KR20230128403A - 강하고 질긴 구조 목재 재료, 및 이것의 제조 방법 및 이것의 용도 - Google Patents
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Abstract
셀룰로오스 기반 천연 목재 재료를, 그로부터 리그닌을 부분적으로 제거하는 화학적 처리로 처리함으로써, 초고강도의 질긴 치밀화된 목재 구조체가 형성된다. 처리된 목재는 천연 목재의 루멘들을 유지하고, 셀 벽의 셀룰로오스 나노섬유들은 정렬된다. 그 후, 처리된 목재는 루멘들이 연장하는 방향과 교차하는 방향으로 압착되어, 루멘들이 붕괴되고, 목재 내의 임의의 잔류 유체가 제거된다. 결과적으로, 셀 벽들이 얽히게 되고, 인접한 셀룰로오스 나노섬유들 사이에는 수소결합이 형성되어, 다른 기계적 특성들 중에서도 특히 목재의 강도 및 인성을 향상시킨다. 치밀한 목재를 추가적으로 개질, 변형, 또는 기계가공함으로써 다양한 용도에 적합하게 될 수 있다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2017년 4월 10일에 출원된 미국 임시출원 제62/483,828호 및 2018년 2월 7일에 출원된 제62/627,600호의 이익을 주장하며, 이들 문헌은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.
본 개시는 개략적으로, 천연 목재 구조체, 더욱 상세하게는 증가된 강도(strength) 및 인성(toughness)을 갖도록 하기 위한 천연 목재의 화학적 처리 및 압착(pressing), 뿐만 아니라 이러한 강하고 질긴 목재 재료를 포함하는 구조체 및 장치에 관한 것이다.
개시된 주제의 구현예들은, 셀룰로오스계 천연 목재 재료에 대한, 그로부터 리그닌을 부분적으로 제거하는 화학적 처리의 실시에 의해 형성된 강하고 질긴 목재 구조체를 제공한다. 처리된 목재는 천연 목재의 루멘들(lumina)을 유지하며, 이때, 셀 벽들의 셀룰로오스 나노섬유들은 정렬된다. 그 다음, 처리된 목재는 루멘들이 연장하는 방향과 교차하는 방향으로 압착되며(즉, 루멘들이 연장하는 방향에 수직인 힘 성분을 가짐), 그에 따라, 루멘들 붕괴(lumina collapse) 및 목재 내의 잔류 유체가 제거된다. 결과적으로, 셀 벽들이 얽히게 되고(entangled), 인접한 셀룰로오스 나노섬유들 사이에 수소결합이 형성되며, 그에 따라, 목재의 다른 기계적 특성들 중에서도 특히 강도 및 인성을 향상시킨다. 화학적으로 처리되고 압착된 목재를 추가적으로 개질, 변형, 또는 기계가공함으로써, 상기 목재는 다양한 구조적 응용에 적합하게 될 수 있다.
하나 이상의 구현예들에 있어서, 본 구조체는, 셀룰로오스 기반 루멘들(cellulose-based lumina)의 구조를 실질적으로 보존하면서 그 내부의 리그닌을 부분적으로 제거하도록 화학적으로 처리되고, 추가적으로, 상기 루멘들이 적어도 부분적으로 붕괴되도록 상기 루멘들의 연장 방향과 교차하는 제1 방향으로의 압착(pressing)을 거친 천연 목재의 제1 조각(first piece)을 포함한다.
하나 이상의 구현예들에 있어서, 본 방법은, 제1 방향으로 연장하는 셀룰로오스 기반 루멘들의 구조를 실질적으로 보존하면서 그 내부의 리그닌을 부분적으로 제거하도록, 화학 용액으로 천연 목재의 조각을 처리하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한, 상기 처리 후, 화학적으로 처리된 목재의 조각을 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 제1 시간 동안 압착하여, 루멘들이 적어도 부분적으로 붕괴되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 구현예들에 있어서, 본 구조체는, 그 단면에서 루멘들의 셀 벽들 사이에 어떠한 갭들(gaps)도 존재하지 않도록, 그 내부의 루멘들이 완전히 붕괴된 치밀화된 목재의 조각을 포함한다.
하나 이상의 구현예들에 있어서, 본 적층체는 치밀화된 목재의 복수의 조각들을 포함한다. 각각의 조각은 그 단면에서 적어도 부분적으로 붕괴된 루멘들을 가질 수 있다. 루멘들은 각각의 연장 방향으로 연장한다. 치밀화된 목재의 조각들 중 적어도 일부의 조각들의 연장 방향들은 서로 교차할 수 있다. 본 적층체 내의 치밀화된 목재의 복수의 조각들은 함께 결합될 수 있다.
개시된 주제의 구현예들의 목적 및 장점은, 첨부 도면과 함께 고려될 때, 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
이하에서, 구현예들이 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이며, 첨부 도면들은 반드시 축척대로 그려지지는 않았다. 적용 가능한 경우, 일부 구성요소들은 기저의 특징들의 예시 및 설명을 돕기 위해 간략화될 수 있으며, 이와 달리 도시되지 않을 수도 있다. 도면들 전체에 걸쳐, 동일한 지시 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재 기반 구조체을 제조하기 위한 예시적인 공정 흐름도이다.
도 2a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리를 거쳐 그로부터 리그닌이 부분적으로 제거된 천연 목재의 조각의 단순화된 개략도이다.
도 2b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 2a의 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 단순화된 개략도이다.
도 3a는 리그닌을 전혀 제거하지 않은 천연 목재의 조각의 단순화된 예시도이다.
도 3b는 도 3a의 천연 목재의, 압착 후의, 단순화된 예시도이다.
도 3c는, 리그닌이 전혀 제거되지 않은 천연 목재의, 나무 성장 방향에 수직인 방향으로의, 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 3d는 리그닌이 전혀 제거되지 않은 천연 목재의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 3e는, 압착 후의 천연 목재의, 나무 성장 방향에 수직인 방향으로의, 단면의 SEM 이미지이다.
도 3f는, 압착 후의 천연 목재의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 4a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리를 거쳐 그로부터 리그닌이 부분적으로 제거된 천연 목재의 조각의 단순화된 예시이다.
도 4b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 4a의 화학적으로 처리된 목재의, 압착 후의, 단순화된 예시도이다.
도 4c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 나무 성장 방향에 수직인 방향으로의, 단면의 SEM 이미지이다.
도 4d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예에 따른, 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 4e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 4d의 영역(410)의 확대된 SEM 이미지이다.
도 4f는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 얽힌 셀 벽들(entangled cell walls)의 셀룰로오스 나노섬유들 사이의 수소결합을 도시하는 개략도이다.
도 5a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재에 대한 결과적 밀도 값의, 리그닌 함량의 함수로서의, 그래프이다.
도 5b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재에 대한, 다양한 리그닌 함량에서의, 응력-변형률 곡선의 그래프이다.
도 5c는 모든 리그닌을 제거하기 위해 화학적으로 처리된 후 압착된 목재의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 6a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 코팅된 조각의 단순화된 예시도이다.
도 6b는 다양한 구조 재료에 대한 최대 사용 온도 대 인장 강도의 그래프이다.
도 7a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 그 표면 상에 복수의 나노입자를 갖는 화학적으로 처리된 목재의 단순화된 예시도이다.
도 7b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 7c의 목재의, 압착 후의, 단순화된 예시도이다.
도 7c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 나노입자를 갖는 화학적 처리된 목재의, 압착 전의, 루멘들의 내부 표면의 SEM 이미지이다.
도 7d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 7c의 영역(720)의 확대된 SEM 이미지이다.
도 8a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 회전 절단을 사용하여 강하고 질긴 목재를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 천연 목재의 중공 실린더로부터 강하고 질긴 나무를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 천연 목재의 중실 실린더로부터 강하고 질긴 나무를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 천연 목재의 중실 실린더로부터 강하고 질긴 나무를 형성하기 위한 다른 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 9a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재를 구부리기 위한 설비의 단순화된 개략도이다.
도 9b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 예시적인 구부러진 조각의 이미지이다.
도 9c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 다른 예시적인 구부러진 조각의 단순화된 개략도이다.
도 9d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재를 기계가공하기 위한 설비의 단순화된 개략도이다.
도 9e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 예시적인 기계가공된 조각의 이미지이다.
도 10a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재로부터 적층 구조체를 제조하기 위한 예시적인 공정 흐름도이다.
도 10b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재로부터 적층 구조체를 제조하기 위한 다른 예시적인 공정 흐름도이다.
도 11a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 적층 구조체를 형성하기 위한 화학적으로 처리된 목재의 조각들의 배열의 단순화된 개략도이다.
도 11b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 11a의 목재 조각들에 의해 형성된 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 11c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예에 따른, 도 11b의 화학적으로 처리된 목재 조각으로부터 형성된 다층 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 11d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 적층 구조체를 형성하기 위한 화학적으로 처리된 목재의 조각들의 다른 배열의 단순화된 개략도이다.
도 11e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 11d의 목재 조각들에 의해 형성된 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 11f는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 11e의 화학적으로 처리된 목재 조각들로 형성된 다층 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 12a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 목재 칩으로부터 강하고 질긴 목재 적층체를 제조하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 12b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 목재 칩 및 목재 시트로부터 강하고 질긴 목재 적층체를 제조하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 1은 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재 기반 구조체을 제조하기 위한 예시적인 공정 흐름도이다.
도 2a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리를 거쳐 그로부터 리그닌이 부분적으로 제거된 천연 목재의 조각의 단순화된 개략도이다.
도 2b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 2a의 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 단순화된 개략도이다.
도 3a는 리그닌을 전혀 제거하지 않은 천연 목재의 조각의 단순화된 예시도이다.
도 3b는 도 3a의 천연 목재의, 압착 후의, 단순화된 예시도이다.
