木材小片机与刨削机进行试验。得到的颗粒能满足实验室与中试要求，但是很快被证实这样的颗粒形状不能满足工业上的应用。
一般地说，惯用的装置如环状、鼓式和盘式刨削机或小片机和各种管式和农业和“路边/场院”粉碎机产生许多长刨花、碎片和细木片。这些机械的作用将中空的nalgrass茎拉成叶片和成剥离层地撕碎长纤维。长的碎片与细片易于堵塞向纸浆蒸煮器或复合材料板车间用的筛网和输送带。
在进行试验期间大的材料被筛出和回收，但是对工业加来说，显然需要进行更多的工作以减少nalgrass的尺寸。另外的科学试验已显示，用于木材的惯用设备不能生产出令人满意的颗粒形状以用于现代的连续的制浆蒸煮器和用于许多复合材料板的加工车间。理想的颗粒形状为19.0-25.4mm(3/4-1英寸)长、6.25-19.0mm(1/4-3/4英寸)宽和约4.76mm(3/16英寸)厚的小片(注：这些尺寸广泛地应用于大部份工业操作工厂，但对某些操作来说可稍有变化)。此外，主要在美国以外使用的某些制浆设备和过程能利用更广范围的颗粒形状。
一种代表性的用nalgrass制备理想的颗粒形状用的的置与方法被示于图2-4中。同样的原则可被用来提高农业麦杆和枝叉、路边和庭院的杂枝等。
Nalgrass的有用茎杆部份在12-18个月内达到成熟期而长到4.6-6.1m(15英尺-20英尺)，这取决于气候与土壤条件。茎是用刀高于地面切割而收得的上部(top section)，它包含叶子与小茎。所得到的茎部基本上是中空的、直径为约12.7-31.75mm(1/2英寸-11/4英寸)和壁厚恰好超过1.59至约6.35mm(1/16英寸-约1/4英寸)。其原则是然后将茎锯成19.0-25.4mm(3/4到1英寸)长的“环”，将环“劈”成三到五块。简单的计算显示，所得到的小块符合工业制浆与复合材料板加工的最佳尺寸规格。
图2是和图3是1.68m(51/2英尺)宽的锯片装在轴上且间隔为25.4mm(1英寸)的锯床的平面图与剖片图。宽度根据要求来选定，因为用于复合材料板与木制品的自动锯将板切割成宽度为1.2-2.4m(4-8英尺)而用于各种制品。然而，可以具有宽得更多与窄得更多的锯床，这取决于建造费用与生产能力要求方面的经济因素。图4刀与指的排列之详图。此图显示圆锯的形状，然而原则上也可使用带锯。
还使用25.4mm(1英寸)的刀间距来进行说明，因为19.0-38.1mm(3/4-11/2英寸)上下的间距是可能的，这取决于所期望应用的情况。nalgrass茎被先切成约1.2-1.5m(4-5英尺)长，且对齐并送入到料斗，料斗装在输送机平台之上而将料送到锯片。装在链、皮带、或其他输送机械上的指被驱动而穿过皮带中的缝而将料送入到锯床。这些齿推动nalgrass茎，所说的茎是由重力或由强制进料机构(茎不完全是直的而使用强制进料能将料斗卸空送入到指)从料斗送到平台上而进入并穿过锯片形成环状的nalgrass卸出料，然后环状的nalgrass卸出料进入到斜槽并进入到斩碎机。对25.4mm(1英寸)指宽来说锯片可以为12.7-19.0mm(1/2到3/4英寸)以便施加强制力而平稳地推动茎穿过锯片。
“斩碎机”可具有几种形状，所示的是一种刀片按装在轴上以单一或可变的速度旋转的形式。当环落入到围绕刀片的小室时，由于刀片作用而与壁相碰撞它们被切碎。另一种形式是使用锤而不使用刀片或带刀片的转鼓和环形空间，由此厚块受到nalgrass环拉引。最佳的设计产生最少的碎屑。
斩碎机之后，设置筛子以除去过大(完整的或几乎完整的环)物并返回到斩碎机，而过小的碎屑通过筛选被除掉。大部份过筛物流被输送到贮料斗再被装到卡车或火车车厢。
此基本方法的各种变型方法是可能的。如果需要更强制的切割作用的话，锯片可以是振荡的。锯片可以具有许多或甚少或没有齿。另一种设计，如前所述，可以使用带锯而不是圆锯片。随着茎被推入带锯条可以上下运动。尽管如此，在所有的变型方法中所说的方法涉及将环切割到最佳长度，然后将环加工成想望的颗粒。
许多设计特征之关键在于装置的能力。对于大加工车间来说，在田野中的装置需要每小时产生最小9.1公吨(10吨)到最高达27.2公吨(30吨)或多的装置，装置每天有效工作时间为16小时和每周工作6或7天，每年生产50-52周。除非另有说明，否则此处所指的公吨为“毛”吨(“green”ton)。在该工业中，公吨数常常指“干透的公吨”。以松厚密度的茎为基准计，某些粗略估算显示，每一次如果每一指“推入”一直径为254mm(10英寸)的小束，约重2.7-3.2kg(6-7磅)的话，所有的指需以每秒一次的速率通过刀片(直径约762mm(30英寸))每小时生产9-10.9公吨(10-12吨)。有关的类似方法之速度概念上似乎为需要2-3秒才能完成锯割同样尺寸的束。762-1016mm(30-40英寸)长的带锯条可能锯割直径高达381mm(15英寸)的束，且该装置能每小时加工9-10.9公吨(10-12吨)。推入较大的束可以在它们被切割成想望的环形之前先压碎茎。
实施例2
形成代表性的nalgrass刨花板
在此实施例中介绍nalgrass板的制造方案与可比材料的制造方案。
配料(颗粒)的制备。在Pallmann鼓式刨片机中芦竹杆被切断成约50.8-76.2mm(2-3英寸)长、6.25-9.52mm(1/4-3/8英寸)宽、0.762mm(0.03英寸)厚的块，干燥到水分含量为8％，然后在带3.18mm(1/8英寸)筛网的Prater Bluue Streak锤式分碎机中被加工。将来自分碎机的材料过筛，过筛物占32％被用作面层材料，在筛上的68％被用作芯层材料。
