JP6948707B2 - リグノセルロース複合材およびその作製方法 - Google Patents

リグノセルロース複合材およびその作製方法 Download PDF

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Description

技術分野
構造材料、建築材料、家具部品、および他の用途で有用なリグノセルロース複合材料を本明細書中に記載する。より具体的には、リグノセルロース複合材の製造で使用され、かかる複合材に改良された性質を提供する新規の接着剤成分を本明細書中に記載する。
背景
リグノセルロース複合材料は、一般に、リグノセルロース材料および接着剤、結合剤、または樹脂から構成され、これらを混合し、次いで、高温高圧で圧縮成形することによって形成される。リグノセルロース複合材は、構造材料、パネル、被覆材料、モールディング、または他の建築材料のために使用される。リグノセルロース複合材はまた、家具部品において、美術品の絵付け面として、および他の用途で使用される。
多数のリグノセルロース複合材料は、尿素−ホルムアルデヒド、フェノール−ホルムアルデヒド、またはメラミン−ホルムアルデヒドなどのホルムアルデヒド系樹脂を接着剤成分として使用して作製されている。ホルムアルデヒド系樹脂から形成された複合材料がホルムアルデヒドを環境に放出し、特にこの材料を建築物内部に使用した場合にがんのリスクが増大し得ることが証明されたために、産業界では、最近、ホルムアルデヒド系樹脂が排除されるようになっている。
メチレンジフェニルジイソシアナート(「MDI」)は、木質複合材の生産で使用されている別の一般的な接着剤/樹脂である(MDIはまた、そのポリマー形態−ポリマーMDI即ちPMDIで使用される)。MDIは増感剤であり、発癌性物質との疑いがあり、その他の点でも健康に有害である。さらに、MDIは得られる木質複合材のうちで最も高価な成分であり、したがって、複合材料に対する費用が不釣り合いである。
現在、リグノセルロース複合材製造において、MDIより安価で、ホルムアルデヒドを含まず、MDIを含まず、一般に、製造工程(防毒マスクなどの個人保護装置、適切な換気などによる労働者保護が必要)と最終消費者(使用場所での最終製品からの遅滞放出による)の両方に悪影響を及ぼす毒性物質を含まない接着剤成分が必要とされている。
より安価でホルムアルデヒドおよびMDIを含まないリグノセルロース複合材のための接着剤成分を本明細書中に記載する。本明細書中に記載のテクノロジーは、既存の処理パラメータおよび生産設備に容易に適用可能である。
概要
したがって、(a)リグノセルロース成分;(b)ビス求電子剤(bis−electrophile);および(c)ポリ求核剤(polynucleophile)を含むリグノセルロース複合材組成物を本明細書中に記載する。
(a)リグノセルロース成分;(b)ビス求電子剤;(c)ポリ求核剤;および(d)促進剤を含むリグノセルロース複合材組成物も本明細書中に記載する。
(a)ポリ求核剤を水性分散液としてリグノセルロース成分に適用して第1の中間生成物を形成する、適用する工程;(b)任意選択的に第1の中間生成物の含水率を調整する工程;(c)第1の中間生成物をビス求電子剤でコーティングして第2の中間生成物を形成する、コーティングする工程;および(d)第2の中間生成物を加圧および加熱してリグノセルロース組成物を形成する、加圧および加熱する工程を含む、リグノセルロース組成物の作製方法を本明細書中にさらに記載する。
以下の実施形態、態様、およびその変形形態は、例示および実例であり、本発明の範囲を限定することを意図しない。
詳細な説明
定義
本明細書中で別段の具体的な指示がない限り、使用した用語の定義は、建設材料および化学の分野で使用される標準的な定義である。例示的な実施形態、態様、および変形形態を図面中に例示し、本明細書中に開示の実施形態、態様、および変形形態ならびに図面は例示と見なされ、本発明を限定しないことを意図する。
本明細書中で使用する場合、用語「リグノセルロース成分」は、リグノセルロース材料からなる複合材の一部をいう。リグノセルロース材料は、典型的には木材に由来するが、ストロー、亜麻の残渣、堅果の殻、穀物の外皮などの他の材料にも由来し得る。リグノセルロース成分は、典型的には、木粉、おがくず、木材ストランド、木材フレーク、木材チップ、木繊維、またはストローである。フレーク、繊維、または他の粒子形態の非リグノセルロース材料(グラスファイバー、マイカ、アスベスト、ゴム、プラスチックなど)をリグノセルロース材料と混合することもできる;しかし、かかる材料は、一般に、本発明の目的のために必要ではない。
リグノセルロース複合材には、チップボードおよびファイバーボードが含まれる。ファイバーボードを、中密度繊維板(MDF)、ハードボード、およびソフトボードに分類することができる。チップボードには、パーティクルボードおよび中密度パーティクルボードが含まれる。例えば「配向ストランドボード」(OSB)などにおいてのように、繊維状のリグノセルロース材料(繊維、フレーク、または木材ストランドなど)を複合材において任意選択的に配向させることができる。リグノセルロース複合材には、層状材料(合板など)および多層繊維複合材(多層繊維紙など)も含まれる。
本明細書中で使用する場合、用語「促進剤」は、複合材の形成工程を促進することができるリグノセルロース複合材の任意選択成分をいう。本発明の促進剤は、蝋質酸(waxy acid)または脂肪酸であり、ワックス状/有機酸混合物でもあってよい。
本明細書中で使用する場合、用語「接着剤成分」は、ビス求電子剤およびポリ求核剤からなるリグノセルロース複合材の成分をいう。
本明細書中で使用する場合、用語「ビス求電子剤」は、2つの求電子性領域(すなわち、電子が豊富な(求核性)領域に引きつけられるか、電子対レセプターである分子の2つの部分)を有する分子をいう。ビス求電子剤には、ジケトン、ジエステル、二無水物、およびポリ無水物が含まれる。
本明細書中で使用する場合、用語「ポリ求核剤」は、2つまたはそれを超える求核性領域(すなわち、電子不足の(求電子性)領域に引きつけられるか、電子対アクセプターである分子の2つの部分)を有する分子をいう。ポリ求核剤には、ジオール、トリオール、ポリオール、ジアミン、トリアミン、ポリアミン、ジチオール、トリチオール、ポリチオール、ジアミド、トリアミド、ポリアミド、ジエーテル、トリエーテル、およびポリエーテルが含まれるが、これらに限定されない。
リグノセルロース複合材
特に、性能特性が改良されている一方で、接着剤成分中に環境に優しい代替物を使用することによって環境への影響が最小限でもある木質複合材などの複合材を得るのに有用なリグノセルロース複合材組成物を本明細書中に記載する。
本明細書中に記載の組成物は、リグノセルロース成分ならびにビス求電子剤およびポリ求核剤を含む接着剤成分を含む。好ましくは、ビス求電子剤は二無水物であり、ポリ求核剤はポリオールである。
本明細書中に記載のリグノセルロース成分は、リグノセルロース材料を含む。リグノセルロース材料は、典型的には木材に由来するが、ストロー、亜麻の残渣、堅果の殻、穀物の外皮などの他の材料にも由来し得る。リグノセルロース成分は、典型的には、木粉、おがくず、木材ストランド、木材フレーク、木材チップ、木繊維、またはストローである。フレーク、繊維、または他の粒子形態の非リグノセルロース材料(グラスファイバー、マイカ、アスベスト、ゴム、プラスチックなど)をリグノセルロース材料と混合することもできる;しかし、かかる材料は、一般に、本明細書中に記載の組成物に必要ではない。
本明細書中に記載の組成物で用いる例示的なリグノセルロース成分は、木材ストランド、木材フレーク、および木材チップである。
本明細書中に記載の組成物中で有用なポリ求核剤は、2つまたはそれを超える求核性領域(すなわち、電子不足の(求電子性)領域に引きつけられるか、電子対アクセプターである分子の2つの部分)を有する分子である。ポリ求核剤には、ジオール、トリオール、ポリオール、ジアミン、トリアミン、ポリアミン、ジチオール、トリチオール、ポリチオール、ジアミド、トリアミド、ポリアミド、ジエーテル、トリエーテル、およびポリエーテルが含まれるが、これらに限定されない。
本明細書中に記載の組成物で用いる例示的なポリ求核剤は、ポリオール、ポリアミン、ポリチオール、ポリアミド、およびポリエーテルである。適切なポリ求核剤は、ポリオール−−ポリマーアルコール、すなわち、2つまたはそれを超えるヒドロキシ基を有する有機化合物であり得る。適切なポリオールには、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、およびその組み合わせが含まれる。さらに、ポリオールを、脂肪族ポリオール、脂環式ポリオール、芳香族ポリオール、複素環式ポリオール、およびその組み合わせの群から選択することができるが、これらに限定されない。適切なポリオールのより具体的な例は、グリセロール、プロピレングリコール、スクロース開始ポリオール、スクロース/グリセリン開始ポリオール、トリメチロールプロパン開始ポリオール、およびその組み合わせの群から選択されるが、これらに限定されない。
他の有用なポリオールには、以下の表1に列挙したポリオールが含まれる。
Figure 0006948707
任意選択的に、ポリオールの混合物を使用することができる。ポリオールの混合物を、ポリオールの分散能力または溶解性を改良するために使用することができる。例えば、10重量%Mowiol(登録商標)40−88の水分散液中にSAA−100の均一な混合物を形成することが可能であるが、純水では不可能であることが見出された。
本明細書中に記載の組成物中での使用に適切なビス求電子剤は、少なくとも2つの求電子性領域(すなわち、電子が豊富な(求核性)領域に引きつけられるか、電子対レセプターである分子の2つの部分)を有する分子である。ビス求電子剤には、ジケトン、ジエステル、および二無水物が含まれる。適切なビス求電子剤は、本発明のポリ求核剤のような求核剤と反応した場合に開環する環状構造を少なくとも1つ含み得る。
例示的なビス求電子剤は二無水物である。本明細書中に記載の組成物で用いる例示的な二無水物を表2に示す。
Figure 0006948707
Figure 0006948707
本明細書中に記載の組成物の1つの態様は、リグノセルロース複合材中の接着剤成分(ビス求電子剤およびポリ求核剤を含む)の比率である。本明細書中に記載の複合材では、ビス求電子剤およびポリ求核剤が合わせて100PDW(組成物中のリグノセルロース成分の乾燥重量部)あたり1〜10部存在し得る。あるいは、ビス求電子剤およびポリ求核剤は、100PDWあたり約2〜約6部、または100PDWあたり約4〜約6部存在する。
本明細書中に記載の組成物の別の重要な態様は、接着剤成分またはリグノセルロース複合材中のポリ求核剤のビス求電子剤に対する比である。本明細書中に記載の複合材では、ポリ求核剤およびビス求電子剤は、1:20と20:1との間のポリ求核剤:ビス求電子剤(mol:mol)比で接着剤成分中に存在し得る。あるいは、ポリ求核剤およびビス求電子剤は、1:3と6:1との間のポリ求核剤:ビス求電子剤比、または1:1と6:1との間のポリ求核剤:ビス求電子剤比で存在する。
さらに別の重要であるが、任意選択的なリグノセルロース複合材の成分は、複合材形成工程を促進することができる促進剤である。本発明の促進剤は蝋質酸または脂肪酸であり、ワックス状/有機酸混合物であってもよい。本発明の好ましい促進剤は、C〜C24アルキルカルボン酸である。促進剤のC〜C24アルキル基は、任意選択的に1、2、または3個の不飽和(二重)結合を含み得る直鎖または分枝鎖のアルキル基である。