도 3c는, 리그닌이 전혀 제거되지 않은 천연 목재의, 나무 성장 방향에 수직인 방향으로의, 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 3d는 리그닌이 전혀 제거되지 않은 천연 목재의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 3e는, 압착 후의 천연 목재의, 나무 성장 방향에 수직인 방향으로의, 단면의 SEM 이미지이다.
도 3f는, 압착 후의 천연 목재의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 4a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리를 거쳐 그로부터 리그닌이 부분적으로 제거된 천연 목재의 조각의 단순화된 예시이다.
도 4b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 4a의 화학적으로 처리된 목재의, 압착 후의, 단순화된 예시도이다.
도 4c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 나무 성장 방향에 수직인 방향으로의, 단면의 SEM 이미지이다.
도 4d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예에 따른, 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 4e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 4d의 영역(410)의 확대된 SEM 이미지이다.
도 4f는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적 처리된 목재의, 압착 후의, 얽힌 셀 벽들(entangled cell walls)의 셀룰로오스 나노섬유들 사이의 수소결합을 도시하는 개략도이다.
도 5a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재에 대한 결과적 밀도 값의, 리그닌 함량의 함수로서의, 그래프이다.
도 5b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재에 대한, 다양한 리그닌 함량에서의, 응력-변형률 곡선의 그래프이다.
도 5c는 모든 리그닌을 제거하기 위해 화학적으로 처리된 후 압착된 목재의, 나무 성장 방향과 평행한 방향으로의, 종단면의 SEM 이미지이다.
도 6a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 코팅된 조각의 단순화된 예시도이다.
도 6b는 다양한 구조 재료에 대한 최대 사용 온도 대 인장 강도의 그래프이다.
도 7a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 그 표면 상에 복수의 나노입자를 갖는 화학적으로 처리된 목재의 단순화된 예시도이다.
도 7b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 7c의 목재의, 압착 후의, 단순화된 예시도이다.
도 7c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 나노입자를 갖는 화학적 처리된 목재의, 압착 전의, 루멘들의 내부 표면의 SEM 이미지이다.
도 7d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 7c의 영역(720)의 확대된 SEM 이미지이다.
도 8a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 회전 절단을 사용하여 강하고 질긴 목재를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 천연 목재의 중공 실린더로부터 강하고 질긴 나무를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 천연 목재의 중실 실린더로부터 강하고 질긴 나무를 형성하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 8e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 천연 목재의 중실 실린더로부터 강하고 질긴 나무를 형성하기 위한 다른 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 9a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재를 구부리기 위한 설비의 단순화된 개략도이다.
도 9b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 예시적인 구부러진 조각의 이미지이다.
도 9c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 다른 예시적인 구부러진 조각의 단순화된 개략도이다.
도 9d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재를 기계가공하기 위한 설비의 단순화된 개략도이다.
도 9e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 화학적으로 처리되고 압착된 목재의 예시적인 기계가공된 조각의 이미지이다.
도 10a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재로부터 적층 구조체를 제조하기 위한 예시적인 공정 흐름도이다.
도 10b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 강하고 질긴 목재로부터 적층 구조체를 제조하기 위한 다른 예시적인 공정 흐름도이다.
도 11a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 적층 구조체를 형성하기 위한 화학적으로 처리된 목재의 조각들의 배열의 단순화된 개략도이다.
도 11b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 11a의 목재 조각들에 의해 형성된 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 11c는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예에 따른, 도 11b의 화학적으로 처리된 목재 조각으로부터 형성된 다층 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 11d는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 적층 구조체를 형성하기 위한 화학적으로 처리된 목재의 조각들의 다른 배열의 단순화된 개략도이다.
도 11e는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 11d의 목재 조각들에 의해 형성된 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 11f는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 도 11e의 화학적으로 처리된 목재 조각들로 형성된 다층 적층 구조체의 단순화된 개략도이다.
도 12a는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 목재 칩으로부터 강하고 질긴 목재 적층체를 제조하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
도 12b는 개시된 주제의 하나 이상의 구현예들에 따른, 목재 칩 및 목재 시트로부터 강하고 질긴 목재 적층체를 제조하기 위한 예시적인 공정의 단순화된 개략도이다.
천연 목재는 리그닌(20 wt% 내지 35 wt%) 및 헤미셀룰로오스(20 wt% 내지 30 wt%)의 매트릭스에 매립된 셀룰로오스 나노섬유들의 복합재료이다. 목재의 주요 성분(40 wt% 내지 50 wt%)인 셀룰로오스는 대부분의 금속, 복합재료, 및 많은 세라믹보다 높은 비탄성률(specific modulus) 및 비강도(specific strength)를 갖는다. 천연 목재는 또한, 도 3a에 도시된 바와 같이, 목재 성장 방향(306)으로 연장하는 루멘들(302)(예를 들어, 단면 치수가 20 내지 80μm인 튜브형 채널)을 포함하는 다수의 채널을 갖는 독특한 3차원 다공성 구조(300)를 갖는다. 천연 목재(300)의 셀 벽(304)은, 도 3c 및 3d의 SEM 이미지에 도시된 바와 같이, 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 및 리그닌으로 구성되며, 이때, 이 3개의 성분들은 서로 얽혀서 강하고 단단한 벽 구조체를 형성한다.
개시된 주제의 구현예들에 있어서, 천연 목재는 화학적 처리를 거친다. 화학적 처리는 천연 목재 내의 리그닌 및 헤미셀룰로오스 함량의 현저한 감소를 가져 오지만, 셀룰로오스 함량에 대해서는 크지 않은 감소만을 가져온다. 셀 벽(304)으로부터 리그닌/헤미셀룰로오스를 부분적으로 제거함으로써, 목재는 더욱 다공성이 되고 덜 단단해진다. 화학적 처리 후, 목재는 셀룰로오스 기반 구조체가 연장하는 방향(즉, 나무가 자라는 방향 그리고 천연 목재의 루멘들이 연장하는 방향)에 수직인 방향으로의 압착을 거친다. 화학적으로 처리되고 압착된 목재(즉, 치밀화된 목재)는, 처리 및 압착 이전의 천연 목재와 비교하여, 적어도 개선된 강도 및 인성을 누릴 수 있다. 또한, 하이브리드 구조체를 형성하기 위해, 압착 전 또는 압착 후에, 추가 재료가 목재에 첨가될 수 있다. 첨가된 재료는, 화학적 처리 및 압착 후의 치밀화된 목재에 의해 제공되는 개선된 기계적 성능을 누리면서도, 예를 들어 소수성 또는 내화성을 제공함으로써, 그렇지 않으면 천연 목재에서 이용가능하지 않은 기능성을 추가할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 치밀화된 목재는, 본 명세서에서 기술된 화학적 처리 및 압착 공정을 거친 천연 목재(또는, 예를 들어 대나무와 같은 다른 천연 발생 섬유질 식물)를 지칭하는 것으로 의도되는데, 이때, 상기 화학 공정은 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 부분적으로 제거하고 상기 압착 공정은 화학적 처리된 목재의 루멘들을 적어도 부분적으로 붕괴(바람직하게는 완전히 붕괴)시킴으로써, 목재의 기계적 특성을 향상시킨다. 조각(piece) 및 구조체(structure)라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되며, 특정 시트(sheet), 스틱(stick), 스트립(strip), 바(bar), 블록(block), 멤브레인(membrane), 막(film), 또는 임의의 다른 형상을 지칭한다. 실제로, 일부 경우에, 붕괴된 루멘들을 갖는 화학적으로 처리되고 압착된 목재 구조체는 단순히 치밀화된 목재 또는 강한 목재로 지칭된다. 일부 구현예에서, 치밀화된 목재 필름은 얇은 것으로 간주될 수 있으며, 즉, 두께 방향에 수직인 평면에서의 어느 하나의 치수보다도 작은 두께를 갖는 것으로 간주될 수 있으며, 예를 들어, 압착 후 두께가 200μm 미만인 것으로 간주될 수 있다.
먼저, 도 1을 참조하면, 치밀화된 목재를 형성하고 사용하기 위한 일반화된 공정(100)이 도시된다. 공정(100)은 102에서 시작할 수 있는데, 여기서, 천연 목재의 조각은, 예를 들어, 천연 목재의 기존 나무(또는, 다른 식물) 또는 블록으로부터 절단됨으로써 공급된다. 예를 들어, 도 3a는 직사각형으로 절단된 천연 목재의 조각(300)을 도시하지만, 예를 들어, 이에 제한되지 않지만, 실린더 형상 또는 중공 실린더 형상과 같은 다른 출발 형상 또한 가능하다. 천연 목재(300)는 나무 성장 방향(306)을 따라 연장하는 루멘들(302)을 갖는 독특한 3차원 구조를 나타낸다. 루멘들(302)은, 주로 셀룰로오스로 이루어진 셀 벽(304)에 의해 경계가 정해진다. 도 3c 및 3e는 천연 목재(300)의 모폴로지 및 미세구조를 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
천연 목재는, 예를 들어, 이에 제한되지는 않지만, 참피나무, 참나무, 포플러, 물푸레나무, 알더, 아스펜, 발사나무, 너도밤나무, 자작나무, 벚나무, 버터넛, 밤나무, 코코볼로, 느릅나무, 히코리, 단풍나무, 참나무, 모과나무, 자두나무, 호두나무, 버드나무, 옐로우 포플라, 낙우송(bald cypress), 시더(cedar), 사이프러스, 더글러스 전나무, 전나무, 헴록, 낙엽송(larch), 소나무, 레드우드, 가문비, 아메리카낙엽송, 향나무, 및 주목과 같은, 임의의 종류의 경질 목재 또는 연질 목재일 수 있다. 일부 구현예에서, 천연 목재는, 예를 들어 대나무와 같은, 나무 이외의 천연 발생 섬유질 식물일 수 있다.