就木材(南方松)复合材料的制备而言，使用工业上得到的面层和芯层。工业上的面层材料要比所用的nalgrass和麦杆要粗，以致一部份的木材面料被筛出，所使用的筛网是与nalgrass中所用的筛网相同。
就麦杆而言，使用带3.18mm(1/8英寸)筛网的Prater Bluue Streak锤式分碎机对麦杆进行加工。将来自分碎机的材料进行与nalgrass相同方式的过筛，过筛物占24％被用作面层材料，在筛上的76％被用作芯层材料。
所有的制备的试验材料均按如下方式进行加工。每种试验以低(12％)、中(4％)和高(6％)的三种树脂含量；和低与高的密度进行重复。每种材料使用总数为18块的试板。参见表1。
树脂/粘结剂的添加。称出芯层与面层材料并分别放入到进行重复生产条件的实验室用的掺合机中。就每一份而言，二异氰酸甲酯，通常被称为MDI，被称出而达到规定的百分比，并被放入到进料进入到喷咀喷洒装置的贮槽。喷咀位于掺混室中并喷洒60-180秒同时进行掺混。仃机并取出已涂布树脂的材料。在所有的试验中，面层材料与芯层材料的树脂含量是相同的。
成垫操作。对每一种板子称出二小份的面层材料与一份芯层材料以压制3-层的试板。对每一块从压制后取出的试板在不锈钢板上放置Teflon片，并将矩形木框放置在Teflon片上。框的尺寸为406.4mm×508mm(16英寸×20英寸)(成品试板的目标尺寸)和厚为152.4mm(6英寸)。将面层材料均匀地分布在框的内侧以形成下表面，然后在该面层上均匀地分布芯层材料。最后，将剩余的面层材料均匀分布而作为顶层。夯实由这些层形成的垫，取掉框子，并将Teflon脱模纸放置在垫的顶上。
板的形成操作。将垫放在Siempelkamp pilot model压机的下压板上。压板的尺寸为584.2mm×787.4mm(23英寸×31英寸)，且它是由181.4公吨(200吨)伺服水压机驱动的。提供三级压缩的计算机程序：先在60秒钟内压缩到19.0mm(0.75英寸)，并在此厚度下保持另外的400秒钟，然后卸压20秒钟，使总压缩时间为480秒钟。压板温度为165.6℃(330°F)。在压缩时间的末了，上压板退回到其起始距离，取出板子并让其在环境条件下冷却。
由nalgrass、麦杆、和南方松制造复合材料板。从每种板子切出二块试板并进行静弯曲的断裂模量和弹性模量测定；切出四块试样进行内弯曲强度测定；和切出一块试样作螺钉拉拔测定。使用由每一种配料的18块板的六块中的一块试样测定吸水性与厚度膨胀率。
使用螺杆驱动的万能试验机，除了下列所指出的例外规定外，按照ASTM D1037对环境调质处理的试样进行机械强度测试。
静弯曲试样为约50.8mm×482.6mm×19.0mm(2英寸×19英寸×3/4英寸)而不是如对厚度大于6.25mm(1/4英寸)试样规定的76.2mm×508mm×19.0mm(3英寸×20英寸×3/4英寸)。试验速度为9.14mm/min(0.36英寸/分)，而跨距为457.2mm(18英寸)。
内弯曲强度试样为约50.8mm×50.8mm×19.0mm(2英寸×2英寸×3/4英寸)，试验速度为1.52mm/min(0.06英寸/分)。记录每次内弯曲试验的中心线与表面断裂。
螺钉拉拔试样为约76.2mm×152.4mm×19.0mm(3英寸×6英寸×3/4英寸)而不是如对表面螺钉拉拔试样规定的76.2mm×152.4mm×25.4mm(3英寸×6英寸×1英寸)和如对边缘螺钉拉拔试样规定的63.5mm×114.3mm×19.0mm(21/2英寸×41/2英寸×3/4英寸)。试验速度为1.52mm/min(0.06英寸/分)。二边缘与二表面螺钉拉拔测定是在相同样上进行的。
吸水性与厚度膨胀率是对152.4mm×152.4mm(6英寸×6英寸)的试样在它们被浸于蒸馏水中为时2小时和24小时后测定的。每块试样的吸水性测定是在四个位置测定的并取平均值。每块试样的吸水性和膨胀率是按其未浸泡重量与平均厚度的百分率测定的。
所有的机械与物理性质是每类板的三块试板的平均值。下表1中所求的平均值代表有关类型板的平均值。
所有的测试均是根据“评估木基纤维和刨花板材料的标准方法”，ASTMD1037进行的。所有的板先被切成355.6mm×482.6mm(14英寸×19英寸)部份。测试用的试样是从这些部份切出的。
静弯曲-断裂模量(MOR)与弹性模量(MOE)。为了为每一种密度与树脂的结合提供总数为六块的试样而从每块板中切割出二块50.8mm×482.6mm(2英寸×19英寸)的试样。将试样放置在跨距设定为457.2mm(18英寸)的United Model No.SEM-10螺旋驱动的测试机中。计算辅助程序将测试速度设定为9.14mm/min(0.36英寸/分)，并记录弹性与断裂斯曲线。对每一种密度与树脂的结合的六个数据取平均值并记录于表1中。
垂直于表面的抗张强度-内粘结(IB)。从每一试板中切割出四块50.8mm×50.8mm(2英寸×2英寸)的试样。将金属加载方块粘合在试样的二表面上，并让其完全固化。方块被嵌入到Model.SEM-10上，以速度为1.52mm/min(0.06英寸/分)进行测试。内粘结破坏被自动地记录。对每种密度与树脂结合的试样的测试结果取平均值，并记录于表1中。
直接的螺钉拉拔；垂直的与边缘。准备每一试板的一块试样进行二面与二边的拉拔试验。表面拉拔试样为76.2mm×152.4mm×19.0mm(3英寸×6英寸×3/4英寸)，边缘拉拔试样为63.5mm×114.3mm×19.0mm(21/2英寸×41/2英寸×3/4英寸)(ASTM D1037推荐为76.2mm×152.4mm×25.4mm(3英寸×6英寸×1英寸))。钻出标准的引导孔并插入标准螺钉。试样被锚固到台板，用螺丝刀将螺钉头拧入，然后通过以15.2mm/min(0.6英寸/分)的标准速率分离台板进行拉拔。记录拉拔螺钉所需的力。对具有相同的密度与树脂结合的试样的测试结果进行平均并记录于表1中。