促進剤を含む本明細書中に記載の複合材では、促進剤およびポリ求核剤は、複合材中に1:1と1:20との間の促進剤:ポリ求核剤(mol:mol)比で存在し得る。より好ましくは、促進剤およびポリ求核剤は、複合材中に1:2と1:10との間の促進剤:ポリ求核剤比、最も好ましくは、1:3と1:5との間の比で存在し得る。
本明細書中に記載のリグノセルロース複合材は、添加剤成分をさらに含み得る。添加剤成分は、典型的には、ワックス、アルコール、離型剤、触媒、充填剤、難燃剤、水、可塑剤、安定剤、架橋剤、鎖延長剤、連鎖停止剤、脱泡剤(air releasing agent)、湿潤剤、表面改質剤、泡安定剤、水分捕捉剤(moisture scavenger)、乾燥剤、粘度降下剤、補強剤、染料、色素、着色剤、抗酸化剤、相溶化剤(compatibility agent)、紫外線安定剤、チキソトロープ剤、アンチエイジング剤、潤滑剤、カップリング剤、溶剤、レオロジープロモーター、接着プロモーター、増粘薬、煙抑制剤、帯電防止剤、抗微生物剤、殺真菌剤、殺虫剤、およびその組み合わせの群から選択される。使用する場合、添加剤成分は、種々の量で存在してよく、前述の添加剤の任意の組み合わせを含み得る。
添加剤を使用する場合、例示的な添加剤には、ワックス(ステアリン酸亜鉛、ステアルアミド(Finawax S−90など)、ソイワックス、スラックワックスなど)、および脂肪族アルコール(n−ヘキサノールまたはn−デカノールなど)が含まれる。ワックスを使用する場合、ワックスは、複合材中に0.5〜4.0重量%、好ましくは1〜3重量%、最も好ましくは1.5〜2重量%の濃度で含まれる。
リグノセルロース複合材の作製方法
本項で示す例は、配向ストランドボード(OSB)、すなわち、二無水物/ポリオールの接着剤成分およびリグノセルロース成分としての木材ストランドから形成された複合材の例である。しかし、本願発明の任意の接着剤成分を、任意のリグノセルロース成分と共に使用すること、および本明細書中に記載の作製方法を任意のリグノセルロース成分に適用することもできる。
ポリオールを水性分散液として木材ストランドに適用する。次いで、得られた混合物の含水率を、添加(木材ストランドの柔軟性を維持するため)または乾燥による除去(残存する水の二無水物との反応を減少させるため)によって調整することができる。次いで、木材ストランド混合物を、乾燥粉末化二無水物でコーティングする。次いで、木材ストランド混合物を整形し、従来の複合材パネルを形成するプレス・トゥ・シックネス(press−to−thickness)法を使用してプレスする。典型的なプレス時間は3〜10分間であり、典型的なプレス温度は325〜400°Fである。
別の実施形態では、ポリオール(またはポリ求核剤)を、(必要または所望の場合)ワックスおよび促進剤の添加後に乾燥粉末として適用する。乾燥粒径は、250umまたはそれ未満、好ましくは200umまたはそれ未満、最も好ましくは150umまたはそれ未満であり得る。ポリオールを、空気(ベンチャー(venture))噴霧を用いてブレンダーに添加するか、単純な機械的添加(例えば、バケツを用いたブレンダーへの注入)によって添加することができる。この実施形態では、水分レベルを、低く(4重量%未満)、好ましくは2重量%未満、最も好ましくは1.5重量%またはそれ未満に維持する。粉末化ポリオールの添加後、木材ストランド混合物を乾燥粉末化二無水物でコーティングする。次いで、木材ストランド混合物を整形し、従来の複合材パネルを形成するプレス・トゥ・シックネス法を使用してプレスする。典型的なプレス時間は、3〜8分間であり、典型的なプレス温度は325〜415°Fである。
別の実施形態では、粉末化ポリオールおよび粉末化二無水物を混合後に木材ストランドと混合し(理想的には、室温で適用の4時間またはそれ未満以前)、次いで、ストランドに適用後、類似の条件でプレスする。
13cm×13cmのOSBの小パネルを、パネル密度、破壊係数(MOR)によって決定した曲げ強度、ならびに重量の増加および膨潤(厚さの増加)の両方によって決定した2時間後および24時間後の吸水による配合評価のためにベンチトップスケールにて形成させた。
厚さ1/8”のパネルを形成し、それにより、得られた密度は典型的には50〜70ポンド/立方フィート(lbs/cu ft)の範囲であった。これらの密度は、中密度繊維板(MDF)またはハードボードなどの市販品の密度に類似する。これらの1/8”パネルは、建築業または家具業界などにおけるOSBの典型的使用に適切な複合材の構造的および機械的な完全性を示す曲げ強度(破壊係数、すなわち最大破壊応力)ならびに吸水(2時間および24時間の浸漬後の重量増加および膨潤(厚さの増加)によって測定)を有する。
密度が41〜58ポンド/立方フィートの範囲の厚さ1/4”のパネルも形成させ、これらのパネルは、37〜46ポンド/立方フィートの範囲の比較可能な市販の(Georgia Pacific)OSBの密度により類似していた。曲げ強度および吸水を構造的完全性および機械的完全性の基準として使用し、市販のOSBの曲げ強度および吸水と比較可能である。
パイロットプラントスケールで、20kgの木材ストランドを、スラックワックス、ポリオール、および二無水物で樹脂処理した。およそ5.1kgの樹脂処理済み木材ストランドを34インチ×34インチパネルに整形し、厚さ7/16インチにプレスした。得られたOSBの密度は、典型的には、37〜42ポンド/立方フィートの範囲であった。曲げ強度(破壊係数)、2時間および24時間後の吸水、ならびに内部付着強度を、構造的完全性および機械的完全性の基準として使用した。
接着組成物の例示的な適用方法は、混合しながらポリオールの水性分散液を木材ストランドに噴霧することである。次いで、二無水物を木材ストランドと混合する。次いで、典型的には木材ストランド混合物の調製1時間以内に木材ストランド混合物を整形し、所与の時間および温度条件下でプレス・トゥ・シックネスを行う。
未処理の木材ストランドの含水率を、接着剤の添加前に調整することができる。当該分野において典型的には、未処理の木材ストランドを、100℃で含水率1重量%まで乾燥させる。ポリオールまたは二無水物または他の添加剤の水性混合物の噴霧後の木材ストランドの含水率を、木材ストランドが整形に十分に柔軟であるが、保有水が二無水物と過剰に反応するほど高くはないように調整することができる。必要に応じて、含水率を、ストランドへの水の添加によって調整することができるか、あるいは例えば、50〜60℃のオーブン中でのコーティング済み木材ストランドの乾燥またはヒートガンからの熱風流での乾燥によって低下させることができる。
接着剤の適用とプレスとの間の時間が無制限であることには明確な利点があり、この利点には、処理済み材料を遠隔地に輸送することができることが含まれる。また、噴霧操作とプレス操作が分離されていることは、製造工程の合理化に役立ち得る。接着剤コーティング済み木材ストランドのエイジングおよび7日後または14日後または1ヶ月後のプレスにより、樹脂処理後1時間以内またはそれ未満に整形およびプレスした木材ストランドから構成されたパネルに匹敵する構造特性および吸水を有するOSBパネルが得られた。
接着剤コーティング済み木材ストランドの別の調製方法(水性分散液としての二無水物の適用、複合材の形成前の乾燥手順の変更、またはポリオールと二無水物との混合物の水分散液の「ワンポット」適用など)により、好ましい手順によって形成された複合材パネルに匹敵する密度、曲げ強度、および吸水の複合材パネルが得られる。
OSBの商業的応用のためのカナダ規格協会の要件を、比較のために表3に示す。
Figure 0006948707
生成物または複合品であり得る製品の形成方法を本明細書中に記載し、ここで、生成物は、典型的には、複合品形成のための中間生成物として形成される。当該分野で理解されるように、製品を形成するために、種々のリグノセルロース供給源からリグノセルロース成分が得られ、種々の工程から製品を形成することができる。
接着剤成分および任意選択的な添加剤成分(その全てを以後非リグノセルロース成分という)をリグノセルロース成分に適用して本発明の生成物を形成する。非リグノセルロース成分を、同時にリグノセルロース成分に適用することができるか、または異なる時点でリグノセルロース成分に適用することができる。1つの実施形態では、添加剤成分を、接着剤成分の適用前にリグノセルロース成分に適用する。別の実施形態では、添加剤成分を、接着剤成分の適用後にリグノセルロース成分に適用する。さらに別の実施形態では、接着剤成分および添加剤成分を、リグノセルロース成分に同時に適用する。非リグノセルロース成分を、種々の方法(混合、タンブリング、回転、噴霧、シーティング、ブローライン樹脂処理(blow−line resination)、ブレンディング(例えば、ブローラインブレンディング)など)によってリグノセルロース成分に適用することができる。例えば、非リグノセルロース成分およびリグノセルロース成分を、以下にさらに記載するように、結合剤−リグノセルロース混合物、マット、または「ファーニッシュ」とも呼ばれる素材の形成中に共に混合するか粉砕することができる。
当該分野で理解されるように、典型的には、非リグノセルロース成分を、噴霧工程、微粒化工程、または霧化工程によってリグノセルロース成分に適用する。次いで、素材を所定の幅および所定の厚さを有する生成物に形成することができる。以下にさらに記載するように、素材の所定の幅および厚さを、複合品(composition article)に望ましい最終的な幅および厚さにしたがって決定する。
複合材中に促進剤が含まれる実施形態では、いくつかの方法で促進剤を適用することができる。1つの実施形態では、促進剤を、任意選択的にスラックワックスと共に有機溶媒(例えば、THF)に溶解し、リグノセルロース成分上に直接噴霧する。別の実施形態では、促進剤をスラックワックスと共に溶融し、混合またはタンブリングしながらリグノセルロース成分上に熱時噴霧してもよい。さらに別の実施形態では、促進剤を乳化ワックスまたは「E−ワックス」と混合してもよい。さらに別の実施形態では、固体促進剤(フレーク形態のステアリン酸など)を微粒子径まで粉砕し、次いで、他の非リグノセルロース成分と個別にまたは共に、リグノセルロース成分と混合することができる。
上記のように、次いで、生成物を、種々の形状(ボードまたはパネルなど)にするか、あるいは生成物の鋳造または押出成形によってより複雑な形状にして、複合品を形成することができる。
一定の実施形態では、非リグノセルロース成分を、リグノセルロース成分を撹拌しながらリグノセルロース成分に噴霧、微粒化、および/または霧化する。複数のノズル(各供給成分につき1つのノズルを有する複数のノズルなど)または予め混合されて供給される2つまたはそれを超える成分を有する複数のノズルを使用することによって噴霧、微粒化、および霧化することができる。リグノセルロース成分の被覆度を最大にするために、リグノセルロース成分が回転式ブレンダーまたは類似の装置内でタンブリングされている間に、一般に、リグノセルロース成分上に非リグノセルロース成分の液滴を噴霧すること、または非リグノセルロース成分の粒子を微粒化もしくは霧化することによって、成分を適用する。別の例として、リグノセルロース成分を、少なくとも1つ、典型的には少なくとも2つの回転盤アトマイザーを備えた回転式ドラムブレンダー内において非リグノセルロース成分でコーティングすることができる。当該分野で理解されるように、バッフルを備えたタンブラー、ドラム、またはローラーも使用することができる。