절단(102) 후에, 공정(100)은 104로 진행하며, 여기서, 천연 목재의 조각(300)은, 그로부터 리그닌을 부분적으로(그러나, 완전히는 아님) 제거하기 위해, 화학 용액에 의한 처리를 거칠 수 있다. 처리(104)는, 화학 용액이 천연 목재의 셀 벽들 및 루니마에 완전히 침투하도록 촉진하기 위해, 진공 하에서 수행될 수 있다. 상기 처리는, 천연 목재의 셀룰로오스의 적어도 일부를 유지하면서 원래 천연 목재 내의 리그닌의 1 wt% 내지 99 wt%가 제거되도록 하는 것일 수 있다. 예를 들어, 화학적 처리 후에, 천연 목재로부터의 셀룰로오스의 적어도 20 wt%, 적어도 40 wt%, 적어도 60 wt%, 또는 적어도 90 wt%가 유지되는 반면, 천연 목재 내의 리그닌의 5 wt% 내지 95 wt%는 제거된다. 일부 구현예에서, 천연 목재 내의 리그닌의 23 wt% 내지 60 wt%가 제거될 수 있다. 예를 들어, 천연 목재로부터의 리그닌의 55 wt%는 화학적 처리 후에 유지될 수 있다(즉, 45 wt% 제거).
화학 용액은 펄프화(pulping) 또는 펄프 표백(pulp bleaching)에 사용되는 화학물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, NaOH, NaOH/Na2S, NaHSO3+SO2+H2O, NaHSO3, NaHSO3+Na2SO3, NaOH+Na2SO3, Na2SO3, NaOH+AQ, NaOH/Na2S+AQ, NaHSO3+SO2+H2O+AQ, NaOH+Na2SO3+AQ, NaHSO3+AQ, NaHSO3+Na2SO3+AQ, Na2SO3+AQ, NaOH+Na2S+ Na2Sn, Na2SO3+NaOH+CH3OH+AQ, CH3OH, C2H5OH, C2H5OH+NaOH, C4H9OH, HCOOH, CH3COOH, CH3OH+HCOOH, C4H8O2, NH3.H2O, p-TsOH, H2O2, NaClO, NaClO2+아세트산, ClO2, 및 Cl2 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다(여기서, n은 정수이고, AQ는 안트라퀴논임).
106에서, 충분한 리그닌이 천연 목재로부터 제거되었는지가 결정된다. 위에서 언급한 바와 같이, 리그닌의 1 wt% 내지 99 wt%가 제거되고, 이때, 궁극적인 양은 특정 용도를 위한 치밀화된 목재의 목적하는 기계적 특성에 의존한다. 제거된 리그닌의 양은 침지 시간에 의존하고, 이는 작게는 0.1 시간 내지 72 시간 이상, 예를 들어 0.5 시간 내지 1 시간의 범위일 수 있다. 목적하는 리그닌 제거량에 따라, 침지 시간을 조절하는 것에 부가하여 또는 이를 대신하여, 화학 용액의 온도가 조절될 수도 있다. 일부 구현예에서, 화학 용액은 비등할 수 있으며, 이는 비비등 용액과 비교하여 더 많은 양의 리그닌의 제거를 달성할 수 있다. 일부 구현예에서, 화학 용액은 알칼리성 pH 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 화학 용액은 2.5 M NaOH 및 0.4 M Na2SO3의 비등 용액일 수 있고, 침지 시간은 0.5 내지 7 시간일 수 있다.
104의 처리에 의해 충분한 리그닌이 제거되면, 공정(100)은 처리된 목재 조각을 선택적으로(optionally) 헹구는 단계로 진행될 수 있다. 헹굼은 처리된 목재 조각을, 예를 들어, 이에 제한되지는 않지만, 탈이온수(DI water)와 같은 용매에 침지하는 것을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 용매는, 예를 들어 비등 상태와 같은, 상승된 온도일 수 있다. 헹굼은 처리된 목재 조각 내의 화학 용액의 잔류물 및/또는 처리에 의해 이탈된(dislodged) 목재의 임의의 성분들을 제거하는데 효과적일 수 있다. 일부 구현예에서, 목재의 이탈된 성분들을 유지하는 것이 바람직할 수 있으며, 이 경우 헹굼은 생략될 수 있다.
헹굼 후에(또는, 헹굼이 없는 경우, 처리(104)의 종료 후에), 공정(100)은 선택적으로(optionally) 108로 진행될 수 있으며, 여기서, 화학적으로 처리된 목재는 압착전 개질(pre-pressing modification)을 거치게 된다. 예를 들어, 선택적(optional) 개질(108)은 화학적으로 처리된 목재의 표면에 비천연 입자(non native paricles)를 형성 또는 침착시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 표면은 화학적으로 처리된 목재의 외부 표면뿐만 아니라 내부 표면(예를 들어, 루멘들을 피복하는 셀 벽들)을 포함할 수 있다. 화학적으로 처리된 목재의 표면에 혼입된 비천연 입자는, 다른 특성들 중에서도 특히, 소수성, 내후성, 내부식성(예를 들어, 내염수성), 및/또는 난연성과 같은, 특정 유리한 특성들을 최종 치밀화된 목재에 부여할 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 소수성 나노입자(예를 들어, SiO2 나노입자)가, 도 7a 내지 7e와 관련하여 아래에 더 설명되는 바와 같이, 화학적 처리된 목재의 표면에 형성될 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 선택적(optional) 개질(108)은, 화학적으로 처리된 목재에 폴리머를 첨가하거나, 또는 화학적으로 처리된 목재의 표면을 개질시켜 유리한 특성을 얻는 추가의 화학적 처리를 수행하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소수성 특성을 제공하기 위해 108의 추가 화학적 처리는 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 에폭시 수지, 실리콘 오일, 폴리우레탄, 파라핀 에멀젼, 아세트산 무수물, 옥타데실트리클로로실란(OTS), 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실트리에톡시실란, 불소수지, 폴리디메틸실록산(PDMS), 메타크릴옥시메틸트리메틸실란(MSi), 다면체 올리고머성 실세스퀴옥산(POSS), 포타슘 메틸 실리코네이트(PMS), 도데실(트리메톡시) 실란(DTMS), 헥사메틸디실록산, 디메틸 디에톡시 실란, 테트라에톡시실란, 메틸트리클로로실란, 에틸트리메톡시실란, 메틸 트리에톡시실란, 트리메틸클로로실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드(polyDADMAC), 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(MPS), 소수성 스테아르산, 양친매성 플루오르화 트리블록 아지드 코폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 플루오르화 실란, n-도데실트리메톡시실란, 및 소듐 라우릴 술페이트.
예를 들어, 내후성 또는 내부식성을 제공하기 위한 108의 추가 화학적 처리는 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 큐프라메이트(CDDC), 암모니아성 구리 4차염(ammoniacal copper quaternary: ACQ), 크롬화 구리 아르세네이트(CCA), 암모니아성 구리 아연 아르세네이트(ACZA), 구리 나프테네이트, 산 구리 크로메이트, 구리 시트레이트, 구리 아졸, 구리 8-하이드록시퀴놀리네이트, 펜타클로로페놀, 아연 나프테네이트, 구리 나프테네이트, 크레오소트, 티타늄 디옥사이드, 프로피코나졸, 테부코나졸, 사이프로코나졸, 붕산, 붕사, 유기 이오다이드(IPBC), 및 Na2B8O13·4H2O.
선택적(optional) 개질(108) 후에, 공정(100)은 화학적 처리된 목재가, 루멘들이 연장하는 방향과 교차하는 방향으로 압착되는 110으로 진행될 수 있다. 예를 들어, 압착(110)은 루멘들이 연장하는 방향에 실질적으로 수직인 방향일 수 있거나, 또는 압착(110)은 루멘들이 연장하는 방향에 수직인 힘 성분을 가질 수 있다. 압착(110)은 목재의 두께를 감소시킴으로써 목재의 밀도를 증가시킬뿐만 아니라, 목재의 단면 내의 공극 또는 갭을 제거할 수 있다. 예를 들어, 압착(110)은 0.5 MPa 내지 10 MPa, 예를 들어 5 MPa의 압력일 수 있다. 일부 구현예에서, 압착은 실온(즉, 냉간 압착)에서 수행될 수 있는 반면, 다른 구현예에서는 압착이 고온(즉, 열간 압착)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 압착은 20 ℃ 내지 120 ℃의 온도, 예를 들어 100 ℃에서 수행될 수 있다.
압착(110)은, 중간 건조 단계없이, 처리(104) 및/또는 임의의 선택적(optional) 개질(108) 후에, 수행될 수 있다. 결과적으로, 화학적으로 처리된 목재는 그 안에 물을 보유할 수 있다. 따라서, 압착(110)은 목재의 두께를 감소시키고 밀도를 증가시킬 뿐만 아니라, 화학적 처리된 목재에 보유된 임의의 물을 제거할 수 있다. 압착(110) 동안, 목재의 셀 벽의 잔류 셀룰로오스 기반 나노섬유들 사이에 수소 결합이 형성되어, 목재의 기계적 특성이 개선될 수 있다. 더욱이, 개질(108) 동안 목재의 표면 상에 또는 목재 내에 형성된 임의의 입자 또는 재료는 가압 후에 유지될 수 있고, 이때, 내부 표면 상의 입자/재료는, 붕괴된 루멘들 및 서로 얽힌 셀 벽들 내에 매립된다.
압착(110)은, 물이 제거되고 바람직한 수소 결합이 형성되도록, 일정 시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 화학적으로 처리된 목재는 적어도 5 분의 시간 동안 압력 하에 유지될 수 있으나, 온도, 상대 습도, 및 목재 유형과 같은 요인에 따라 다른 시간도 가능하다. 예를 들어, 화학적으로 처리된 목재는 적어도 1 시간, 적어도 12 시간, 적어도 24 시간, 또는 적어도 48 시간 동안 압력하에 유지될 수 있다.