吸水率与厚度膨胀。将每种结合的板子的一块152.4mm×152.4mm(6英寸×6英寸)试样浸在室温下的蒸馏水中为时2小时和24小时。在试样的四个位置使用厚度规在试样的四个位置测定厚度，并取平均值。记录每一时期的重量。吸水率与厚度膨胀是根据超过未浸泡重量的百分增加率来计算的，并被记录于表1中。
表1由Nalgrass、麦杆、南方松(粗)和南方松(细)形成的复合材的比较试验结果
  树脂量(％)   配料类型   比重   MOR(×0.69×104Pa)   MOE(×0.69×104MPa)   内粘结(×0.69×104Pa)   表面螺钉拉拔力(×0.454kgf)   边缘螺钉拉拔力(×0.454kgf)   2小时百分吸水率   2小时百分厚度膨胀   24小时百分吸水率   24小时百分厚度膨胀   等级
  2   nalgrass   0.73   2710   0.499   123   303   243   7.2   3.6   37.1   13.2   M-1，S，2，3
  2   麦杆   0.7   2690   0.476   46+   166   181   7.8   3   42.5   13.8   无
  2   南方松-粗   0.71   1770+   0.321+   184   313   271   86   25.7   97.3   29.1   M-1
  2   南方松-细   0.7   1415+   0.272   122   275   221   80.6   21.8   95.7   24.5   无
  2   nalgrass   0.79   3290   0.585   153   391   347   5.5   3.2   27.8   12.3   M-1，S，2，3
  2   麦杆   0.74   3275   0.533   59+   205   199   6.9   2.9   39.2   12.8   M-1
  2   南方-粗   0.76   2170+   0.389+   197   375   326   52   24.7   79.6   35.2   M-1，S，2
  2   南方松-细   0.77   1940+   0.342   140   298   262   66.9   23.7   87.4   28.2   M-1，S
  4   nalgrass   0.72   3250   0.528   182   420   355   6.4   2.4   28.2   8.2   M-1，S，2，3
  4   麦杆   0.7   4270   0.538   103   268   253   5.9   1.8   35.4   10.8   M-1，S，2，3
  4   南方松-粗   0.72   2510   0.394+   249   342   287   38.7   12.5   76.7   20.1   M-1，S，2
  4   nalgrass   0.79   3930   0.618   220   439   400   5.1   2.3   22.5   7.8   M-1，S，2，3
  4   麦杆   0.76   4370   0.599   119   308   278   4.7   1.7   28.5   9.6   M-1，S，2，3
  4   南方松-粗   0.78   3200   0.473   305   496   389   29.2   11.3   69.9   22.9   M-1.S.2.3
  6   nalgrass   0.72   3730   0.568   237   437   361   5.5   1.9   23.5   6.2   M-1，S，2，3
  6   麦杆   0.69   4500   0.582   126   286   283   5.1   1.6   30.1   8.8   M-1，S，2，3
  6   南方-粗   0.7   2430   0.369+   324   441   480   26.2   5.2   79.9   15.1   M-1，S，2
  6   nalgrass   0.78   4460   0.645   292   522   486   4.6   1.8   18.6   5.6   M-1，S，2，3
  6   麦杆   0.76   5190   0.662   153   346   308   4.5   1.4   25.7   8.5   M01，S，2，3
  6   南方松-粗   0.78   3380   0.51   343   488   452   13.2   2.7   51.6   15.9   M-1，S，2，3
+代表那些限制级别合格的性质
MOE和MOR三次重复的二块试样的平均值
内粘结是三次重复的四块试样的平均值
吸水率是一次重复的一块试样值
螺钉拉拔是三次重复的二块试样的平均值