複合品を、典型的には、高温加圧下で素材を圧縮することによって生成物(例えば、マット)から形成する。かかる条件は、反応生成物を形成させるための結合剤組成物の反応を促進する。典型的には、素材を加熱して硬化を促進する。プレス温度、圧力、および時間は、複合品の形状、厚さ、および所望の密度、リグノセルロース成分のサイズおよびタイプ、リグノセルロース成分の含水分量、ならびに他の使用成分に応じて広範に変化する。プレス温度は、例えば、約100℃〜約300℃の範囲であり得る。内部蒸気の発生を最小限にするためおよび最終複合品の含水分量を所望のレベル未満に低下させるために、プレス温度は、典型的には、約250℃未満、最も典型的には約180℃〜約240℃である。使用圧力は、一般に、約300〜約800ポンド/平方インチ(psi)である。典型的には、プレス時間は120〜900秒間である。使用プレス時間は、少なくとも実質的に結合剤組成物を硬化し(実質的に反応生成物を形成するため)、所望の形状、寸法、および強度の複合品を得るのに十分な持続時間であるべきである。例えば、フレークボードまたはPBパネルの製造のために、プレス時間は、主に、生成される複合品のパネル厚さに依存する。例えば、プレス時間は、一般に、厚さ約0.5”のプレス済み複合品について約200秒間〜約300秒間である。
実験
材料
アスペン材および木繊維から構成される木材ストランドを、Alberta Innovates−Tech Futures(Edmonton,Alberta,Canada)(「AITF」)から入手し、以下の実施例を通して使用した。別段の記載がない限り、全ての木材ストランドを、「未処理の乾燥状態で」使用した:複合材を形成するための準備において秤量する前に木材ストランドの含水分量を変化させる調湿を行わなかった。未処理の乾燥状態の木材ストランド中の含水分量は、典型的には、乾燥前および50℃で16時間の乾燥後の重量によって測定したところ、約3%であった。
ポリビニルアルコール(PVA)ポリオールを、いくつかの供給者から入手した。「PVA−A」(78%加水分解、6K Mw)を、Acros Organicsから入手した。他のPVAを、Sigma−Aldrichから入手した(「PVA−B」(87〜89%加水分解、13〜23K Mw);「PVA−C」(99+%加水分解、89〜98K Mw);および「PVA−D」(99+%加水分解、85〜124K Mw)が含まれる)。エアブラシを用いた噴霧によって木材ストランドへの適用を容易にするために、各PVAの水溶液(典型的には5、12.5、または20重量%)を調製した。
Mowiol(登録商標)(Kuraray Europe GmbH製のポリビニルアルコール樹脂の商標名)を、Sigma−Aldrichから入手した。Mowiol(登録商標)8−88(Mw約67,000g/mol)、Mowiol(登録商標)18−88(Mw約130,000g/mol)、およびMowiol(登録商標)40−88(Mw約205,000g/mol)は全て、86.7〜88.7mol%が加水分解されており、アセチル残存率が10.0〜11.6%である。
SAA−100(商標)およびSAA−101(商標)のスチレンアリルアルコールコポリマーを、LyondellBasell Industries(Houston,Texas)から入手した。SAA−100は、スチレン:アリルアルコールが70:30(モル比)であり、数平均分子量(Mn)は1500であり、重量平均分子量(Mw)は3000である。SAA−101は、スチレン:アリルアルコールが60:40(モル比)であり、Mnが1200であり、Mwが2500である。
SAA−100分散液を、100mLスケールで調製した。30gのSAA−100を、乳鉢および乳棒を使用して微粉に磨砕した。次いで、SAA−100を250mLの一つ口丸底フラスコ内に移し、このフラスコに30gのMowiol40−88の10重量%水分散液、さらなる40gの脱イオン水、およびおよそ150gの直径2.5mmのセラミック製の粉砕ビーズを添加した。オーバーヘッドスターラーを使用して安定な分散液が得られるまで混合物を撹拌し、典型的には、およそ24〜48時間後、33重量%の全固形物を含む(10:1)(w:w)のSAA−100:Mowiol(登録商標)40−88水分散液を得た。22重量%の全固形物を含む(10:1)(w:w)のSAA−100:Mowiol(登録商標)40−88の水分散液を、20gの微粒化SAA−100、20gのMowiol(登録商標)40−88の10%水分散液、60gの脱イオン水、およびおよそ150gの直径2.5mmのセラミック製の粉砕ビーズから同様に調製した。
22重量%の全固形物を含む(10:1)(w:w)のSAA−101:Mowiol(登録商標)40−88の水分散液を、20gの微粒化SAA−101、20gのMowiol(登録商標)40−88の10重量%水分散液、60gの脱イオン水、およびおよそ150gのセラミック製の粉砕ビーズから同様に調製した。
より大規模なSAA−100の分散のために代替のアプローチを使用した。100gのSAA−100を含む200mL酢酸エチル溶液を、10gのMowiol(登録商標)40−88を含む223gの水の撹拌溶液に添加した。蒸発による酢酸エチルの除去により、分散液サンプルを採取して乾燥重量に対して測定したところ、36重量%の全固形物を含む(10:1)(w:w)のSAA−101:Mowiol(登録商標)40−88の安定な水性分散液を得た。
パイロットプラント試験(AITF,Edmonton,Canada)のために使用されるさらに大規模なSAA−100の分散液を調製するために、1150gのSAA−100を含む2000mL酢酸エチル溶液を、115gのMowiol(登録商標)40−88を含む2400gの水の撹拌溶液に添加した。次いで、酢酸エチルを蒸発によって除去して、分散液サンプルを採取して乾燥重量に対して測定したところ、3.25kgの、39重量%の全固形物を含む(10:1)(w:w)のSAA−101:Mowiol(登録商標)40−88分散液を得た。
POVAL(商標)樹脂(ポリ(ビニルアルコール)水溶性/分散性合成樹脂)はKuraray POVALによって製造されており、Kuraray America,Inc.から入手した。POVAL LM−10HDおよびPOVAL LM−20の両方は、38.0〜42.0モル%が加水分解されている。20℃での水:メタノール比1:1において、LM−10HDの粘度は4.5〜5.7cpsであるのに対して、LM−20の粘度は3.0〜4.0cpsである(POVAL樹脂の分子量は特定されていない)。POVAL LM−10HDを、典型的には、30gイソプロパノールおよび75mL脱イオン水中で30gのKuraray POVAL LM−10HDを50℃で加熱することによってイソプロパノール:水中に調製し、それにより清澄性および噴霧に十分な流動性を有する22重量%溶液を得た。
POVAL LM−20を、20gのポリマーを80mLの脱イオン水中で90℃で加熱することによって調製した。ポリマーは溶融したが、溶解していないようであった。25mLイソプロパノールの添加後にさらに10gのPOVAL LM−20を添加して透明な溶液を形成し、それにより、清澄性および噴霧に十分な流動性を有する22重量%溶液を得た。
パイロットプラント試験(AITF,Edmonton,Canada)のために使用されるさらに大量のPOVAL LM−10HD溶液を調製するために、1.0kgのPOVAL LM−10HDを、2300gの28重量%イソプロパノール水溶液に添加した。混合物を、透明になるまで60℃で約2時間加熱した。溶液を冷却し、12Lフラスコに移した。1.0kgのPOVAL LM−10HDおよび2300gの28重量%イソプロパノール水溶液を使用して調製の2回目を繰り返し、0.5kgのPOVAL LM−10HDおよび1550gの28重量%イソプロパノール水溶液を使用して3回目を繰り返した。3つ全ての調製物を合わせ、次いで、全部で1.5Lの25重量%イソプロパノール水溶液を添加し、粘度を880cpにした。溶液サンプルを採取して乾燥重量に対して測定したところ、溶液は、26重量%が固体であることが見出された。
EVAL(商標)EVOH樹脂(結晶性エチレン:ビニルアルコールコポリマー)を、Kuraray(Antwerp,Belgium)から入手した。EVOH C109Bは、35モル%エチレンおよび65%ビニルアルコールのコポリマー(Mw非特定)である。木材ストランドに噴霧するために、EVOH C109B(0.5g)を約8mLの比率が80:20のイソプロパノール:水に溶解した。
ポリ(ビニルブチラール)粉末を、Scientific Polymer Productsから入手した。「PVB(SP2)」粉末は、19%ヒドロキシル、1%アセチル、および80%ブチラール(Mw 260K)からなる。エアブラシを使用した適用のために、PVB(SP2)粉末(0.5g)をおよそ10mLのイソプロパノールに溶解した。
BUTVAR(登録商標)水性分散液RS−261(「BUTVAR RS−261」、ポリ(ビニルブチラール)分散液)を、Solutia Inc.(St.Louis,MO)から入手した。これは、少なくとも25%のBUTVAR B−72、58%水、12%ヒマシ油(可塑剤として添加)、および2%スルホン酸、鉱油、およびナトリウム塩からなる。BUTVAR B−72は、17.5〜20.0%ポリビニルアルコール、80%ポリビニルブチラール、および0〜2.5%ポリ酢酸ビニル(Mw 170〜250K)からなる。いくつかの例では、エアブラシを用いた木材ストランドへの適用をより容易にするために、BUTVAR RS−261を、10重量%イソプロパノール溶液に希釈した。
SharkPelletsC3(商標)(100%消費者使用後ポリ(ビニルブチラール)ペレット)を、Shark Solutions A/S(Vipperod,Denmark)から入手した。SharkPelletsは、固着防止添加剤(non−sticking additive)として少量のカーボンブラックを含む。木材ストランドへの噴霧のために、SharkPellets(1.2g)をおよそ40mLのイソプロパノールに溶解した。
ゼラチン(200ブルーム食品グレード)をGelitaから入手した。ゼラチンを乾燥粉末として木材ストランドに適用した。可溶性デンプン「P.A.」をAcros Organics(P/N AC17713)から入手し、乾燥粉末として木材ストランドに適用した。ステアルアミドを、Finawax S−90粉末としてAmerican International Chemical,Inc.(Framingham,MA)から入手した。ソイワックスフレークを、EcoSoya(商標)PBとしてPro Chemical Dye(Somerset、MA)から入手した。ソイワックスは、飽和および不飽和の植物性脂質からなり、トリグリセリド、ジグリセリド、およびモノグリセリドを主に含む。
可塑化された、消費者使用後ポリ(ビニルブチラール)(PVB)(粒径d(0.5)<0.300μm、0.1%のActicide MBS防腐殺生物剤含有)のSharkDispersionLG(商標)分散液を、Shark Solutions A/S(Vipperod,Denmark)から入手した。分子量および加水分解レベルは特定されていない。SharkDispersionLG(商標)は、47.10%が固体であり、その36%がPVBであり、残りが可塑剤および添加剤であると評価されていた。
第2のポリ(ビニルブチラール)(「SPP507−PVB」)を、Scientific Polymer Products(カタログ番号507)から入手した。SPP507−PVBのMwはおよそ200Kであり、19%加水分解されており、1%のアセテートおよび80%のブチラールを含む。