도 2a는 방향(206)을 따라 연장하는 루멘들(202) 및 방향(206)을 따라 정렬된 셀룰로오스 기반 나노섬유들로 이루어진 벽(204)을 갖는 화학적으로 처리된 목재 블록(200)을 도시한다. 블록(200)은 연장 방향(206)과 교차하는 방향으로 압착(208)될 수 있고, 이에 의해, 도 2b의 치밀화된 목재 구조체(210)가 생성된다. 압착의 결과로서, 212에 나타낸 바와 같이, 루멘들(202)이 완전히 붕괴될 수 있고, 셀 벽들(204)이 서로 얽힐(intertwined) 수 있다. 압착은, 압착 후 블록(210)의 두께(W2)가, 블록(200)의 W1과 비교하여 적어도 10% 감소되도록 하는 것일 수 있다. 예를 들어, 두께(W2)는, 블록(200)의 W1과 비교하여 60%, 70%, 또는 80% 초과 만큼 감소될 수 있다. 예를 들어, 압착은 1.1:1 내지 10:1의 압축비(W1:W2)를 발생시킬 수 있다.
압착(110) 후에, 공정은 선택적으로(optionally) 112로 진행될 수 있으며, 여기서, 이제 치밀화된 목재는 압착후 개질(post-pressing modification)을 거치게 된다. 예를 들어, 선택적(optional) 개질(112)은, 치밀화된 목재의 외부 표면 상에 코팅(예를 들어, 비천연 입자의 코팅)을 형성 또는 침착시키는 것을 포함할 수 있다. 코팅은, 다른 특성들 중에서도 특히 소수성, 내후성, 내부식성(예를 들어, 내염수성), 및/또는 난연성과 같은 특정 유리한 특성들을 치밀화된 목재에 부여할 수 있다. 예를 들어, 코팅은 유성 페인트, 소수성 페인트, 폴리머 코팅, 또는 내화성 코팅을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 나노입자(예를 들어, BN 나노입자)의 내화성 코팅이, 도 6a 내지 도 6b와 관련하여 아래에 더 설명되는 바와 같이, 치밀화된 목재의 외부 표면 상에 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 개질(112)의 코팅은 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 보론 니트라이드, 몬모릴로나이트 점토, 하이드로탈사이트, 실리콘 디옥사이드(SiO2), 소듐 실리케이트, 칼슘 카보네이트(CaCO3), 알루미늄 하이드록사이드(Al(OH)3), 마그네슘 하이드록사이드(Mg(OH)2), 마그네슘 카보네이트(MgCO3), 알루미늄 술페이트, 철 술페이트, 아연 보레이트, 붕산, 붕사, 트리페닐 포스페이트(TPP), 멜라민, 폴리우레탄, 암모늄 폴리포스페이트, 포스페이트, 포스파이트 에스테르, 암모늄 포스페이트, 암모늄 술페이트, 포스포네이트, 디암모늄 포스페이트(DAP), 암모늄 디하이드로젠 포스페이트, 모노암모늄 포스페이트(MAP), 구아닐우레아 포스페이트(GUP), 구아니딘 디하이드로젠 포스페이트, 및 안티몬 펜톡사이드.
선택적(optional) 개질(112) 후에, 공정(100)은 선택적으로(optionally) 114로 진행할 수 있으며, 여기서, 치밀화된 목재는, 예를 들어, 치밀화된 목재의 구조 또는 형상을 변경하기 위해 기계가공 또는 변형함으로써, 최종 용도를 위해 준비될 수 있다. 기계가공 공정은 절단(예를 들어, 톱질), 드릴링, 목공(woodturning), 태핑(tapping), 천공, 조각(carving), 라우팅(routing), 샌딩, 연삭, 및 연마 텀블링(abrasive tumbling)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 변형 공정은 굽힘(bending), 성형(molding) 및 다른 성형(shaping) 기술을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
선택적(optional) 기계가공 또는 변형(114) 후에, 공정(100)은 116으로 진행될 수 있으며, 여기서, 치밀화된 목재는 특정 적용에 사용될 수 있다. 개선된 기계적 특성으로 인해, 치밀화된 목재는 다양한 구조와 용도로 적용될 수 있다. 예를 들어, 치밀화된 목재는 다음을 위해 적합화될 수 있다:
- 자동차, 트럭, 모터사이클, 기차, 항공기, 선박, 우주선, 배 또는 임의의 다른 운송수단, 차량 또는 운반수단의 외장 부품(예를 들어, 차체 패널, 도어 패널, 지붕, 범퍼, 바닥, 지붕, 트림, 마스트, 등), 내부 구조 부품(예를 들어, 섀시, 프레임 레일, 크로스빔, 동체 프레임, 날개 프레임, 등), 또는 내장 부품(예를 들어, 도어 패널, 라이너, 핸들, 난간, 바닥재, 시트, 트림, 보관함 또는 선반, 등);
- 가정집, 사무실, 헛간 공장, 창고, 탑 또는 임의의 기타 건물 또는 구조물의 외장 부품(예를 들어, 외부 벽, 사이딩(siding), 지붕, 셔터, 등), 내부 구조 부품(예를 들어, 프레임, 스터드, 벽판, 상인방, 크로스빔, 하중지지 빔, 바닥재, 등), 또는 내장 부품(예를 들어, 문, 문틀, 창틀, 액자, 벽, 바닥, 패널, 천장, 트림, 계단, 난간, 등);
- 데크, 차양(awning), 도크(dock), 파티오(patio), 교량, 기둥, 관람석(bleachers), 또는 플랫폼의 구조 부품;
- 가구(예를 들어, 의자, 벤치, 책상, 테이블, 캐비닛, 옷장, 조리대, 등), 또는 가구의 내부 구조 부품(예를 들어, 소파 또는 의자용 프레임, 침대 프레임, 등), 또는 가정용품 또는 장식물;
- 악기(예를 들어, 피아노, 기타, 바이올린, 하프, 치터(zither), 드럼, 등), 스포츠 장비(예를 들어, 골프 클럽, 탁구대 및 패들, 농구 백보드, 골대 또는 골대 기둥, 야구 방망이, 등), 도구(예를 들어, 햄머 핸들, 빗자루 핸들, 톱질 모탕(sawhorse), 등); 또는
- 보호 부품(예를 들어, 컴퓨터 케이스, 휴대폰 케이스, 블래스트 쉴드, 보호 조끼, 등), 인클로저, 용기, 상자, 배송 상자, 포장, 또는 하우징.
치밀화된 목재에 대한 위의 용도 목록은 완전한 것으로 의도되지 않는다. 구체적으로 열거된 것들 이상의 치밀화된 목재의 적용은 하나 이상의 고려되는 구현예에 따라 가능하다. 실제로, 통상의 기술자는 치밀화된 목재가 본 개시의 가르침에 기초하여 다른 적용에 적합하게 될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
종래의 치밀화 공정에서는, 천연 목재(300)는, 이로부터 리그닌을 제거하지 않은 채, 압착된다. 많은 경우, 목재의 전처리(예를 들어, 스팀, 열, 또는 암모니아에 대한 노출, 또는 냉간 압연)가 필요하다. 이러한 전처리는 목재 구조체를 부드럽게할 수는 있지만, 천연 목재의 기본 조성을 변경하지는 않는다. 도 3b에 도시된, 그 결과 압착된 목재(308)는, 원래 천연 목재 대비 두께 감소량(즉, 방향(312)을 따른)이 제한된다. 예를 들어, 종래의 치밀화 공정은 두께의 약 60% 감소로 제한된다. 리그닌을 제거하지 않으면, 천연 목재(300)를 압착하여 루멘들(302)을 완전히 붕괴시키고 그 단면으로부터 임의의 다른 공극을 제거하는 것이 어렵다. 더욱이, 압착된 목재(308)의 두께의 부분적인 회복이, 압착 후에, 일어날 수 있다. 리그닌 제거가 없는 종래의 치밀화된 목재(308)는, 도 3b 및 도 3e 내지 3f의 SEM 이미지에 도시된 바와 같이, 붕괴된 셀 벽들(304) 사이의 수 많은 갭들(310)의 발생을 겪게 된다.
대조적으로, 개시된 주제의 구현예들에 따른, 리그닌이 부분적으로 제거된 치밀화된 목재는 천연 목재 내의 루멘들을 완전히 붕괴시킬 수 있고, 또한 셀 벽들 사이의 개방 공간을 제거할 수 있으며, 그 결과, 셀 벽들이 서로 밀접하게 얽혀있는 독특한 적층 구조체가 발생되고, 이러한 구조체는 탁월한 기계적 특성들을 발휘할 수 있다. 예를 들어, 리그닌을 부분적으로 제거하기 위해 화학적으로 처리된 목재(200)를 압착함으로써, 목재 루멘들(202) 및 다공성 셀 벽들(204)은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 완전히 붕괴된다. 리그닌의 부분 제거로 인해, 압착은 두께 감소량의 증가(예를 들어, 적어도 5:2의 두께 감소(예를 들어, 70% 내지 80% 감소))를 달성할 수 있으며, 뿐만 아니라, 증가된 밀도(예를 들어, 약 3 배 증가)를 달성할 수 있다.
도 4c 내지 도 4d의 SEM 이미지에 도시된 바와 같이, 종래의 중공 루멘들(202)은 완전히 붕괴되어, 서로 고도로 얽힌 목재 셀 벽들을 형성한다. 목재 셀 벽들(204) 내의 작은 구덩이조차도 치밀화로 인해 제거된다. 치밀화된 목재(210)는 독특한 미세구조를 갖는데, 이때, 완전히 붕괴된 목재 셀 벽들은 그들의 단면을 따라 서로 단단히 얽혀 있고, 그들의 길이 방향(즉, 방향(206))을 따라 치밀하게 밀집된다. 더욱이, 도 4e에 도시된 바와 같이, 셀 벽들(204)의 셀룰로오스 나노섬유들(214)은, 천연 목재와 유사하지만 훨씬 더 치밀하게 밀집된, 고도의 정렬 상태(예를 들어, 방향(206)을 따라)를 유지한다.