结果显示，在2重量％树脂量与低密度试验中，nalgrass复合材料超过中密度刨花板的最高工业级标准(ANSI；M-3)，而木材复合材料与麦杆复合材料甚至达不到最低级标准(ANSI；M-1)。参见表1和2。2重量％nalgrass复合材料显示低于木基复合材料的非常小的吸水率和厚度膨胀。而且，nalgrass的内粘结强度大大地高于麦杆复合材料的内粘结强度，麦杆复合材料未能达到最低标准。这些优越的物理性能还显现在4和6重量％树脂含量时。
就螺钉拉拔试验而言，nalgrass复合材料的性能至少与木基复合材料相当，且大大地超过麦杆复合材料的性能。对于几乎每种树脂的添加量来说，除了6重量％外，Nalgrass的弹性模量(MOE)超过麦杆与木基复合材料的弹性模量。在6重量％树脂添加时，麦杆复合材料似乎具有稍高的弹性模量。
就断裂模量(MOR)而言，与木基复合材料相比，nalgrass复合材料再次显示优越的性能。木基复合材料不能达到最低(M-1)工业级标准。当与麦杆复合材料相比时，当树脂量低时例如2重量％时，nalgrass复合材料是优越的。随着树脂量的增加，麦杆复合材料的MOR超过nalgrass复合材料的MOR。这说明nalgrass复合材料的一个优点，即，在低树脂含量时nalgrass是能达到好的物理性质的。
实施例3
代表性的nalgrass/南方松刨花板的形成
在此实施例中，介绍含nalgrass/南方松掺合物的刨花板的形成。该刨花板的机械与物理性能可与由(1)nalgrass和(2)南方松形成的刨花板相比拟。进行nalgrass、南方松、nalgrass/南方松刨花板的机械与物理性能比较试验。对每种配料类型来说，以目标密度为672.8kg/m3(42磅/立方英尺)和752.9kg/m3(47磅/立方英尺)与树脂含量为2％和4％来制造板子。对所有的试样进行静弯曲、内粘结强度、表面与边缘握钉力、吸水率和厚度膨胀测定。将机械性能与中密度刨花板的产品技术要求(ANSI A208.1-1993)相比较。参见表2。
表2中密度刨花板的等级规格(国际刨花板协会ANSI A208.1-1993)
  等级   MOR(×0.69×104Pa)   MOE(×6.9MPa)   IB(×0.69×104Pa)   FSP(×0.454kg)   ESP(×0.454kg)
  M-1   1595   250   58   NS   NS
  M-S   1813   276   58   202   180
  M-2   2103   326   65   225   202
  M-3   2393   399   80   247   225
使用电加热的、计算机自动控制的热压机来制造所有的试板。压机装有额定尺寸为584.2mm×787.4mm(23×31英寸)的压板，压板由181.4公吨(200吨)伺服水压机驱动。使用具有三级压缩程序的压板位置对压机进行控制：(1)压机闭合60秒钟；(2)压板400秒钟；(3)卸压20秒钟。压板温度为165.6℃(330°F)。所有的板均被成型为尺寸406.4mm×508mm×19.0mm(16×20×3/4英寸)，但被修边到355.6mm×482.6mm×19.0mm(14×19×3/4英寸)。
由nalgrass、南方松、和nalgrass/南方松制造的板之目标密度为672.8kg/m3(42磅/立方英尺)和752.9kg/m3(47磅/立方英尺)，而二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)树脂量为2％和4％。按不同的密度与树脂量制造每种配料的十二块板(即，每种结合复制三块板)。从每块板切出二块试样并进行断裂模量和弹性模量的静弯曲测定，切出四块试样进行内粘结强度测定，切出一块试样进行吸水率/厚度膨胀测定。从每种配料的十二块板的四块中的取出一块试样用来测定表面与边缘握钉力测定。每块试样具有不同的密度与树脂量。
使用螺杆驱动的万能试验机一般根据ASTM D 1037对经环境调质处理的试样进行机械性能测定。静弯曲试样通常为50.8mm×482.6mm×19.0mm(2×19×3/4英寸)(ASTM试样尺寸为76.2mm×508mm×19.0mm(3×20×3/4英寸)，但厚度大于6.35mm(1/4英寸))。试验速度为9.14mm/min(0.36英寸/分)和跨度为457.2mm(18英寸)。内粘结强度试样为50.8mm×50.8mm×19.0mm(2×2×3/4英寸)和试验速度为1.52mm/min(0.06英寸/分)。握钉力试样的尺寸对表面握钉力为76.2mm×152.4mm×19.0mm(3×6×3/4英寸)(ASTM试样尺寸为76.2mm×152.4mm×25.4mm(3×6×1英寸))和对边缘握钉力为63.5mm×114.3mm×19.0mm(21/2×41/2×3/4英寸)。试验速度为1.52mm/min(0.06英寸/分)。二边和二面的握钉力测定是在同一的试样上进行的。吸水率与厚度膨胀是在152.4mm×152.4mm(6×6英寸)的试样在蒸馏水中浸泡24小时后进行的。在五个位置测定厚度，并对每一试样取平均值。
使用密度、树脂量、配料作为三个因素对所有的机械与物理性质进行三向变化分析(ANOVA)。
一般说，就每种密度与树脂量的结合而言，随着其中nalgrass颗粒量的增加断裂模量(MOR)与弹性模量(MOE)大大地增加(参见表3)。反之，由大量的nalgrass颗粒组成的板的内粘结强度(IB)大大地低于由大量的南方松颗粒组成的板的内粘结强度。就表面(FSP)与边缘(ESP)握钉力而言，在这二种板子间稍有差别。总的说，所在板子均超过由ANSIA208.1-1993制订的最高级规格(参见表2)。
表3各种Nalgrass、南方松和Nalgrass/南方松刨花板的平均机械性能