ベンゾフェノン−3,3’,4,4’−テトラカルボン酸二無水物(「BPDA」)を、TCI America(P/N B0948)またはAcros Organics(P/N AC10558もしくはAC40193)から購入した。
ステアリン酸を、Sigma−Aldrich(P/N W303518)から購入した。
スラックワックス(商標名Prowax563)を、ExxonMobil,Imperial Oil,Petroleum and Chemical Division,Lubricants and Specialties(Calgary,Alberta,Canada)から入手した。
木材ストランド複合材およびパネルの一般的な調製(実施例1〜18について)
長さ5cmまたはそれ未満の木材ストランドを、ガラス結晶皿に入れる。ポリマー溶液を、ポリマーがストランドに均一にコーティングされるように断続的に混合しながらエアブラシを使用して木材ストランドに噴霧する。木材を、以下の条件のいずれかで乾燥させる:周囲条件下;50℃で一晩(16時間);またはヒートガンの使用(各実施例に記述)。
樹脂処理済み木材ストランド中の「残留水」量を、以下のように測定する:
残留水(%)={[(木材ストランドおよびポリマーの乾燥重量)−(未処理の木材ストランドの重量)−(溶液濃度および溶液量から決定したポリマーの乾燥重量)]/(未処理の木材ストランドの重量)}×100%。
乾燥させたポリオールコーティング済み木材ストランドの含水率が未処理の木材ストランドより低い場合、残留水の値は負になる。
次いで、ポリマーコーティング済み木材ストランドを、粉末化無水物と共にプラスチック袋に入れる。袋の内容物を、振盪によって混合して粉末を木材にコーティングする。
木質複合材パネルを、合わせた木材ストランド、接着剤、および添加剤(使用する場合)をプレスして形成させた。13cm×13cmの正方形のデッケルボックス(deckle box)を、金属プレート上に置いた着脱が容易なアルミニウム箔シート上にセットする。次いで、接着剤−木材ストランド混合物(「ファーニッシュ」)を、準備したデッケルボックスに、木材ストランドを平らにして「マット」に整形されるようにデッケルボックス中に比較的均一に分布するように手作業で添加し、それにより、得られたプレス済み材料は市販のOSB複合材の構造に近い。次いで、デッケルボックスを除去し、木材ストランドに着脱が容易なアルミニウム箔シートおよび第2の金属プレートをのせる。挟まれた材料を、選択された温度に予熱した定盤上にセットし、所与の時間プレスし、その直後にプレスから取り出す。いくつかの例では、木材ストランド混合物を、所与の圧力、典型的には、7000、4000、または2000psiでプレスする。これらの例では、厚さおよそ1/8インチの木質複合材パネルが得られるような木材ストランド量を選択する。特定の圧力を列挙しない場合、マットを、2つのプレス板をシムに接触させるのに十分な圧力で圧縮した(「プレス・トゥ・シックネス」)。プレス後、圧力を解放し、複合材パネルを熱いうちにプレスから取り出す。
分析試験
形成された木質複合材パネルを周囲温度および周囲湿度で少なくとも一晩静置後、試験サンプルをパネルから切り出す。次いで、「A」および「B」とラベリングし、それぞれ表示上9cm×4cmである2つの試験片を、それぞれの形成された複合材パネルの中心から切り出す。試験片を、ASTM D1037−12の「木質繊維および粒子パネル材料の特性を評価するための標準試験方法(Standard Test Methods for Evaluating Properties of Wood−Base Fiber and Particle Panel Materials)」に記載の方法に類似の方法を使用した密度、曲げ強度、および吸水の決定のために使用する。
A.密度。2つの試験片AおよびBをそれぞれ秤量し、次いで、各試験片の中央の長さ、幅、および直交した厚さを測定した。各試験片の密度を、密度=質量/(厚さ×幅×長さ)として計算した。
B.曲げ強度または破壊係数(MOR)。応力−歪みパラメータを、Autograph AG−IC Shimadzu精密万能試験機での3点曲げ試験を使用して決定する。試験片AおよびBを、可動性クロスヘッドに取り付けられた20kNロードセルを備えた試験フレーム上の60cm離れた2つの接触点上に配置する。負荷を変位の関数としてモニタリングしながら、クロスヘッドを定速1.707mm/分で下方向に移動させる。次いで、2つのMORの平均を報告する。
C.吸水。通常は、各パネル由来のたった1つの試験片(典型的にはMORがより大きな試験片)についての吸水を決定する。選択した試験片を秤量して初期質量を決定する。2つの短い方の(4cm)縁の各々に沿った、この短い方の寸法を直交(横断)する厚さを測定する;3回の厚さ測定を平均して初期試験片厚さを決定する。
次いで、試験片または破壊した試験片の小片を、有意に過剰量の脱イオン水に水平に2時間浸漬する。サンプルが確実に浸水を維持するように、必要に応じてサンプルに重りを載せる。水から取り出した後、試験片を紙タオルで軽く叩いて表面の水を除去した。次いで、試験片を再秤量し、各縁部および中央の厚さを測定した。2時間吸水を、以下のように計算した。
重量変化={[(2時間後の質量)−(初期質量)]/(初期質量)}×100%。
厚さの変化={[(2時間後の平均厚さ)−(初期平均厚さ)]/(初期平均厚さ)}×100%。
次いで、試験片を脱イオン水中に再浸漬し、全部で24時間水中にとどまらせる。次いで、試験片を紙タオルで軽く叩いて表面の水を除去し、再秤量し、各縁部および中央の厚さを測定する。24時間吸水を上記のように計算した。
D.内部付着強度(IB)。IBは、パネルの厚さに沿ったパネル付着を決定するために、表面に対して垂直に行われる引張測定である。面寸法50mm×50mmのサンプルを、10kNロードセルを備えたInstron4204万能試験機を使用して試験する。準備したサンプルの各面を、熱溶融型エチレン酢酸ビニル接着剤(Henkel Corporation、Bridgewater、NJ)を使用して、Instronの50mm×50mmアルミニウム合金ブロックに接着した。次いで、最初の亀裂の形成によって証明される複合材サンプルの破損が起こるまでおよそ0.80mm/分のクロスヘッド速度で負荷治具を引き離すことによってサンプルに負荷をかける。亀裂の位置(上部から下部1〜5)も記録した。サンプルを3回試験する。次いで、供試体の平均IB(単位N/mm(MPa))を、以下の式にしたがって計算する:
IB(MPa)=[破壊荷重(N)]/[長さ(mm)×幅(mm)]。
実施例1
種々の二無水物:PVA比(6K Mwおよび78%加水分解PVA)を有する木質複合材
51g(およそ)の木材ストランドを、風袋引きを行った結晶皿に入れ、正確に秤量した。次いで、木材ストランドに、エアブラシを用いて20重量%のPVA−Aポリビニルアルコール(78%加水分解;6K Mw)水溶液を表4に示す量で噴霧した。次いで、PVAコーティング済み木材ストランドを、50℃のオーブンで一晩(16時間)乾燥させ、次いで、秤量して残留水を決定した。50℃で16時間の乾燥により、典型的には、適用したPVA溶液由来の水に加えて0.40〜1.54gの範囲のいずれかの水が混合物から失われ、それにより、残留水の値は−0.8〜−3.0%となった。残留水の値は、未処理の木材ストランド中の含水率がおよそ3%であることを示していた。推定含水率3%を使用して木材ストランドの乾燥重量を決定し、この乾燥重量を使用して木材ストランドの乾燥重量部(PDW)を基準とした木材ファーニッシュの組成を決定した。
次いで、それぞれの乾燥させたPVAコーティング済み木材ストランド混合物に3,3’、4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BPDA)微粉末を振りかけることによって、乾燥させたPVAコーティング済み木材ストランドに一定量のBPDAを振りかけ、次いで、全成分を混合して、ポリオールおよび二無水物が均一にコーティングされた木材ストランドを得た。次いで、得られた樹脂処理済み木材ストランド(「ファーニッシュ」)を、13cm×13cmの正方形のデッケルボックスでマットに整形し、次いで、7000psiおよび325°Fで10分間プレスして複合材パネルにした。
プレス後、パネルを一晩放置した。次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、「A」サンプルからの密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表4および表5に示す。
Figure 0006948707
Figure 0006948707
データは、約2.5:1のPVA:BPDA比まで接着剤中のPVA含有量の増加と共にパネル強度が増加することを示す。曲げ強度は、より高いPVA:BPDA比で形成されたパネルにおける最大強度から、BPDAがほとんど保持されないパネルの強度まで減少した。
吸水データは、類似の傾向を示す。重量および厚さ膨潤の両方によって測定した吸水は、PVAの増加と共に減少し、約2.5:1のPVA:BPDA比で最小に到達した。20:1のPVA:BPDA比で、パネルは水浸2時間後に不変であったが、水浸24時間後に膨潤し、崩壊し始めた。
実施例2
木材ファーニッシュ中のPVAの分子量および加水分解の%ならびに残存含水率の変動の影響
各例において、長さ5cmまたはそれ未満の木材ストランド(51.0g)をガラス結晶皿に入れ、エアブラシを使用してPVA溶液を木材ストランドに噴霧した。噴霧しやすくするためにPVAを水で希釈する必要がある場合、周囲温度での蒸発によってさらなる水を除去した。次いで、PVAコーティング済み木材ストランドを、BPDAと共にプラスチック袋に入れた。袋の内容物を混合することによって粉末で木材をコーティングした。次いで、木材ストランド混合物を整形し、13cm×13cmのデッケルボックス中にて7000psiおよび325°Fまたは350°Fで10分間プレスして厚さおよそ1/8”の複合材パネルを得た。
次いで、形成されたパネルを一晩放置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、「A」サンプルからの密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表6および表7に示す。
本実施例における複合材の範囲について、分子量および加水分解の%がより低いPVAから曲げ強度がより高いパネルが得られたのに対して、分子量がより高く、加水分解の%がより低いPVAから吸水が減少したパネルが得られた。
整形およびプレス前の含水率が低い木材ファーニッシュから淡色のパネルが得られた。
二無水物を欠くPVA接着剤から構成されるパネルの曲げ強度は10N/mmまたはそれ未満であり、この曲げ強度は二無水物を含むものより有意に低かった。二無水物を欠くPVA接着剤から構成されるパネルは、水への浸漬2時間後に完全に崩壊した。
二無水物およびPVAの両方からなる接着剤から構成されるパネルのみが、市販のOSBの要件を満たす曲げ強度および耐水性を得た。
Figure 0006948707
PVA−A(78%加水分解、6K Mw)、PVA−C(99+%加水分解、89〜98K Mw)、PVA−D(99+%加水分解、85〜124K Mw)、ならびにMowiol(登録商標)8−88、18−88、および40−88をそれぞれ水中5重量%として適用した;PVA−B(87〜89%加水分解、13〜23K Mw)を、水中12.5重量%として適用した。乾燥方法A:50℃/16時間;乾燥方法B:60℃/16時間。