화학적 처리 및 후속 압착으로 인해, 수소결합(216)이, 도 4f에 도시된 바와 같이, 이웃하는 셀룰로오스 나노섬유들(214) 사이에 형성된다. 이러한 수소결합(216)은 치밀화된 목재의 기계적 특성의 향상에 긍정적으로 기여할 수 있다. 특히, 마이크로 스케일로 치밀화된 목재(210) 내의 치밀하게 밀집되고 서로 얽힌 목재 셀 벽들(204)은 셀룰로오스 나노섬유들(214)의 고도의 정렬을 가져오며, 그에 따라, 나노섬유들(214) 사이의 계면 영역을 급격히 증가시킨다.
셀룰로오스 분자 사슬 내의 풍부한 하이드록실기로 인해, 치밀하게 밀집된 목재 셀 벽들(204) 사이의 상대적 활주(relative sliding)는, 분자 스케일에서의 수소결합 형성-파괴-재형성(hydrogen bond formation-breaking-reformation)의 수많은 반복 사건을 수반한다. 결과적으로, 치밀화된 목재를 파쇄하는데 필요한 총 에너지는 천연 목재를 파쇄하는데 필요한 것보다 현저하게 더 높다. 다시 말해, 치미화된 목재는 천연 목재보다 훨씬 더 질기다. 치밀하게 밀집된 미세구조는 또한, 치밀화된 목재 내의 결함의 양과 크기를 크게 감소시켜, 천연 목재보다 훨씬 높은 강도를 제공한다. 천연 목재 및 치밀화된 목재(예를 들어, 리그닌이 45 wt% 제거된 참피나무(basswood))의 기계적 특성들에 대한 예시적인 값을 하기 표 1에 제공하였다.
치밀화된 목재의 기계적 특성은 천연 목재보다 우수할 뿐만 아니라, 널리 사용되는 많은 구조 재료(예를 들어, 플라스틱, 강철 및 합금)의 기계적 특성을 능가한다. 실제로, 치밀화된 목재에 대해 실증된 인장 강도는, 전형적인 플라스틱(예를 들어, 나일론 6, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 및 에폭시)뿐만 아니라 리그닌을 제거하지 않는 종래의 치밀화된 목재보다 훨씬 높다. 흥미롭게도, 치밀화된 목재의 인장 강도의 현저한 증가는 인성의 감소를 겪지 않는다. 셀룰로오스의 본질적인 경량 성질은 또한, 적어도 300 MPa cm3/g(예를 들어, 약 450 MPa cm3/g)의, 치밀화된 목재에 대한 비강도(specific strength)를 가져오며, 이러한 비강도는 티타늄 합금(예를 들어, 약 244 MPa cm3/g)의 비강도를 초과한다.
표 1: 천연 목재 및 치밀화된 목재에 대한 기계적 특성 비교
| 기계적 특성 | 천연 목재 | 치밀화된 목재 | 변화 |
| 인장 강도 (MPa) | 46.7 | 548.8 | >10x 증가 |
| 탄성 강성 (Elastic Stiffness) (GPa) |
4.8 | 51.6 | >10x 증가 |
| 긁힘 경도 (GPa) | 0.02 | 0.6 | 30x 증가 |
| 충격 인성 (Impact Toughness) (J/cm2) |
1.38 | 11.41 | >8x 증가 |
| 파괴 인성 (Fracture Toughness) (MJ/m3) |
0.4 | 4 | 10x 증가 |
| 경도 모듈러스 (lbs/in) | 740.1 | 9454.5 | >10x 증가 |
| 굴곡 강도 (MPa) (성장 방향에 따른) |
54.3 | 336.8 | >5x 증가 |
| 굴곡 강도 (MPa) (성장 방향에 수직인 방향에 따른) |
4.4 | 79.5 | >15x 증가 |
| 압축 강도 (MPa) (성장 방향에 따른) |
29.6 | 163.6 | >5x 증가 |
| 압축 강도 (MPa) (성장 방향에 수직인 방향에 따른) |
2.6 | 87.6 | >30x 증가 |
표 2는 천연 목재, 열간 압착되지 않은 탈리그닌화 목재(샘플 1), 탈리그닌화되지 않은 압착된 천연 목재(샘플 2), 및 치밀화된 목재(탈리그닌화 후 압착됨 - 샘플 3)의 축방향 압축 강도(루멘들 연장 방향을 따른)를 비교한다. 명백한 바와 같이, 루멘들의 완전한 붕괴를 보장하고 셀 벽들을 서로 얽히게 하기 위해서는(그 결과로서, 탁월한 강도 및 인성을 달성하는 치밀화된 목재가 발생됨), 리그닌의 적어도 부분적인 제거가 필요하다.표 2: 다양한 가공된 목재 재료들에 대한 축방향 압축 강도의 비교
| 부분적 리그닌 제거 |
압착 | 축방향 압축 강도 (MPa) |
|
| 천연 목재 | 미실시 | 미실시 | 29.6 |
| 샘플 1 | 실시 | 미실시 | 22.8 |
| 샘플 2 | 미실시 | 실시 | 75.9 |
| 샘플 3 | 실시 | 실시 | 163.6 |
그러나, 결과적으로 생성된 치밀화된 목재의 기계적 특성은 또한, 압착 전에 천연 목재로부터 얼마나 많은 리그닌이 제거되는지에 의존한다. 리그닌 제거량은, 표 3의 데이터에 반영된 바와 같이, 화학 용액 내에서의 시간의 함수일 수 있다. 도 5b는, 다양한 수준의 리그닌 제거가 실시된 치밀화된 목재 샘플들 및 압착이 실시되지 않은 천연 목재 샘플에 대한 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 표 3은, 다양한 수준의 리그닌 제거가 실시된 치밀화된 목재 샘플들 및 압착이 실시되지 않은 천연 목재 샘플에 대한 조성 및 기계적 특성을 제공한다. 도 5a 및 5b, 및 표 3에서, NW는 어떠한 압착도 실시되지 않은 천연 목재를 지칭하고, DW-x는 치밀화된 목재를 지칭하며, 이때, x는 리그닌의 제거 백분율이다. 데이터로부터 쉽게 알 수 있듯이, 참피나무(basswood)의 경우, 45 wt% 리그닌 제거(예를 들어, 리그닌 함량 11.3 wt%)가 실시된 치밀화된 목재가 가장 높은 강도 및 인성을 갖지만, 다른 종류의 목재에 대해서는 또는 다른 용도를 위해서는, 다른 제거량이 최적일 수 있다.표 3: 다양한 수준의 리그닌 제거가 실시된 치밀화된 목재에 대한 조성 및 기계적 특성
| 샘플 명칭 |
시간 (hr) |
화학 용액 | 셀룰로오스 (wt%) |
헤미셀룰로오스 (wt%) |
리그닌 (wt%) | 강도 (MPa) |
파괴일 (MJ/m3) |
밀도 (g/cm3) |
| NW | 0 | 없음 | 44.01 | 19.5 | 20.8 | 51.6 | 0.43 | 0.46 |
| DW-0% | 0 | 없음 | 44.01 | 19.5 | 20.8 | 175.0 | 1.1 | 1.04 |
| DW-23.6% | 0.5 | NaOH+Na2SO3 | 42.2 | 10.6 | 15.9 | 325.6 | 1.6 | 1.13 |
| DW-27% | 1 | NaOH+Na2SO3 | 40.2 | 9.2 | 15.1 | 386.3 | 2.1 | 1.20 |
| DW-30% | 3 | NaOH+Na2SO3 | 38.2 | 7.2 | 14.7 | 425.6 | 2.3 | 1.23 |
| DW-32.5% | 5 | NaOH+Na2SO3 | 38.1 | 6.8 | 14.3 | 488.8 | 2.9 | 1.25 |
| DW-45% | 7 | NaOH+Na2SO3 | 38.7 | 5.2 | 11.3 | 586.8 | 4.0 | 1.30 |
| DW-60% | 8.5 | NaOH+Na2SO3+H2O2 | 35.4 | 3.8 | 8.2 | 319.0 | 1.48 | 1.15 |
| DW-100% | 11 | NaOH+Na2SO3+H2O2 | 31.2 | 1.89 | 0.13 | 12.5 | 0.02 | 1.06 |
결과적으로 생성된 치밀화된 목재의 밀도는 또한, 도 5a의 그래프에 반영된 바와 같이, 제거된 리그닌 양의 함수이다. 리그닌 제거 백분율이 45 wt% 미만인 경우, 결과적으로 생성된 치밀화된 목재의 밀도는 리그닌 제거 백분율에 따라 증가한다. 이것은 적어도 세 가지 요인에 기인할 수 있다. 첫째, 더 많은 리그닌이 제거됨에 따라 셀 벽에 더 많은 기공이 생성된다. 둘째, 화학적 처리된 목재의 셀 벽은 화학 용액에서의 시간이 증가함에 따라 더 부드러워지며, 이러한 증가된 시간은 리그닌 제거의 목적된 증가를 달성하는데 필요하다. 셋째, 화학적 처리 후의 구조는 바인더로서 적어도 일부 리그닌을 보유하기 때문에 붕괴되지 않는다. 그러나, 리그닌이 너무 많이 제거된 경우(예를 들어, 리그닌의 약 100 wt%가 제거된 경우), 목재 구조체는, 도 5c의 SEM 이미지에 의해 도시된 바와 같이, 압력 하에서 쉽게 붕괴되며, 따라서, 압착에 의해 구조체의 밀도를 증가시키는 능력을 억제한다.표 4: 다양한 종의 목재에 대한 기계적 특성의 비교
| 목재의 종 | 유형 | 인장 강도 (MPa) | 파괴일 (MJ/m3) |
| 참피나무 | 천연 | 51.6 | 0.43 |
| 치밀화됨 | 586.8 | 4.0 | |
| 참나무 | 천연 | 115.3 | 1.84 |
| 치밀화됨 | 584.3 | 5.3 | |
| 포플라 | 천연 | 55.6 | 0.48 |
| 치밀화됨 | 431.5 | 3.0 | |
| 시더(cedar) | 천연 | 46.5 | 0.35 |
| 치밀화됨 | 550.1 | 3.3 | |
| 소나무 | 천연 | 70.2 | 0.58 |
| 치밀화됨 | 536.9 | 3.03 |
특정 종의 목재에 대한 결과가 본 명세서에서 논의되고 표 1 내지 3 및 도 5a 및 5b에 나타나 있지만, 다른 종의 목재 또는 다른 식물(예를 들어, 대나무)에 대해서도 유사한 결과가 얻어질 수 있다. 예를 들어, 표 4는 다양한 종의 천연 목재 및 치밀화된 목재(부분 리그닌 제거)의 기계적 특성에 대한 예시적인 값을 제시한다. 따라서, 본 개시의 가르침은 광범위한 식물 종에 적용될 수 있다.치밀화된 목재는 습기에 의한 공격 하에서도 안정할 수 있다. 예를 들어, 128 시간 동안 95% 상대 습도(RH)에 노출될 때, 치밀화된 목재는 두께가 약 8.4% 팽창하고, 493.1 MPa로의 약간의 인장 강도 강하(예를 들어, 20% 미만)를 나타내는데, 이것은 여전히 주위 환경에서의 천연 목재의 인장 강도보다 더 큰 자리수의 값이다.