  配料Nalgrass∶南方松 目标密度(×16.02kg/m3)  树脂量(×0.69×104Pa)  MOR(×0.69×104Pa)   MOE(×6.9MPa)  IB(×0.69×104Pa)  FSP(×0.454kgf)   ESP(×0.454kgf)   最高等级合格
  100∶0 42  2  2709(183)   500(19)  123(17)  303(48)   243(29)   M-3
  80∶20 42  2  2467(194)   493(33)  148(22)  303(160)   253(6)   M-3
  60∶40 42  2  2343(229)   464(280)  158(17)  317(18)   314(97)   M-2
  40∶60 42  2  2210(152)   416(230)  147(16)  327(1)   274(32)   M-3
  20∶80 42  2  2362(283)   429(262)  167(14)  314(12)   278(21)   M-3
  0∶100 42  2  1769(119)   321(10)  184(18)  313(46)   271(33)   M-S
  100∶0 42  4  3252(238)   529(17)  182(14)  420(65)   355(36)   M-3
  80∶20 42  4  3414(2440)   527(19)  201(34)  357(5)   301(30)   M-3
  60∶40 42  4  3263(258)   521(24)  223(20)  386(61)   375(19)   M-3
  40∶60 42  4  3176(228)   526(18)  230(35)  384(8)   341(60)   M-3
  配料Nalgrass∶南方松   目标密度(×16.02kg/m3)   树脂量(×0.69×104Pa)   MOR(×0.69×104Pa)   MOE(×6.9MPa)   IB(×0.69×104Pa)   FSP(×0.454kgf)   ESP(×0.454kgf)   最高等级合格
  20∶80   42   4   2807(577)   458(63)   238(28)   443(6)   357(18)   M-3
0∶100 42 4 2272 363 249 343 288 M-2
  (410)   (54)   (50)   (50)   (53)
100∶0 47 2 3297(286) 586(22) 153(19) 391(37) 347(22) M-3
80∶20 47 2 3069(327) 583(17) 173(20) 338(18) 341(6) M-3
  60∶40   47   2   3111(309)   581(8)   170(34)   409(16)   369(20)   M-3
  40∶60   47   2   2736(185)   499(12)   163(41)   380(16)   324(1)   M-3
  20∶80   47   2   2993(204)   516(23)   199(30)   439(14)   404(18)   M-3
  0∶100   47   2   2230(180)   390(26)   197(31)   392(44)   327(52)   M-2
  100∶0   47   4   3297(265)   618(15)   220(19)   439(64)   401(40)   M-3
  80∶20   47   4   4301(487)   666(570)   253(26)   442(8)   410(40)   M-3
  60∶40   47   4   3852(298)   597(24)   275(22)   512(64)   461(2)   M-3
  40∶60   47   4   3883(452)   632(24)   273(34)   517(18)   499(15)   M-3
  20∶80   47   4   3933(219)   580(15)   272(28)   498(4)   429(40)   M-3
  0∶100   47   4   3202(289)   473(22)   305(27)   496(38)   390(42)   M-3
对于所有的配料而言，机械性能一般是随着密度从672.8kg/m3(42磅/立方英尺)增加到752.9kg/m3(47磅/立方英尺)和树脂含量从2％增加4％而增加的。
三向ANOVA指出，树脂量、密度、配料从静态上影响所有的机械性能。板密度对材料IB强度的影响取决于树脂的含量，而树脂含量对材料MOE的影响取决于配料类型。
在蒸馏水中浸泡24小时后含较多量的nalgrass颗粒的板子的吸水率与厚度膨胀一般低于含较多量的南方松颗粒的板子的吸水率与厚度膨胀(参见表4)。
表4各种Nalgrass、南方松和Nalgrass/南方松刨花板的平均物理性能
  配料Nalgrass∶南方松 目标密度(×16.02kg/m3) 树脂量(×0.69×104Pa) 24小时吸水率(％)   24小时厚度膨胀(％)
100∶0 42 2 37.1 13.3
80∶20 42 2 61.5(5.4) 23.6(0.9)
  60∶40   42  2   79.7(2.9)   27.3(0.3)