Figure 0006948707
N/M=測定せず。
実施例3
接着組成物中の別の二無水物
各例において、木材ストランド(51.0g)に、一定量の(a)78%加水分解、6K MwのPVAの20%水溶液または(b)87〜89%加水分解、13〜23K MwのPVAの12.5%水溶液のいずれかを噴霧した。PVAコーティング済み木材ストランドを50℃のオーブンで一晩(16時間)乾燥させ、次いで、二無水物を振りかけた。次いで、木材ストランド混合物を整形し、7000psiおよび325°Fで10分間プレスして厚さおよそ1/8”のパネルを得た。
プレス後、パネルを一晩放置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、「A」サンプルからの密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表8および表9に示す。
同一のPVAおよびPVA:二無水物比を用いて形成させた、BPDA、ODPA、またはジフェニル二無水物を用いて作製したパネルの曲げ強度は類似していた。ビシクロオクテン二無水物を用いて作製したパネルは、強度がわずかに低下した。BPDAを用いて作製したパネルの吸水が最も低かった。二無水物ODPAを使用して形成させた種々のパネル間で、強度も吸水もほとんど変動しなかった。
Figure 0006948707
PVA−A(78%加水分解、6K Mw)を水中20重量%として適用した;PVA−B(87〜89%加水分解、13〜23K Mw)を水中12.5重量%として適用した。全てのポリマーコーティング済み木材ストランドを方法A(50℃/16時間)で乾燥後、二無水物を添加した。
Figure 0006948707
実施例4
別のポリオールおよび接着組成物中のポリオール含有率
各例において、木材ストランド(51g)に、エアブラシを使用して、選択したポリオールまたはポリオール混合物の分散液を噴霧した。次いで、50℃のオーブンで一晩(16時間)の乾燥または蒸発によっていくらかの水または全ての水を除去した。次いで、ポリマーコーティング済み木材ストランドに、一定量のBPDAを振りかけ、13cm×13cmのマットに整形し、2000psiまたは7000psiおよび325°Fまたは350°Fのいずれかで10分間プレスして厚さおよそ1/8”のパネルを得た。
プレス後、パネルを一晩放置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、強度がより大きな試験片からの密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表10および表11に示す。
PVAから構成されるパネルは、一般に、SAAから構成されるパネルよりも曲げ強度が高く、吸水が低かった。SAA−101よりアリルアルコール含有率が低いSAA−100から構成されるパネルは、SAA−101から構成されるパネルより曲げ強度がわずかに高かった。
Figure 0006948707
PVA−A(78%加水分解、6K Mw)を水中20重量%のPVAとして適用した;SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88を全部で水中22重量%として適用した;SAA−100を水中22重量%として適用した;POVAL LM−20を25:80(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%として適用した;POVAL LM−10HDを30:75(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%として適用した。乾燥方法A:50℃/16時間;乾燥方法C:空気によって周囲条件で蒸発させた。
Figure 0006948707
実施例5
木質複合材への直鎖脂肪族アルコールの添加
各例において、木材パネルを、1.82gの12.5%(w/w)の13〜23K、87〜89%加水分解PVA溶液を噴霧した51.0g木材ストランドから形成させ、周囲温度で一晩(16時間)乾燥させ、次いで、秤量して残留水を決定した。次いで、木材ストランドに、1.85gのBPDAおよび10または30モル%のBPDAと等価の量の1−ヘキサノールまたは1−デカノールを振りかけ、次いで、13cm×13cmのデッケルボックス中で整形し、7000psiおよび325°Fで10分間プレスして厚さおよそ1/8”のパネルを得た。
パネルを一晩静置した。次いで、上記のように、2つの試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表12および表13に示す。
アルコール添加はパネルの曲げ強度に影響を及ぼさないようであった。1−ヘキサノールまたは1−デカノールから構成される全てのパネルは、同様に作製したがアルコールを含まない実施例3のパネルI.D.197〜180−1と比較して吸水が低下した。アルコールに応じてのパネルの吸水は、わずかに異なるだけであった。同一モル比での負荷について、1−デカノールは1−ヘキサノールよりも吸水低下にわずかに有効であった。いずれのアルコールを高負荷しても、低負荷と比較して吸水は変化しなかった。
Figure 0006948707
ポリオールPVA−B(87〜89%加水分解、13〜23K Mw)を水中12.5重量%として適用した。
Figure 0006948707
実施例6
プレスの時間、圧力、および温度、ならびに残留水の変動
各例において、木材ストランド(51g)に、エアブラシを使用して一定量のPVA(6K Mw、78%加水分解)の20%水溶液を噴霧した。PVAコーティング済み木材ストランド混合物を、周囲温度で一晩乾燥させるか、50℃で一晩(16時間)乾燥させるか、ヒートガンを用いて乾燥させるか、または周囲温度で木材ストランド上に所望の量の残留水が残存するのに十分な時間乾燥させた。次いで、木材ストランド混合物を秤量して残存含水率を決定した。次いで、木材ストランドに一定量のBPDAを振りかけ、13cm×13cmのデッケルボックス中で整形し、パネルにプレスした。5分間または10分間のいずれかのプレス時間と組み合わせて、プレス温度を325°F、350°F、375°F、または400°Fから選択した。複合材パネルを2Kpsi、4Kpsi、または7Kpsiでプレスし、それにより、厚さおよそ1/8”のパネルが形成された。
パネルを一晩静置した。2つの試験片(およそ4cm×9cm)を、各パネルの中心から切り出し、試験片の密度、曲げ強度、および吸水を決定した。このようにして形成された複合材パネルの組成、乾燥手順、プレス条件、密度、曲げ強度、および吸水を、表14および表15に示す。
Figure 0006948707
PVA−A(6K、78%加水分解)を水中20重量%として適用した。乾燥方法A:50℃/16時間;乾燥方法C:空気によって周囲条件で蒸発させた;乾燥方法D:空気によって周囲条件で一晩蒸発させた;乾燥方法E:ヒートガン。
Figure 0006948707
N/M=測定せず。
実施例7
別のポリオール
各例において、木材ストランド(51g)に、エアブラシを使用してポリオール分散液を噴霧し、次いで、ヒートガンを使用した蒸発によってさらなる水または溶剤を除去した。可溶性デンプンおよびゼラチンを、分散液としてではなく乾燥粉末として適用したので、乾燥を必要としなかった。次いで、コーティング済み木材ストランドにBPDAを振りかけ、13cm×13cmのデッケルボックス中で整形し、次いで、7000psiおよび325°Fまたは350°Fで10分間プレスして厚さおよそ1/8”のパネルを得た。このように形成された複合材パネルの組成、プレス温度、密度、曲げ強度、および吸水を表16および表17に示す。
Figure 0006948707
EVOH C109Bを80:20(v:v)のイソプロパノール:水中11重量%として適用した;PVB(SP2)をイソプロパノール中6重量%として適用した。可溶性デンプンおよびGelitaゼラチンを乾燥粉末(キャリアなし)として適用した。
Figure 0006948707
実施例8
ジオールおよびトリオールならびにこれらの混合物の使用、ならびにポリオール:二無水物比の変動。
各例において、長さ5cmまたはそれ未満の木材ストランド(51g)をガラス結晶皿に入れ、ニートなジオールもしくはトリオール、またはポリオールの混合物を木材ストランドと完全に混合した。次いで、ポリオールコーティング済み木材ストランドに一定量のBPDAを振りかけ、次いで、7000psiおよび325°Fで10分間プレスすることによって整形して厚さおよそ1/8”のパネルを得た。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表18および表19に示す。
全サンプルの吸水は急速であった:24時間後の重量は、2時間後の重量とほぼ同一であった。24時間後、サンプルの重量は53%と74%の間で増加した。
接着剤中のジオールまたはトリオールの含有量が増加すると、パネルの曲げ強度が低下する傾向があった。
Figure 0006948707
Figure 0006948707
N/M=測定せず。
実施例9
密度が低下し且つ厚みが増加したパネルにおける代替のポリオールの使用
各例において、木材ストランド(75g)に、エアブラシを使用して所与のポリオール溶液を噴霧した。次いで、ポリオールコーティング済み木材ストランドをヒートガンで乾燥させ、一定量のBPDAを振りかけ、13×13cmのデッケルボックス中でマットに整形し、次いで、1/4”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して400°Fで5分間複合材パネルにプレスした。
プレス後、パネルを一晩放置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、一方の試験片からの密度、曲げ強度(MOR)を決定し、他方の試験片由来の吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表20および表21に示す。残留水は測定しなかった。
Figure 0006948707
SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88、POVAL LM−10HD、およびPOVAL LM−20を、それぞれ、水中22重量%として適用した;PVB(SP2)をイソプロパノール中10重量%として適用した。
Figure 0006948707
実施例10
さらに低い密度のパネルにおける代替のポリオールの使用およびポリオール含有量
各例において、木材ストランド(65g)に、エアブラシを使用して、選択したポリオール溶液を噴霧した。ポリオールコーティング済み木材ストランドをヒートガンで乾燥させ、次いで、秤量して残存含水率を決定した。次いで、乾燥させたポリマーコーティング済み木材ストランドに、一定量のBPDAを振りかけ、次いで、厚さ1/4”のシムを使用して400°Fで10分間複合材パネルにプレスした。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、MORがより高い試験片からの密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表22および表23に示す。密度は43〜58ポンド/立方フィートの範囲であり、市販のOSB(Georgia Pacific)について測定して密度よりいくらか高かった。