압착후 개질(112)에 의해, 환경 요인들로부터 치밀화된 목재의 특성들의 추가적인 보호 또는 새로운 특성의 도입이 제공될 수 있다. 예를 들어, 치밀화된 목재는, 유성 페인트, 소수성 페인트, 또는 폴리머 코팅으로 코팅함으로써, 환경 습기에 대한 실질적인 면역을 얻을 수 있다. 다른 예에서, 치밀화된 목재(602)는, 도 6a에 도시된 바와 같이, 외부 표면(608) 상에 형성된 내열 코팅(604)을 가질 수 있다. 이러한 코팅(604)은, 복합 구조체(600)가 표면(608)을 따라 열(606)을 전도 할 수 있게 하여, 복합 구조체(즉, 치밀한 목재(602))의 내부의 온도 상승을 최소화하거나 적어도 감소시킬 수 있다.
코팅(604)은 난연성 코팅으로서 작용할 수 있다. 일 구현예에서, 난연성 코팅(604)은 BN 나노시트(예를 들어, 치밀화된 목재(602)의 표면에 결합된 나노입자들의 층)와 같은 보론 니트라이드(BN) 코팅일 수 있다. 이러한 복합 구조체(600)는, 코팅되지 않은 치밀화된 목재(200)(도 6b의 614) 또는 다른 종래의 구조 재료와 비교하여, 적어도 인장 강도 및 최대 사용 온도(도 6b의 612)와 관련하여 탁월한 성능을 누릴 수 있다. 단일 지점(612)으로 도시되어 있지만, 치밀화된 목재의 임계 온도는 600 MPa의 인장 강도에서 300 ℃ 내지 500 ℃ 범위일 수 있다. 다른 구현예에서, 난연성 코팅은 몬트모릴로나이트 점토를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 치밀화된 목재는, 도 1과 관련하여 상기 언급된 바와 같이, 예를 들어, 소수성, 내후성 또는 내부식성, 내화학성, 또는 내화성을 증가시키기 위해, 가공 후에 다양한 표면 처리를 거칠 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 환경 요인으로부터 치밀화된 목재의 특성을 보호하는 것 또는 새로운 특성의 도입은 압착전 개질(108)에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 나노입자 또는 폴리머와 같은 기능성 재료가, 내수성, 내부식성, 내후성, 내화학성, 내화성, 및/또는 다른 특성을 최종 치밀화된 목재에 부여하기 위한 추가 화학적 처리에 의해, 화학적으로 처리된 목재에 추가될 수 있다.
일 구현예에서, 치밀화된 목재에 초고도 소수성을 제공하기 위해, 화학적으로 처리된 목재의 내부 및 외부 표면 상에 나노입자가 형성될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 초고도 소수성은 150°보다 큰 정적 물 접촉각(CA) 및 10°보다 작은 동적 롤링 각도(dynamic rolling angle)로 정의된다. 이러한 초고도 소수성은 수분 조건에서 구조 재료의 내식성을 향상시켜, 안정성 및 내구성의 향상을 가져올 수 있다. 다른 구현예에서, 나노입자는, 치밀화된 목재가 90°이상의 정적 접촉각 또는 10° 미만의 동적 접촉각을 나타내도록 하는 소수성을 도입할 수 있다. 예를 들어, 나노입자는 SiO2 나노입자일 수 있다.
앞에서 언급된 다른 구현예에서와 같이, 화학적으로 처리된 목재는 먼저 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 부분적으로 제거하여, 다공성 셀 벽(704) 및 루멘들(702)을 남김으로써 형성된다. 이어서, 화학적으로 처리된 목재(700)는, 도 7a에 도시된 바와 같이, 목재(706)의 내부 및 외부 표면 상에서 나노입자(708)의 인시투(in-situ) 성장을 야기하는 추가 화학적 처리를 거친다. 예를 들어, 화학적으로 처리된 목재(700)는 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS) 및 헵타데카플루오로-1,1,2,2-테트라데실 트리메톡시실란(17F)의 용액(예를 들어, 100 ml의 에탄올 중 3 ml의 TEOS, 3 ml의 NH3·H2O 및 0.01 ml의 17F) 중에 침지될 수 있다. 침지는 상승된 온도(예를 들어, 50 ℃)에서 연장된 시간(예를 들어, 10 시간) 동안 이루어질 수 있으며, 그 결과, 개질된 SiO2 나노입자가 졸-겔 방법을 통해 형성되도록 할 수 있다. 예를 들어, 나노입자는 ~100 nm의 직경을 가질 수 있다. 인시투적(in-situ) 형성의 결과로서, 나노입자(708)는, 도 7c 및 7d의 SEM 이미지에 도시된 바와 같이, 목재 표면 상에 그리고 루멘들(702) 내부에 균일하게 분포될 수 있다.
그 다음, SiO2 나노입자(708)로 장식된 처리된 목재(706)는 압축될 수 있으며(예를 들어, 100 ℃에서 압착함으로써), 그 결과, 도 7b에 도시된 치밀화된 목재 구조체(710)를 생성할 수 있다. 압착은 채널 벽들(704) 사이의 공간이 제거(또는, 거의 완전히 제거)되게 하여, 다수의 서로 얽힌 층들(712), 및 개별 층들 내의 정렬된 셀룰로오스 나노섬유들을 갖는 적층 구조체를 발생시킨다. 압착에도 불구하고, SiO2 나노입자는 서로 얽힌 층들 사이에서 보존된다. 따라서, SiO2 나노입자의 인시투적 성장과 함께 잘 보존된 마이크로/나노 계층적 구조는 치밀화된 목재(710)에 초고도 소수성을 부여할 수 있다. 예를 들어, 치밀화된 목재(710)는, 목재(710)의 표면(716) 상에 배치된 물 액적(714)에 대하여 각각 159.4° 및 3°의 정적 및 동적 접촉각을 나타낼 수 있다. 나노입자(708)는 또한 산성/알칼리 조건에 대한 저항성을 부여할 수 있다.
초고도 소수성은 또한, 치밀화된 목재에 팽윤 방지 특성을 제공할 수 있다. 특히, 치밀화된 목재(710)는 24 시간 동안 물에 침지될 때 매우 적은 물을 흡수하며, 약 1.8%의 극도로 낮은 팽창 효율을 보인다. 이는 치밀화된 목재(710)가 물에 대해 강하게 반발한다는 것을 시사한다. 대조적으로, 천연 목재는 동일한 조건에 노출될 때 상당한 팽윤을 나타내며, 예를 들어, 119%의 팽윤 효율을 나타낸다. 치밀화된 목재(710)의 탁월한 소수성은, 습한 조건 또는 다른 불리한 또는 적대적인 실외 환경에 노출된 경우에도, 목재의 치수 안정성 및 부식 저항성을 현저하게 개선할 수 있다.
또한, 치밀화된 목재(710)의 목재 미세구조 내의 나노입자 처리는, 상기 처리의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 실험에서, 압축하는 동안, 샌드페이퍼(120 메쉬)가 상부 및 하부 목재 표면들(접선 구역) 상에 배치함으로써, 결과적으로 생성된 치밀화된 목재(710)의 마이크로미터 크기의 거칠기를 발생시켰다. 치밀화된 목재에 대한 물의 초기 정적 및 동적 접촉각은 각각 159.2° 및 3°이다. 10, 20, 30 및 40 회의 샌드페이퍼 마모 사이클 후, 각각, 158.1°/4.5°, 156.3°/5.9°, 152.9°/7.7°, 및 150.1°/9°의 값이 얻어졌다. 각 사이클마다 정적 접촉각의 최소 감소(및 동적 접촉각의 최소 증가)만이 있기 때문에, 치밀화된 목재(710)의 소수성 처리는 내마모성인 것이 명백하다. 압축 후의 층 구조는 잘 분산된 나노-SiO2 구체들을 가두며(confine), 이는, 나노입자의 목재에 대한 견고한 고정 및, 그에 따라, 견고한 초고도 소수성을 발생시킨다.