  40∶60   42  2   89.7(1.0)   28.8(1.6)
  20∶80   42  2   79.3(5.4)   29.7(0.6)
  0∶100   42  2   97.3   29.2
  100∶0   42  4   28.2   8.2
  80∶20   42  4   27.8(1.6)   10.2(0.6)
  60∶40   42  4   50.2(3.5)   16.4(0.2)
  40∶60   42  4   63.3(7.8)   18.3(0.4)
  20∶80   42  4   69.8(4.9)   19.6(0.5)
  0∶100   42  4   76.7   20.1
  100∶0   47  2   27.9   12.3
  80∶20   47  2   39.0(2.3)   18.7(1.6)
  60∶40   47  2   64.0(7.9)   27.2(2.2)
  40∶60   47  2   80.7(1.5)   32.4(2.3)
  20∶80   47  2   79.3(5.4)   30.5(0.2)
  0∶100   47  2   79.6   35.3
  100∶0   47  4   22.6   7.8
80∶20 47 4 19.3(0.8) 8.7(0.1)
60∶40 47 4 32.5(5.0) 12.4(1.3)
  40.60   47  4   50.4(14.1)   17.9(2.1)
  20∶80   47  4   63.7(4.6)   21.2(0.1)
  0∶100   47  4   70.0   23.0
括号中的值指出有关的标准偏差。
24小时后的吸水率与厚度膨胀一般是随着密度从672.8kg/m3(42磅/立方英尺)增加到752.9kg/m3(47磅/立方英尺)和树脂含量从2％增加4％而减少的。三向ANOVA指出，板密度对厚度膨胀的影响取决于配料的类型，而树脂含量对厚度膨胀和吸水率二者的影响取决于配料类型。
一般说，使用nalgrass颗粒对于获得优越的强度与刚性的板子是最好的。添加低达20％的南方松颗粒到配料中，虽对板的强度与刚性稍有影响，但能大大地增加内粘结强度。
机械性能随着板密度与树脂含量的增加而增加。然而，在商品市场中，低密度与低树脂含量的板在经济上是受欢迎的且仍能符合各种等级的要求。
由占大量的nalgrass颗粒制成的板子显示比由占大量的南方松颗粒制成的板子显示更好的吸水率与厚度膨胀。24小时水浸没后的吸水率与厚度膨胀通常中随着板子密度与树脂含量的增加而减少的。
实施例4
在纸生产中芦竹的利用：
硫酸盐与碱性过氧化物机械制浆
在此实施例中，介绍在纸生产中芦竹(nalgrass)的利用。还介绍Nalgrass的制浆性与浆的性质。提供Nalgrass的硫酸盐制浆、苏打制浆、碱性过氧化物机械制浆资料。
试验是以实验室与小试车间规模进行的。华盛顿大学纸浆与纸科学系被选定进行硫酸盐与苏打制浆试验，而北加罗利纳州立大学木材与纸科学系被选定进行碱性过氧化物机械制浆。所有试验的手抄纸试样均由华盛顿大学纸浆与纸科学系制造。发现硫酸盐制浆进行快速并形成较高产率的易漂白浆。与其他的非木材料相比平均纤维长度高，事实上还稍高于杨木阔叶材。强度性质在撕裂与拉伸方面还稍好于杨木阔叶材。
原料。本研究所用的原料是新从加利福尼亚Orange县从生长物上割下来的，未经干燥而运到华盛顿大学。
Nalgrass茎具有围绕中空芯的密集环状组织。茎的直径一般为19.0mm-44.4mm(3/4到13/4英寸)。它能被切割或粉碎成长度类似于木材小片，且一旦被压碎而破坏环状截面后具有与木小片相类似的松厚密度(参见表5)。
表5松厚密度
  Nalgrass   麦杆   N.W.针叶材
  未压实而未干燥
  松厚密度，×16.02kg/m3   10.8   2-6   12-14
  未压实而未干燥
  松厚密度，×16.02kg/m3   12.5   3-7   12-15
在早期试验中，使用nalgrass小片。使用手锯将本试验用的材料切成准确的长度然后压碎。就硫酸盐制浆而言，试验是以四种不同的切割长度，即，12.7mm(1/2)、19.0mm(3/4)、22.2mm(7/8)和31.75mm(11/4英寸)进行的。片状材料的特征对进入到惯用的制浆设备进行加工是重要的。片状材料的松厚密度填塞到蒸煮器中和按尺寸分类输送器和其他加工设备是重要的。小片状的nalgrass之高松厚密度使它能在惯用的现有的小片处理与制浆设备中被加工。蒸煮液与原料之比可以是低的，类似于木片所用的那些导致高废液浓度的比例。
其他重要的小片特征是制浆期间蒸煮化学品渗透到小片中央的能力。早期试验是用锤式粉碎机制备的小片和经筛选除去细粉与过大材料而进行的。应该说明，存在某些长块(50.8mm(2英寸))，如果在加工程序的初期不除去的话它们可能会妨碍材料的流动。它们使浆带有未蒸煮的下脚料，要指出的是蒸煮液的渗透是相当不均匀的。
还可包括干燥材料的试样。这被切到22.2mm(7/8英寸)长度，并被包括以评估蒸煮液的渗透是否如木片情况那样由于干燥而受到妨碍。
硫酸盐制浆与漂白
硫酸盐制浆。Nalgrass的硫酸盐蒸煮是在华盛顿大学使用实验性蒸煮器进行的。在目标为产生适于漂白的20卡伯值的脱木素的条件下对每种小片试样进行蒸煮。制浆条件被列于表6中。
表6小片尺寸与类型评估的制浆条件
  小片尺寸(英寸)   1/2   3/4   7/8   1-1/4   单板切   Dry