Figure 0006948707
PVA−A(78%加水分解、6K Mw)を水中20重量%として適用した;SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88を水中33重量%の全固形物として適用した;POVAL LM−10HDを30:75(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%として適用した;BUTVAR B−72(+添加剤)をBUTVAR RS−261として適用した。
Figure 0006948707
N/M=測定せず。
実施例11
なおさらに低い密度のパネルにおける代替のポリオールの使用およびポリオール含有量
各例において、木材ストランド(60g)に、エアブラシを使用して所与のポリオール溶液を噴霧した。いくつかの複合材について、ポリオールコーティング済み木材ストランドを、水を除去せずに複合材に整形し、他の複合材について、木材ストランド混合物をヒートガンで乾燥させた。次いで、各木材ストランド混合物に適量のBPDAを振りかけ、次いで、整形し、1/4”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順.を使用して400°Fで5、8、または10分間の所与の時間複合材パネルにプレスした。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表24および表25に示す。
Figure 0006948707
POVAL LM−10HDを30:75(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%として適用した;SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88を水中33重量%の全固形物として適用した;BUTVAR B−72(+添加剤)をBUTVAR RS−261として適用した;SharkPelletsC3(商標)をイソプロパノール中3.7重量%として適用した。
Figure 0006948707
実施例12
ワックス状添加剤
各例において、木材ストランド(60g)に、エアブラシを使用して、選択したポリマー溶液を噴霧した。いくつかの組成物については、周囲条件下で水または溶剤を蒸発させ、他の組成物については、木材ストランド混合物をヒートガンで乾燥させた。次いで、各木材ストランド混合物に適量のBPDAを振りかけ、次いで、整形し、1/4”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して、400°Fで5〜10分間の所与の時間複合材パネルにプレスした。
以下の添加剤に応じた異なる方法を使用して、添加剤を木材ストランド混合物に適用した:
ステアリン酸亜鉛を、BPDAと組み合わせてポリマーコーティング済み木材ストランドに振りかけた。
FinawaxS−90ステアルアミドを適用するために、木材ストランドに、最初にポリマー分散液を噴霧し、次いで、FinawaxS−90を27%水性分散液として噴霧した。次いで、木材ストランド混合物をヒートガンで乾燥させ、BPDAを振りかけ、整形し、プレスした。
ソイワックスを適用するために、ポリマー分散液をソイワックスと混合し、次いで、ワックスが融解してポリマー流動体/ワックス分散液が作製されるまで加熱した。次いで、混合物を木材ストランドに噴霧した。必要に応じて、噴霧挙動を改善するために、さらなる量の水(またはポリオールLM−10HDと組み合わせた適用のためのイソプロパノール)を添加した。ポリマー/ワックス流動体と共に導入した全ての水/溶剤を、ヒートガンを使用して蒸発させた。次いで、木材ストランド混合物にBPDAを振りかけ、整形し、プレスした。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表26および表27に示す。
ステアリン酸亜鉛、ステアルアミド、またはソイワックスの添加は、組成は同一であるが添加剤を含まない実施例11のパネル(その性質を表25に示している)と比較して、400°Fで5分間プレスした複合材パネルの密度や吸水を有意に変化させなかった。400°Fで10分間プレスした複合材パネルは、ワックス状添加剤を使用して5分間プレスしたパネルまたは添加剤を使用せずに形成された実施例11のパネルと比較して、耐水性が改善された。
Figure 0006948707
POVAL LM−10HDを30:75(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%として適用した;SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88を水中33重量%の全固形物として適用した;BUTVAR B−72(+添加剤)をBUTVAR RS−261として適用した。
Figure 0006948707
実施例13
接着組成物での前処理および7〜14日間のエイジング
各例において、木材ストランド(180g)に、エアブラシを使用して、選択したポリマー溶液を噴霧した。次いで、27%水性分散液としてのFinawaxS−90を木材ストランドに噴霧した。次いで、木材ストランド混合物をヒートガンで乾燥させ、次いで、BPDAを振りかけた。混合1時間以内に、およそ1/3(およそ64g)の木材ストランド混合物を整形し、厚さ1/4”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して400°Fで10分間複合材パネルにプレスした。
7日後、各組成物からの残りの木材ストランド混合物の半分(およそ64g)を同様に整形し、複合材パネルにプレスした。さらに7日後、各組成物からの残りの木材ストランド混合物(およそ64g)を同様に整形し、複合材パネルにプレスした。
各パネル組を整形後、パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して曲げ強度を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を表28に示す。
エイジングした木材ファーニッシュから形成されたパネルは全て、木材ファーニッシュ混合1時間以内に形成したパネルに匹敵する曲げ強度を有していた。
Figure 0006948707
SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88を水中33重量%の全固形物として適用した;POVAL LM−10HDを30:75(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%として適用した;BUTVAR B−72(+添加剤)をBUTVAR RS−261(全固体27重量%)として適用した。
実施例14
ポリオールおよび二無水物の混合物の水性分散液の単回適用
乾燥粉末化BPDAを、所与の量のポリオール溶液に添加した。ポリオール/BPDA混合物を0、2、および4時間撹拌し、次いで、エアブラシで65gの木材ストランドに適用した。次いで、コーティング済み木材ストランドをヒートガンで乾燥させ、次いで、整形し、1/4”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して400°Fで10分間13cm×13cmの複合材パネルにプレスした。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を、表29および表30に示す。
Figure 0006948707
ポリオール懸濁液は以下であった:水中33重量%の全固形物としてのSAA−100:Mowiol(登録商標)40−88;30:75(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%としてのPOVAL LM−10HD;BUTVAR RS−261(全固体27重量%)としてのBUTVAR B−72(+添加剤);各ポリオール溶液をBPDAと混合後、ポリオール/BPDA混合物を木材ストランドにコーティングした。
Figure 0006948707
実施例15
ポリオールおよび無水物の水性分散液の逐次適用
33%(10:1 w/w)SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88のポリオール水溶液を、エアブラシで65gの木材ストランドに適用した。いくつかの場合、次いで、コーティング済み木材ストランドをヒートガンで乾燥させた。次いで、ポリオールコーティング済み木材ストランドに、0.65gのBPDAを含む3.25gの水中の分散液(調製したばかりであるか、あるいは撹拌しながら1、2、または4時間エイジングしたもの)を噴霧した。木材ストランド混合物を、いくつかの場合、ヒートガンで再度乾燥させた。次いで、木材ストランド混合物を整形し、1/4”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して400°Fで5分間13×13cmの複合材パネルにプレスした。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を表31に示す。
Figure 0006948707
Figure 0006948707
実施例16
ポリオールおよび二無水物の分散液の適用の順序および方法
パネルI.D.222−025−1および222−025−2のそれぞれについて、1.3gのBPDAを6.5g水に懸濁し、65g木材ストランドに噴霧した。パネルI.D.222−025−1について、次いで、混合物を中程度に設定したヒートガンで乾燥させた。パネルI.D.222−025−2について、混合物を乾燥させなかった。次いで、SAA−100分散液を、エアブラシによって各木材ストランド混合物に適用した。
パネルI.D.222−025−3、222−025−4、および222−025−5の各々について、ポリオール分散液を、65g木材ストランドに噴霧した。次いで、BPDAを6.5g水に懸濁し、木材ストランドに噴霧した。
全ての木材ストランド混合物について、次いで、総重量が木材ストランド、乾燥重量のBPDA、および乾燥重量のポリオールを合わせた重量を1gより大きくは超えなくなるまで、混合物を中程度に設定したヒートガンで乾燥させた。
次いで、木材ストランド混合物を13×13cmのマットに整形し、1/4”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して400°Fで10分間プレスした。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を表33に示す。
Figure 0006948707
SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88を全部で水中33重量%として適用した;POVAL LM−10HDを30:75(v:v)のイソプロパノール:水中22重量%として適用した;BUTVAR B−72(+添加剤)をBUTVAR RS−261(全固体27重量%)として適用した。
Figure 0006948707
実施例17
OSB木質複合材パネルのパイロットスケールでの調製
バルク量の木材ストランドを、対流乾燥機中の100℃での加熱によって、残存含水分量がおよそ1重量%に低下するように調湿した。
次いで、乾燥重量がおよそ19.8kgの木材ストランドおよび0.2kgの水からなる調湿済み木材ストランド(20.0kg)を、回転式ドラムブレンダーに導入した。