이제 도 8a를 참조하면, 천연 목재(802)로부터 치밀화된 목재 구조체를 형성하기 위한 예시적인 제조 공정이 도시되어 있다. 천연 목재(802)는 시트, 스틱, 스트립, 바, 블록, 멤브레인, 막, 또는 임의의 다른 형상의 목재 형태일 수 있다. 천연 목재(802) 내의 루멘들은 방향(806)을 따라 연장될 수 있다. 제조 공정에서 제1 단계(800)는, 예를 들어, 공정(100)의 104와 관련하여 앞에서 기술된 바와 같이, 목재(802)로부터 리그닌을 부분적으로 제거하기 위해, 천연 목재(802)를 화학 용액(804) 내에 침지시키는 것일 수 있다. 화학 용액(804) 및 그 안에 침지된 목재(802)는 하우징(808) 내에 함유될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하우징(808)은 진공 하우징일 수 있고, 침지 동안 진공 하에서 용액(804) 및 목재(802)를 유지할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하우징(808) 또는 그 내부의 다른 구성요소는 용액(804)을 실온보다 높게 가열할 수 있다. 예를 들어, 용액(804)은 화학적 처리(800) 동안 비등하도록 가열될 수 있다.
처리(800) 후에, 화학적으로 처리된 목재(816)는, 예를 들어 공정(100)의 110과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 연장 방향(806)과 실질적으로 직교하거나 적어도 교차하는 방향으로 압착하기 위해 하우징(808)으로부터 압축 스테이션(810)으로 이송될 수 있다. 예를 들어, 압축 스테이션(810)은 상부 압반(upper platen)(814) 및 하부 압반(818)을 포함할 수 있다. 압반들(814, 818) 사이의 상대 운동은 화학적으로 처리된 목재(816)의 목적하는 압축을 발생시켜 치밀화된 목재를 생성한다. 예를 들어, 상부 압반(814)은, 목재(816)에 압축력(812)을 부여하기 위해, 정지 상태를 유지하면서 그 위에 목재(816)를 지지하는 하부 압반(818)을 향해, 이동할 수 있다. 대안적으로, 압반들(814 및 818)은 압축력(812)을 부여하기 위해 서로를 향해 이동할 수 있다.
일부 구현예에서, 압축 동안, 압반들(814, 818) 중 하나 또는 둘 다는, 목재(816)의 온도를 실온보다 높게 상승시키기 위해, 가열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 압반(814, 818)은 가열되지 않을 수 있지만, 목재(816)의 온도를 상승시키기 위해, 별도의 가열 메커니즘이 제공될 수 있거나, 또는 압축 스테이션을 포함하는 환경이 가열될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 천연 목재(832)로부터 치밀화된 목재 구조체를 형성하기 위한 다른 예시적인 제조 공정이 도시되어 있다. 천연 목재(832)는 통나무 또는 실린더형 막대의 형태일 수 있고, 루멘들은 페이지에 수직인 방향으로 연장한다. 제1 단계(820)는, 후속 가공을 위해 천연 목재의 얇은 연속 층(836)을 분리하기 위해, 예를 들어, 회전 선반(834)을 사용하여, 천연 목재(832)를 절단하는 것일 수 있다. 천연 목재 층(836)은, 목재(802)로부터 리그닌을 부분적으로 제거하기 위해, 예를 들어, 공정(100)의 104와 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이, 제조 공정의 다음 단계(830)(예를 들어, 목재를 화학 용액(804) 내에 침지)를 향하여 하우징(838)으로 이송될 수 있다. 하우징(808)과 유사하게, 하우징(838)은 침지 동안 진공 및/또는 열을 가하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 하우징(838)의 크기, 및 층(836)이 천연 목재(832)로부터 하우징(838)을 통과하는 이송 속도는 화학적 처리를 위한 목적하는 침지 시간에 상응할 수 있다. 따라서, 층(836)의 일부가 하우징(838)에 들어갈 때부터 압축 스테이션(840)을 위해 하우징(838)을 떠날 때까지의 시간은 목적하는 양의 리그닌 제거를 위한 침지 시간에 해당할 것이다.
처리(830) 후, 화학적으로 처리된 목재(848)는, 예를 들어, 공정(100)의 110과 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이, 연장 방향과 실질적으로 수직이거나 적어도 교차하는 방향으로 압착하기 위해, 하우징(838)으로부터 압축 스테이션(840)으로 이송될 수 있다. 예를 들어, 압축 스테이션(840)은, 서로 고정된 거리로 유지될 수 있는 상부 롤러(844) 및 하부 롤러(846)를 포함할 수 있다. 고정된 거리는 화학적으로 처리된 목재(848)의 두께보다 작을 수 있으며, 이에 의해 치밀화된 목재를 발생시키는 압착력(842)을 인가한다.
일부 구현예에서, 압축 동안, 롤러들(844, 846) 중 하나 또는 둘 다는 목재(848)의 온도를 실온보다 높게 상승시키기 위해 가열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 롤러(844, 846)는 가열되지 않을 수 있지만, 목재(848)의 온도를 상승시키기 위해, 별도의 가열 메커니즘이 제공될 수 있거나, 또는 압축 스테이션(840)을 포함하는 환경이 가열될 수 있다.
2개의 롤러(844, 846)만이 도 8b에 도시되어 있지만, 다수의 롤러가 시트(848)의 이송 방향을 따라 직렬로 배치될 수 있다. 시트(848)는, 목적하는 누적 압축 시간(예를 들어, 몇 분 또는 몇 시간 정도)을 제공하기 위해, 인접한 롤러들 사이에서 이송될 때 압력하에서 유지될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 롤러(844, 846)의 크기, 및 시트(848)의 이송 속도는 목적하는 압축 시간에 상응할 수 있다. 따라서, 시트(848)가 먼저 압축될 때부터 시트(848)가 치밀화된 목재(850)로서 압축 스테이션(840)을 빠져나올 때까지의 시간은 목적하는 압착 시간에 해당할 것이다. 물론, 화학적 처리(838) 이전 또는 이후에, 예를 들어 시트(836)를 절단함으로써, 압축 스테이션(840)을 화학적 처리(838)로부터 분리(decouple)할 수도 있다. 이러한 구성에서, 압축 스테이션은, 도 8b에 도시된 바와 같은 롤러 형태 또는 도 8a에 도시된 바와 같은 평평한 압반 형태를 취할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 천연 목재(862)로부터 치밀화된 목재 구조체를 형성하기 위한 예시적인 제조 공정이 도시되어 있다. 천연 목재(862)는, 방향(864)을 따라 연장하는 루멘들을 갖는 중공 실린더 형태일 수 있다. 제조 공정의 제1 단계(860)는, 목재(862)로부터 리그닌을 부분적으로 제거하기 위해, 예를 들어, 공정(100)의 104와 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이, 천연 목재(862)를 화학 용액(804) 내에 침지시키는 것일 수 있다. 화학 용액(804) 및 그 안에 침지된 목재(862)는 하우징(866) 내에 함유될 수 있으며, 하우징(866)은, 도 8a의 하우징(808)과 유사하게, 침지 동안 진공 및/또는 열을 가하도록 구성될 수 있다.
처리(860) 후에, 화학적으로 처리된 목재 실린더(868)는, 예를 들어, 공정(100)의 110과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 연장 방향(864)(이는 도 8c의 870에서 페이지의 평면에 수직임)과 실질적으로 수직이거나 또는 적어도 교차하는 방향으로 압착하기 위해, 하우징(866)으로부터 압축 스테이션(870)으로 이송될 수 있다. 예를 들어, 압축 스테이션(870)은 실린더(868)의 외부에 배치된 상부 롤러(872) 및 실린더(868)의 내부에 배치된 하부 롤러(874)를 포함할 수 있다. 롤러들(872, 874)은 실린더(868)의 벽이 통과할 때 서로 고정된 거리로 유지될 수 있다. 이 고정된 거리는 화학적으로 처리된 목재(868)의 벽 두께보다 작을 수 있으며, 이에 따라, 치밀화된 목재의 중공 실린더를 발생시키는 압착력(876)을 인가한다.
일부 구현예에서, 압축 동안, 롤러들(872, 874) 중 하나 또는 둘 다는 목재(868)의 온도를 실온보다 높게 상승시키기 위해 가열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 롤러(872, 874)는 가열되지 않을 수 있지만, 목재(868)의 온도를 상승시키기 위해, 별도의 가열 메커니즘이 제공될 수 있거나, 또는 압축 스테이션(870)을 포함하는 환경이 가열될 수 있다.
도 8c에는 2개의 롤러(872, 874)만이 도시되어 있지만, 실린더(868)의 원주 둘레에 다수의 롤러가 직렬로 배치될 수 있다. 실린더(868)의 벽은, 원하는 누적 압축 시간을 제공하기 위해(예를 들어, 몇 분 또는 몇 시간 정도), 인접한 롤러들 사이에서 이송될 때 압력하에서 유지될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 롤러(872, 874)의 크기, 및 실린더(868)의 회전 속도는 목적하는 압축 시간에 상응할 수 있다.
도 8d를 참조하면, 천연 목재(882)로부터 치밀화된 목재 구조체를 형성하기 위한 예시적인 제조 공정이 도시되어 있다. 천연 목재(882)는, 방향(884)을 따라 연장하는 루멘들을 갖는 중실 실린더 형태일 수 있다. 제조 공정에서 제1 단계(880)는, 예를 들어, 공정(100)의 104에 대해 앞에서 설명된 바와 같이, 목재(882)로부터 리그닌을 부분적으로 제거하기 위해, 천연 목재(882)를 화학 용액(804) 내에 침지시키는 것일 수 있다. 화학 용액(804) 및 그 안에 침지된 목재(882)는 하우징(866) 내에 포함될 수 있으며, 하우징(866)은, 도 8a의 하우징(808)과 유사하게, 침지 동안 진공 및/또는 열을 가하도록 구성될 수 있다.