  H-因子   850   850   850   850   850   850
  温度(℃)   170   170   170   170   170   170
  蒸煮液/芦竹比   4.5   4.5   4.5   4.5   4.5   4.5
  EA(％)   15   15   15   15   15   15
  硫化度(％)   24.4   24.4   24.4   24.4   24.4   24.4
  卡伯值   17.4   14.0   17.6   18.2   14.6   14.9
  下脚料(％)   1.1   0.9   3.6   3.2   0.2   3.3
所有的蒸煮试样具有类似的结果。蒸煮时间如由低的H因子(一种结合温度与反应时间的化学反应值)所指出的是短的。蒸煮时间最高为针叶材的一半。Nalgrass小片的高的松厚密度还使有可能使用类似于木小片中所使用的低的液体与小片比。这表明nalgrass制浆能在如木小片相同的设备中与同样的热经济条件下进行。通常，尽管如此种nalgrass材料中所发现的那样蒸煮很快，但是低密度的稻草和其他的非木植物材料需要高的液木比。
在制浆灵敏性方面四种不同长度的小片显示仅仅是微小的、可能是无意义的差别。虽然19.0mm(3/4英寸)小片具有稍低卡伯值(14.6)，比较长小片的卡伯值为17.6-18.2，而12.7mm(1/2英寸)小片的卡伯值为17.4。在短的小片中未蒸煮的下脚料是低的，为0.9-1.1％；相比之下，长小片的下脚料为3.2-3.6％。这些量均是低的，要指出的是，蒸煮液进入到材料出现不均匀的渗透，还显示出节被蒸煮得很好。Nalgrass的结有时是耐蒸煮的。
单板小片蒸煮类似于锯切小片，得到低的卡伯值(14.6)和低的下脚料(0.2％)。对工业操作而言此类小片的制备是令人满意的。
干燥材料显示的制浆灵敏性类似于新鲜材料，卡伯值为14.9和3.3％的下脚料，需指出的是，液体进入到干nalgrass小片的渗透是没有问题的。这意味在生产的条件下新鲜或干燥材料均可使用而不会出现重大的变化。
切成22.2mm(7/8英寸)长的nalgrass小片的制浆与一般的阔叶材与针叶材硫酸盐制浆的比较被示于表7中。Nalgrass蒸煮比上二类木材蒸煮更快、需要较少的化学品和产生稍高的下脚料(无重要意义的差别)。
表7 22.2mm(7/8英寸)小片尺寸与木片制浆条件的比较
  材料   22.2mm(7/8英寸)Nalgrass   一般阔叶材   一般针叶材
  H-因子   850   1200   1800
  温度(℃)   170   170   170
  蒸煮液/材料   4.5   4.5   4.0-4.5
  EA(％)   15   17   18
  硫化度(％)   24.4   25.0   25.0
  卡伯值   17.6   25   28
  下脚料(％)   3.6   3.0   1.5
漂白。关于漂白非木材料的大部份已公开的工作是使用现在过时的氯(C)、浸提(E)、次氯酸盐(H)漂白程序进行的。在世界范围通常使用此程序，但是在美国它现在在环境上是不能被接受的，因为它不符合环保标准，硫酸盐纸浆的漂白必须使用无元素氯(ECF)法。漂白试验是使用由二氧化氯(Do)组成的ECF法对大规模蒸煮22.2mm(7/8英寸)切削材料进行的。用氧与过氧化物(EOP)进行浸提。二氧化氯(D1)。结果被示于表8中。
表8漂白灵敏度
D.Eop.D.漂白程度-0.20卡伯
  阶段   Do   Eop   D1
  浓度(％)   10   10   10
  卡伯因子   0.2   -   -
  时间(分)   30   90   120
  温度(℃)   60   100   70
  O2(psi)   -   30   -
  H2O2(％)   -   0.7   -
  NaOH(％)   -   1.7   -
  ClO2(％)   1.34   -   1.5
  pH   3.3   9.5   3.4
  亮度(％ISO)   -   -   83.84
D.Eop.D漂白程序-0.25卡伯因子
  阶段   Do   Eop   D1(过程1)   D1(过程2)
  浓度(％)   10   10   10   10
  卡伯因子   0.2   -   -   -
  时间(分)   30   90   120   120
  温度(℃)   60   100   70   70
  O2(psi)   -   30   -   -
  H2O2(％)   -   0.7   -   -
  NaOH(％)   -   1.7   -   -
  ClO2(％)   1.68   -   1.25   1.5
  pH   3.3   9.5   3.4   -
  亮度(％ISO)   -   -   85.6   86.4
开始，在第一阶段中使用0.20卡伯因子(百分当量的氯/卡伯数)的二氧化氯装料量，接着在第三阶段中使用1.5％二氧化氯。这形成83.8％亮度。在第一阶段将卡伯因子应用改为0.25导致亮度为85.6和86.4与二氧化氯分别为1.25％和1.5％。
对86.4而言需要的总二氧化氯量为3.18％。在早期试验中，使用4.34％二氧化氯的第五阶段漂白中亮度达到90.0％。
手抄纸的性质。使用TAPPI程序进行纸浆性质的标准试验。在PFI磨中对22.2mm(7/8英寸)小片试样进行打浆至不同的游离度。PFI磨是实验室中用来模拟工业性造纸操作的精磨的。通常，纸浆的初始游离度为600-700ml CSF，在造纸前此游离度被减少到约约400-500ml以提高强度性质，抗张强度稍有增加而撕裂强度略有降低。