調製したポリオール水分散液を、モデルHSM−100LSK Ross剪断ミキサーを用いて5000rpmでおよそ3分間再度混合して分散液を確実に均一にした。
次いで、ドラムブレンダーを閉じ、回転を開始し、次いで、20.0kgの調湿済み木材ストランド(20.0kgの調湿済み木材ストランドは乾燥重量が19800gの木材ストランドおよび200gの水からなる)あたり198gのスラックワックスに等価な1重量%の乾燥重量の木材ストランドに等しい量のスラックワックスを、標準的な方法を使用した微粒化によっておよそ2分間にわたって添加した。
次いで、選択したポリオール水性分散液を、およそ10,000rpmで作動するConcordモデルEL−3回転円板アプリケーターによる蠕動ポンプでの添加による導入によって木材ストランドに噴霧した。室温でおよそ1〜2分間にわたって添加し、その間ずっと木材ストランド混合物をブレンドし続けた。
次いで、木材ストランド混合物を、室温でさらに5分間ブレンドした。
次いで、残存含水率を測定し、木材を柔軟に保持するのに十分な含水率を達成するために必要に応じて水を添加することによって残存含水率を調整した。
次いで、予め秤量した乾燥粉末化BPDAを、ドラムを回転させながら2分間にわたる空気吸引によってドラムブレンダー内に導入した。
次いで、木材ストランド混合物をドラムブレンダーから取り出し、複合材パネルに整形およびプレスするまで、典型的には混合から45分間〜1時間以内で、30ガロンの蓋付きのゴミ箱に保持した。
5.10kgの木材ストランド混合物を、手作業で軟鋼メッシュ転写シート(transfer sheet)上に置いた34”×34”のデッケルボックス中で層にした。次いで、デッケルボックスを除去し、木材ストランドマットをこびり付き防止加工がされたポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluorethylene)(PTFE)シートで覆い、層を3ft油圧ホットプレスに導入した。パネル整形中の中心および一角のコアガス圧力および温度をモニタリングするために、プローブを木材ストランドマットに挿入した。
マットを、表35に示すように、所与の時間(3〜10分間の範囲)、厚さ7/16”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して表示定盤温度400°Fで複合材パネルにプレスした。プレス圧力、層厚さ、コア中心温度、コア中心ガス圧力、コア角温度、およびコア角ガス圧力を、プレス手順中にモニタリングした。プレス圧力は、典型的には、1分未満に最大約700psiに到達した。コア温度は、典型的には、およそ9分で定盤温度が400°Fに到達した。
所与の時間のプレス後、プレス圧力を解放し、このように形成された木質複合材パネルを熱いうちにプレスから取り出した。
一例であるパネルI.D.AITF−4B2−2において、PTFEカバーシートを意図的にプレスで使用しなかった。その結果、プレスしたパネルは依然として定盤に接着しなかった。
次いで、各側面からおよそ4インチトリミングすることによってパネルの縁を除去した。得られた複合材パネルのトリミング前の質量は、典型的には、およそ4.9kgであった。コア温度が増加するにつれて複合材の初期形成中のガス圧力の測定値が増加し、その後に複合材から水が脱着されるにつれてガス圧力が段階的に減少することによって証明されるように、プレス済み混合物の5.1kgからの約0.2kgの質量損失は主に水の損失に起因していた。
調湿済み木材ストランド(1%含水分量)、スラックワックス、ポリオール分散液、およびBPDAからなる各配合物を整形し、3つの複合材パネルにプレスした(第1のパネルを5分間プレスし、第2のパネルを10分間プレスし、第3のパネルを7.5分間または3分間プレスした)。
AT AITF:面寸法50mm×50mm、表示上の厚さ7/16”の6つの供試体を、整形直後にパネルから切り出し、秤量および測定して密度を決定し、次いで、6つの各供試体の内部付着強度(「IB HOT」)を決定した。IB 「HOT」を、パネル選択のみのために決定した。
周囲温度および周囲湿度でのおよそ2日間のエイジング後、面寸法50mm×50mm、表示上厚さ7/16”の6つの新たに切断した供試体を使用して全てのパネルの内部付着強度を決定した。
パネルを、ASTM D1037−12にしたがって65%相対湿度および68°Fで調湿し、次いで、面寸法が表示上12.4インチ(315mm)×3インチ(74mm)の3つの供試体を各パネルから切り出し、秤量および測定して密度を決定した。次いで、3つの供試体を水中で2時間ボイルし、カナダ規格協会CSAの方法O437.1−93(3.1.4)に示されるように、サンプル全長10.4インチ(264mm)を使用してMORを決定した。表35に示すように、いくつかの供試体はボイル中に崩壊した。
実施例1の手順を使用したパネル整形のおよそ1週間後に、木質複合材パネルの中心付近から切り出した表示上4cm×7〜7.5cmのサンプルからの密度および曲げ強度を決定した。実施例1の手順を使用した表示上5.5cm×3.5cmのサンプルからの2時間後および24時間後の吸水を決定した。
木材ファーニッシュバッチの組成を、表35に示す。各バッチを3つの複合材パネルにプレスした。得られた複合材パネルのプレス条件、密度、曲げ強度、内部付着強度、および吸水を、表36および表37に示す。
Figure 0006948707
POVAL LM−10HDを30:75(v:v)のイソプロパノール:水中26重量%として適用した;SAA−100:Mowiol(登録商標)40−88を全部で水中39重量%として適用した;BUTVAR B−72(+添加剤)をBUTVAR RS−261(全固体27重量%)として適用した。
Figure 0006948707
Figure 0006948707
§パネルI.D.AITF−4B2−2について、プレスにおいてPTFEカバーシートを使用しなかった。
Figure 0006948707
Figure 0006948707
実施例18
樹脂処理済み木材ストランドを31日間エイジングし、次いで、13×13cmのマットに整形し、1/2”のシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して400°Fで10分間プレスした。
パネルを一晩静置し、次いで、上記のように、試験片を測定および秤量して、密度、曲げ強度(MOR)、および吸水を決定した。このように形成された複合材パネルの結果を表38に示す。
Figure 0006948707
実施例19
OSB木質複合材パネルのパイロットスケールでの調製
バルク量のアスペンOSB木材ストランドを、篩の穴寸法が0.125インチの3ft×8ftのBM&Mデッキ選別機(deck screener)を使用して選別した。次いで、選別した木材ストランドを、対流乾燥機における100℃での加熱によって調湿して残存含水分量を1重量%まで低下させた。次いで、乾燥重量がおよそ19.8kgの木材ストランドおよび0.2kgの水からなる20キログラムの調湿済み木材ストランドを、回転式ドラムブレンダーに導入した。完全なOSB木質複合材の配合およびプレスの仕様を表39に示す。
Figure 0006948707
Figure 0006948707
20.0kgの調湿済み木材ストランドあたり198gのProwax563に等価な100PDW木材ストランドあたり1部に等しい量のProwax563を加熱融解した(80〜90℃)。100PDW木材ストランドあたり0〜2部に等しい量のステアリン酸を、完全に融解するまで別の容器中で加熱した。次いで、ステアリン酸をProwax563に添加し、均一になるまで混合した。ドラムブレンダーを閉じ、回転を開始し、Prowax563およびステアリン酸の融解混合物を、加熱材料の標準的な添加方法を使用しておよそ1〜2分間にわたって添加した。
PVBのSharkDispersionLG(商標)水分散液を、モデルHSM−100LSK Ross剪断ミキサーを用いて5000rpmでおよそ3分間再度混合して確実に均一にした。次いで、SharkDispersionLG(商標)を、およそ10,500rpmで作動するConcordモデルEL−3回転円板アプリケーターを通しての蠕動ポンプでの添加によって、室温で1〜2分間にわたって木材ストランド混合物に噴霧した。次いで、木材ストランド混合物を、さらに5分間ブレンドした。残存含水率を測定し、いくつかの場合、ストランドを、対流乾燥機中にておよそ100℃で含水分量が1重量%なるまで再度乾燥させた。
次いで、100PDW木材ストランドあたり0.05〜0.80部に等しい量の予め秤量した乾燥粉末化BPDAを、ドラムを回転させながら2分間にわたる空気吸引によってドラムブレンダー内に導入した。次いで、木材ストランド混合物をドラムブレンダーから取り出し、複合材パネルに整形およびプレスするまで、典型的には混合から45分間〜1時間以内で、30ガロンの蓋付きのゴミ箱に保持した。5.0〜5.15kgの量の木材ストランド混合物を、手作業で軟鋼メッシュ転写シート上に置いた34インチ×34インチのデッケルボックス中で層にした。次いで、デッケルボックスを除去し、木材ストランドマットをこびり付き防止加工がされたポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluorethylene)(PTFE)シートで覆い、層を3ft油圧ホットプレスに導入した。パネル整形中の中心および一角のコアガス圧力および温度をモニタリングするために、プローブを木材ストランドマットに挿入した。望ましい密度は、39.0ポンド/立方フィート(lb/ft)であり、厚みは0.437インチであった。
「封鎖時間」(マットがシムの厚さまで圧縮するまで圧力を段階的に増加させる時間);「加熱処理時間」または「保持時間」(定盤をシムの距離に保持する時間);および「脱気時間」(圧力を段階的に解放する時間)からなる3ステップ手順を使用して、マットを複合材パネルにプレスした。厚さ0.437インチのシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用して表示定盤温度415°Fでパネルをプレスした。プレス圧力、層厚さ、コア中心温度、コア中心ガス圧力、コア角温度、およびコア角ガス圧力を、プレス手順中にモニタリングした。プレス圧力は、典型的には、1分未満内に最大の約700psiに到達した。所与の時間のプレス後、プレス圧力を解放し、木質複合材パネルを熱いうちにプレスから取り出した。得られたパネル密度は、37.6〜40.1ポンド/立方フィートの範囲であった。
種々のパネルを、樹脂結合を評価するために「加熱内部結合」(Hot IB)について試験した。次いで、ウエハーボードパネルの各側面をおよそ6インチトリミングして28インチ×28インチにした。パネルを、ボイル2時間後の結合耐久性、破壊係数(MOR)、内部結合(IB)、24時間後の厚さ膨潤(TS)、水分吸収(WA)、および含水分量(MC)について試験した。ASTM D1037−12およびCSA O437.0−93の各試験基準にしたがって試験を行った。全てのOSB木質複合材の性質を、表40に示す。
Figure 0006948707
実施例20
MDF木質複合材パネルのパイロットスケールでの調製
バルク量のMDF木繊維を、Pallman PR32リファイナーを使用して処理した。次いで、選別した木材ストランドを、対流乾燥機中の100℃での加熱によって、残存含水分量が1重量%に低下するように調湿した。次いで、乾燥重量がおよそ19.8kgの木材ストランドおよび0.2kgの水からなる20キログラムの調湿済み木材ストランドを、回転式ドラムブレンダーに導入した。完全なMDF木質複合材の配合およびプレスの仕様を表41に示す。