由被打浆为不同游离度的22.2mm(7/8英寸)nalgrass纸浆制造手抄纸并对其进行强度性质测试(参见表9)。为了进行比较浆其他不同长度小片的纸浆打浆至400ml CSF。
表9手抄纸强度测试
  小片尺寸(×25.4mm)   PFI(K)   游离度(ml)   耐破指数   撕裂指数   抗张指数
  7/8   0   700   2.51   3.99   41.55
  1   605   3.80   10.39   63.50
  2   488   4.75   9.38   72.42
  3   415   5.10   9.15   78.93
  3.2   404   4.48   9.38   75.10
  3.6   391   5.01   9.40   78.29
  0.5   0   733   2.56   4.69   39.，36
  3.2   413   4.78   8.78   77.60
  3/4   0   700   3.11   3.99   49.82
  3.2   393   5.08   9.30   79.98
  11/4   0   709   3.07   4.24   47.22
  3.2   393   5.25   9.04   81.21
在打浆前初始纸浆的游离度为700ml CSF，该游离度是非常高的且与典型的非木材料相比是理想的水平。在早期试验中发现类似高的游离度为630ml CSF。与其相比，针叶材浆为＞700和阔叶材浆为600-650，它们适当地高一些，使造纸机有可能不受限制地改变纸浆的性质并在造纸操作中允许有高的排泄量。
手抄纸的强度(耐破、抗张与撕裂强度)的测定值均在合适的水平并高于早期试验所达到的水平。二组Nalgrass与典型的麦杆、洋麻、阔叶材与针叶材的比较结果被示于表10中。在所有种类中nalgrass的强度是明显地高。与其他的非木纸相比，纸页的松厚度是高的，这表明该材料具有与麦杆大大地不同的特性。
表10Nalgrass浆与其它浆的比较
  Nalgrass A   Nalgrass B   麦杆   全麻   杨木硫酸盐浆   黄杉硫酸盐浆
  游离度，ml   400   400   400   400   400   400
  PFI球磨机，转速   3200   900   400   -   464   8100
  耐破指数   4.5   -   -   5.5   2.1   6.8
  撕裂指数   9.4   8.7   3.7   10   7.6   22.4
  抗张指数   75   53   40   65   46   92
  松厚度，cc/g   -   1.59   1.24   -   1.43   1.81
  亮度，％   86   90   85   -   89   89
虽然已对本发明的优选实施方式进行说明与介绍，但是应该懂得，在不背离本发明的精神与范围下能够作出种种的改变。

Claims (24)

1.一种芦竹小片，其中小片是通过在长度方向横切茎而提供具有基本上为环形截面和长度为3.18-76.2mm的环，和然后破坏环形部份而由芦竹茎形成的。
2.权利要求1的小片，其中环具有长度为12.7-38.1mm。
3.权利要求1的小片，其中环是通过锯切而由茎形成的。
4.权利要求1的小片，其中环是通过刀切而由茎形成的。
5.权利要求1的小片，其中环是通过切削单板而由茎形成的。
6.一种芦竹刨花，其中所说的刨花是由在刨削机中刨削芦竹茎而形成的。
7.权利要求6的刨花，具有长度为50.8-101.6mm。
8.权利要求6的刨花，具有长度为63.5-88.9mm。
9.权利要求6的刨花，其中厚度为0.79-3.18mm。
10.权利要求6的刨花，其中刨削机是鼓式刨削机。
11.芦竹复合材料板，所说的复合材料包括：
(a)粘结剂树脂；和
(b)被用树脂粘结在连续的材料中的芦竹颗粒；
其中所说的复合材料至少符合复合材料板的M-3标准。
12.权利要求11的板，其中所说的板包括以板的总重量计为1-10％重量的树脂粘结剂。
13.权利要求11的板，其中所说的板包括以板的总重量计为1.5-3.0％重量的树脂粘结剂。
14.权利要求11的板，其中所说的粘结剂选自甲基二异氰酸酯、脲-甲醛、酚和无机粘结剂。
15.权利要求11的板，其中芦竹配料还包括木材纤维。
16.权利要求14的板，具有以板的总重量计为10％-90％重量的芦竹。
17.权利要求14的板，其中与木基板相比板的弯曲强度随着板中芦竹量的增加而成正比例地增加。
18.权利要求14的板，其中与木基板相比板的耐水性随着板中芦竹量的增加而成正比例地增加。
19.权利要求14的板，其中板的弯曲强度至少比类似构成的木基板高55％。
20.权利要求14的板，其中板的耐水性比类似构成的木基板的耐水性高2.6倍。
21.权利要求14的板，其中板的弯曲强度至少比类似构成的麦杆基板高5％。
22.权利要求14的板，其中板的耐水性比类似构成的麦杆基板的耐水性高15％。
23.一种制造芦竹复合材料板的方法，所说的方法包括：
(a)粉碎芦竹成为粒径分布适于用作复合材料板中配料的颗粒；
(b)将颗粒与树脂相混合而形成粘结剂-颗粒混合物；和
(c)将粘结剂-颗粒混合物固结成复合材料板。
24.权利要求23的方法，其中粘结剂-颗粒混合物还包括木材颗粒。
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