Figure 0006948707
20.0kgの調湿済み木繊維あたり0.198kgのProwax563に等価な100PDW木材ストランドあたり1部に等しい量のProwax563を加熱融解した(80〜90℃)。100PDW木材ストランドあたり2部に等しい量のステアリン酸を、完全に融解するまで別の容器中で加熱した。次いで、ステアリン酸をProwax563に添加し、均一になるまで混合物を撹拌した。ドラムブレンダーを閉じ、回転を開始し、Prowax563およびステアリン酸の融解混合物を、加熱材料の標準的な添加方法を使用しておよそ1〜2分間にわたって添加した。
次いで、100PDW木材ストランドあたり5部に等しい量のSPP507−PVB乾燥粉末を、ドラムを回転させながら2分間にわたる空気吸引によってドラムブレンダー内に導入した。次に、100PDW木材ストランドあたり0.10または0.50部に等しい量の乾燥粉末化BPDAを、ドラムを回転させながら2分間にわたる空気吸引によってドラムブレンダー内に導入した。次いで、木繊維混合物を、室温でさらに5分間ブレンドした。次いで、木繊維混合物をドラムブレンダーから取り出し、複合材パネルに整形およびプレスするまで、典型的には混合から45分間〜1時間以内で、30ガロンの蓋付きのゴミ箱に保持した。1.13〜1.20kgの量の木繊維混合物を、手作業で軟鋼メッシュ転写シート上に置いた24インチ×24インチのデッケルボックス中に分布させた。次いで、デッケルボックスを除去し、木繊維マットをこびり付き防止加工がされたポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluorethylene)(PTFE)で覆い、層を3ft油圧ホットプレスに導入した。望ましい密度は55.0ポンド/立方フィートであり、厚さは0.138インチであった。
「封鎖時間」;「加熱処理時間」;および「脱気時間」からなる3ステップ手順を使用して、木繊維マットを複合材パネルにプレスした。表示上の定盤温度は415°Fであり、厚さ0.138インチのシムを使用したプレス・トゥ・シックネス手順を使用してマットをプレスした。プレス圧力、層厚さ、コア中心温度、コア中心ガス圧力、コア角温度、およびコア角ガス圧力を、プレス手順中にモニタリングした。所与の時間のプレス後、プレス圧力を解放し、このように形成された木質複合材パネルを熱いうちにプレスから取り出した。得られたパネル密度は49.2〜59.3ポンド/立方フィートの範囲であった。
MDFパネルを0.125インチに研磨後、18インチ×18インチに切り出した。パネルを、ANSI A208.2−2009 MDF試験基準にしたがって弾性係数(MOE)、MOR、IB、TS、WA、およびMCについて試験した。MDF木質複合材の全ての性質を表42に示す。
Figure 0006948707
いくつかの例示的な実施形態、態様、および変形形態を本明細書中に提供してきたが、当業者は、これらの実施形態、態様、および変形形態の一定の修正形態、変更形態、付加形態、および組み合わせならびに一定のサブコンビネーションを認識しているであろう。以下の特許請求の範囲は、これらの実施形態、態様、および変形形態の全てのかかる修正形態、変更形態、付加形態、および組み合わせならびに一定のサブコンビネーションをその範囲に含むと解釈されることが意図される。前述の関連分野の例および限定は、例示を意図し、排除を意図しない。関連分野の他の限定は、本明細書の通読および本明細書中に提供した図面の研究の際に当業者に明らかになるであろう。本出願を通して引用した全ての書類の開示全体が、本明細書中で参考として援用される。
例えば、本発明は、以下の項目を包含する。
(項目1)
(a)リグノセルロース成分;(b)ビス求電子剤;および(c)ポリ求核剤を含むリグノセルロース複合材組成物。
(項目2)
前記リグノセルロース成分が、木粉、おがくず、木材ストランド、木材フレーク、木材チップ、木繊維、紙、およびストローからなる群から選択される、項目1に記載の組成物。
(項目3)
前記ビス求電子剤が二無水物である、項目1に記載の組成物。
(項目4)
前記二無水物が、ベンゾフェノン−3,3’,4,4’−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸無水物、4,4’−ビフタル酸無水物[ジフェニル−3,3’,4,4’−テトラカルボン酸二無水物とも呼ばれる]、およびビシクロ[2.2.2]オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物からなる群から選択される、項目3に記載の組成物。
(項目5)
前記ポリ求核剤がポリオールである、項目1に記載の組成物。
(項目6)
前記ポリ求核剤がポリオールである、項目3に記載の組成物。
(項目7)
前記ポリオールが、ポリビニルアルコール(PVA)、スチレン−アリルアルコールコポリマー(SAA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレンビニルアルコールコポリマー、1,4−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、1,1,1−トリス(ヒドロキシメチル)プロパン、トリエタノールアミンならびにその混合物、ジオールおよびトリオールからなる群から選択される、項目5に記載の組成物。
(項目8)
前記ポリオールおよび二無水物が合わせて100PDW(組成物中のリグノセルロース成分の乾燥重量部)あたり約4〜約6部存在する、項目6に記載の組成物。
(項目9)
前記ポリオールおよび二無水物が合わせて100PDWあたり約4部存在する、項目8に記載の組成物。
(項目10)
前記ポリオールおよび二無水物が合わせて100PDWあたり約6部存在する、項目8に記載の組成物。
(項目11)
前記組成物中のポリオールの二無水物に対する比が1:20〜20:1である、項目6に記載の組成物。
(項目12)
前記ポリオールの二無水物に対する比が1:3〜6:1である、項目11に記載の組成物。
(項目13)
前記ポリオールの二無水物に対する比が1:1〜6:1である、項目11に記載の組成物。
(項目14)
(a)リグノセルロース成分;(b)ビス求電子剤;(c)ポリ求核剤;および(d)促進剤を含むリグノセルロース複合材組成物。
(項目15)
前記促進剤が、C 〜C 24 アルキルカルボン酸からなる群から選択される蝋質酸であり、前記アルキル基が直鎖または分枝鎖であり、0〜3つの不飽和結合を含む、項目14に記載の組成物。
(項目16)
前記促進剤がステアリン酸である、項目15に記載の組成物。
(項目17)
リグノセルロース組成物の作製方法であって、
(a)ポリ求核剤を水性分散液としてリグノセルロース成分に適用して第1の中間生成物を形成する、適用する工程;
(b)任意選択的に前記第1の中間生成物の含水率を調整する工程;
(c)前記第1の中間生成物をビス求電子剤でコーティングして第2の中間生成物を形成する、コーティングする工程;ならびに
(d)前記第2の中間生成物を加圧および加熱して前記リグノセルロース組成物を形成する、加圧および加熱する工程
を含む、方法。
(項目18)
前記ポリ求核剤の水性分散液を噴霧によって適用する、項目17に記載の方法。

Claims (11)

  1. (a)リグノセルロース成分;(b)ビス求電子剤;および(c)ポリ求核剤を含むリグノセルロース複合材組成物であって、
    前記ビス求電子剤が、ベンゾフェノン−3,3’,4,4’−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸無水物、4,4’−ビフタル酸無水物、およびビシクロ[2.2.2]オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物からなる群から選択される環状二無水物であり、さらに、
    前記ポリ求核剤が、ポリビニルアルコール(PVA)、スチレン−アリルアルコールコポリマー(SAA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレンビニルアルコールコポリマー、1,4−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、1,1,1−トリス(ヒドロキシメチル)プロパン、トリエタノールアミンならびにその混合物、ジオールおよびトリオールからなる群から選択されるポリオールである、
    組成物。
  2. 前記リグノセルロース成分が、木粉、おがくず、木材ストランド、木材フレーク、木材チップ、木繊維、紙、およびストローからなる群から選択される、請求項1に記載の組成物。
  3. 前記ポリオールおよび環状二無水物が合わせて100PDW(組成物中のリグノセルロース成分の乾燥重量部)あたり約4〜約6部存在する、請求項1または2に記載の組成物。
  4. 前記ポリオールおよび環状二無水物が合わせて100PDWあたり約4部存在する、請求項に記載の組成物。
  5. 前記ポリオールおよび環状二無水物が合わせて100PDWあたり約6部存在する、請求項に記載の組成物。
  6. 前記組成物中のポリオールの環状二無水物に対する比が1:20〜20:1である、請求項1または2に記載の組成物。
  7. 前記ポリオールの環状二無水物に対する比が1:3〜6:1である、請求項に記載の組成物。
  8. 前記ポリオールの環状二無水物に対する比が1:1〜6:1である、請求項に記載の組成物。
  9. (d)促進剤をさらに含み、前記促進剤がステアリン酸である、請求項1〜のいずれか一項に記載のリグノセルロース複合材組成物。
  10. 請求項1〜のいずれか一項に記載のリグノセルロース組成物の作製方法であって、
    (a)ポリ求核剤を水性分散液としてリグノセルロース成分に適用して第1の中間生成物を形成する、適用する工程;
    (b)任意選択的に前記第1の中間生成物の含水率を調整する工程;
    (c)前記第1の中間生成物をビス求電子剤でコーティングして第2の中間生成物を形成する、コーティングする工程であって、前記ビス求電子剤が環状無水物である工程;ならびに
    (d)前記第2の中間生成物を加圧および加熱して前記リグノセルロース組成物を形成する、加圧および加熱する工程
    を含み、
    前記環状二無水物が、ベンゾフェノン−3,3’,4,4’−テトラカルボン酸二無水物、4,4’−オキシジフタル酸無水物、4,4’−ビフタル酸無水物、およびビシクロ[2.2.2]オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物からなる群から選択され、さらに、
    前記ポリ求核剤が、ポリビニルアルコール(PVA)、スチレン−アリルアルコールコポリマー(SAA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレンビニルアルコールコポリマー、1,4−ブタンジオール、1,3−プロパンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、1,1,1−トリス(ヒドロキシメチル)プロパン、トリエタノールアミンならびにその混合物、ジオールおよびトリオールからなる群から選択されるポリオールである、
    方法。
  11. 前記ポリ求核剤の水性分散液を噴霧によって適用する、請求項10に記載の方法。
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