처리(880) 후에, 화학적으로 처리된 목재 실린더(886)는, 예를 들어, 공정(100)의 110과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 연장 방향(884)(이는, 도 8d에서, 890에서 페이지의 평면에 수직임)과 실질적으로 수직이거나 또는 적어도 교차하는 방향으로 압착하기 위해, 하우징(866)으로부터 압축 스테이션(890)으로 이송될 수 있다. 예를 들어, 압축 스테이션(890)은 실린더(886)의 외부에 배치된 단일 롤러(888)를 포함할 수 있으며, 이 롤러는 중심축 주위에서 지지 및 회전 가능하다. 롤러(888)는 회전할 때 실린더(886)의 벽 내로 압착되는 고정된 거리로 유지될 수 있으며, 이에 의해, 치밀화된 목재의 중실 실린더를 발생시키는 압착력(892)을 인가한다.
일부 구현예에서, 압축 동안, 롤러(888)는 목재(886)의 온도를 실온보다 높게 상승시키기 위해 가열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 롤러(888)는 가열되지 않을 수 있지만, 목재(886)의 온도를 상승시키기 위해, 별도의 가열 메커니즘이 제공될 수 있거나, 또는 압축 스테이션(890)을 포함하는 환경이 가열될 수 있다.
단일 롤러(888)만이 도 8d에 도시되어 있지만, 다수의 롤러가 실린더(886)의 원주 둘레에 직렬로 배치될 수 있다. 실린더(886)는, 목적하는 누적 압축 시간(예를 들어, 몇 분 또는 몇 시간 정도)을 제공하기 위해, 인접한 롤러들 사이에서 이송될 때 압력하에서 유지될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 롤러(888)의 크기 및 실린더(886)의 회전 속도는 원하는 압축 시간에 상응할 수 있다. 또 다른 대안에서, 실린더(886)는, 롤러(888)를 갖는 압축 스테이션(890) 대신에, 도 8e에 도시된 바와 같이 압축 스테이션(955)의 압축 벨트(894)에 의해 압착될 수 있다. 이러한 구성에서, 실린더(886)는 회전되기보다는 정적으로 유지될 수 있다.
특정 목재 형상 및 제조 기술이 도 8a 내지 도 8e에 도시되었지만, 하나 이상의 고려되는 구현예들에 따라 다른 형상들(중실이든 중공이든) 및 제조 기술들도 가능하다. 따라서, 목재 형상 및 제조 기술은 구체적으로 예시된 것들로 제한되지 않는다. 또한, 헹굼 스테이션, 압착전 개질, 및 압착후 개질은 도 8a 내지 도 8e에 도시되지 않았지만, 이들 기술은 개시된 주제의 하나 이상의 구현예에 따른 헹굼, 압착전 개질 및/또는 압착후 개질을 포함하도록 쉽게 변형될 수 있다.
화학적 처리된 목재의 조각이 치밀화된 목재를 형성하기 위해 압착된 후, 예를 들어, 공정(100)의 114와 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이, 최종 용도를 위해 준비하기 위해, 화학적 처리된 목재의 조각은 추가 가공(즉, 기계가공 또는 변형)을 거칠 수 있다. 예를 들어, 치밀화된 목재(902)는 도 9a에 도시된 바와 같이 굽힘 설비(bending setup)(900)에 설치될 수 있다. 치밀화된 목재(902)는, 굽힘 툴(904)(예를 들어, 실린더 막대)이 그 상부 표면에 압착되는 동안, 지지체(906) 상에 놓일 수 있다. 일정 기간 동안 굽힘 툴(904)을 통해 압력을 유지하는 것은, 목적하는 곡선형 프로파일(908)을 치밀화된 목재(902), 예를 들어, 도 9b의 곡선형 치밀화된 목재(910) 또는 도 9c의 곡선형 치밀화된 목재(912)에 유도할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 치밀화된 목재는 통상적인 기계가공 기술을 거칠 수 있다. 예를 들어, 도 9d는 기계가공 설비(920)를 도시하는데, 여기서, 드릴 비트(924)를 갖는 프레스(922)가, 도 9e에 도시된 바와 같이, 치밀화된 목재(926)의 조각에 관통구멍(928)을 생성하는데 사용된다. 하나 이상의 고려되는 구현예에 따라 다른 유형의 압착후 개질 및/또는 기계가공도 가능하다.
개시된 주제의 구현예들에서, 화학적 처리 및 압착은 천연 목재의 셀룰로오스 나노섬유들의 정렬을 보존하여, 치밀화된 목재의 이방성 기계적 특성(anisotropic mechanical properties)을 발생시킨다. 예를 들어, 섬유 정렬 방향에 수직인 방향으로 치밀화된 목재의 인장 시험은 45.1 MPa의 인장 강도를 산출하는데, 이 값은 섬유 정렬 방향을 따른 강도보다 훨씬 낮지만, 천연 목재의 측방향의 강도(예를 들어, 5.7 MPa)보다는 여전히 현저하게 더 높다. 이방성을 감소시키기 위해 (또는, 다른 방식으로 기계적 특성을 향상시키기 위해), 치밀화된 목재의 조각들은 적층 구조체로 함께 결합될 수 있다.
도 10a를 참조하면, 치밀화된 목재의 적층 구조체를 형성하고 사용하기 위한 일반화된 공정(1000)이 도시되어 있다. 도 1의 공정(100)과 유사하게, 공정(1000)은 절단(102), 충분한 리그닌(106)을 제거하기 위한 화학적 처리(104), 및 처리된 목재의 후속 압착(110)을 포함할 수 있다. 이러한 초기 공정은 1002에서 반복되어 치밀화된 목재의 다수의 개별적인 조각들을 생성한다.
충분한 개수의 치밀화된 목재 조각들이 제조된 후, 공정(1000)은 1004로 진행될 수 있으며, 여기서, 치밀화된 목재 조각들은 선택적으로(optionally) 표면 준비(surface preparation)를 거친다. 일부 구현예에서, 치밀화된 목재의 조각들은 접착제 또는 에폭시를 사용하여 함께 결합된다. 이러한 구현예에서, 준비(1004)는 치밀화된 목재 조각들의 대향 표면들에 접착제 또는 에폭시를 도포하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 구현예들에서, 치밀화된 목재 조들의 대향 표면들 사이의 최종 수소결합은 이들을 함께 보유하기에 충분할 수 있고, 이 경우, 준비(1004)는 생략될 수 있다.
공정(1000)은 치밀화된 목재 조각들이 결합을 준비하기 위해 배열되는 1006으로 진행될 수 있다. 치밀화된 목재 조각들 각각은, 압착 전에 그것의 루멘들이 연장하는 방향에 상응하는 각각의 배향을 가질 수 있다. 따라서, 정렬(1006)은, 목재 조각들 중 적어도 일부의 조각들이 서로에 대해 다른 배향을 갖도록, 치밀화된 목재 조각들을 배열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 11a는 제1 배향(1103)을 갖는 치밀화된 목재의 제1 조각(1102) 및 제2 배향(1105)을 갖는 치밀화된 목재의 제2 조각(1104)을 갖는 적층체용 세트(1100)를 보여준다. 제1 조각(1102) 및 제2 조각(1104)은, 도 11b에 도시된 바와 같이, 조각들이 적층 구조체(1106)로서 결합되면 제1 배향(1103)이 제2 배향(1105)과 직교하도록, 배열될 수 있다.
2개의 수직 목재 섬유 방향들을 따른 도 11b의 치밀화된 목재 적층체의 인장 강도들은 실질적으로 동일할 수 있으며(예를 들어, 각각 221.6 ± 20 MPa 및 225.6 ± 18 MPa), 치밀화된 목재(예를 들어, 43.3 ± 2 MPa) 또는 천연 목재(예를 들어, 5.1 ± 0.4 MPa)의 단일 조각의 T-방향 강도(즉, 목재 섬유 방향에 수직인 방향으로의)보다 현저히 더 높을 수 있다.
다른 구현예들에서, 치밀화된 목재의 결합된 조각들의 배향들은 서로에 대해 비직교 각도에 있다. 예를 들어, 도 11d는 적층체를 위한 다른 세트(1110)를 보여주는데, 여기서, 치밀화된 목재의 제1 조각(1112)은 도 11a의 그것과 다른 제1 배향(1113)을 갖는다. 특히, 제1 조각(1112)이 제2 조각(1104)에 결합될 때, 도 11e에 도시된 바와 같이, 제1 조각의 배향(1113)의 방향은 평면도에서 제2 조각의 배향(1105)의 방향과 교차한다.
다수의 세트들(1100)이, 도 11c에 도시된 바와 같이, 함께 결합되어 다층 적층 구조체(1106)를 형성할 수 있으며, 이때, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 인접 조각에 대하여 90° 회전된 배향을 갖는다. 유사하게, 다수의 세트들(1110)은, 도 11f에 도시된 바와 같이, 함께 결합되어 다층(1116, 1118) 적층 구조체를 형성할 수 있으며, 이때, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 인접한 조각과 다른 방향을 가지며, 및/또는, 각각의 층은 인접한 층들과 다른 복합 배향을 갖는다.
적층 구조체를 위한 특정 개수의 치밀화된 목재 조각들이 도 11a 내지 도 11f에 도시되어 있지만, 하나 이상의 고려된 구현예들에 따라 다른 개수의 치밀화된 목재 조각들도 가능하다. 또한, 직사각형 형상이 도 11a 내지 도 11f에 도시되어 있지만, 하나 이상의 고려된 구현예들에 따라 다른 형상 또한 가능하다. 또한, 하나 이상의 고려된 구현예들에 따라 도 11a 내지 도 11f에 도시된 것 이외의 다른 배향 및 정렬 또한 가능하다. 일부 구현예에서, 인접한 목재 조각들의 방향들은 예를 들어 이방성을 향상시키기 위해, 정렬될 수 있다.
도 10a로 돌아가서, 정렬(1006) 후에, 공정(1000)은 1008로 진행할 수 있으며, 여기서, 정렬된 치밀화된 목재 조각들은, 예를 들어 접착제/에폭시 또는 수소결합에 의해, 함께 결합된다. 수소결합이 사용되는 구현예들에서, 결합(1008)은, 치밀화된 목재 조각들을 형성하기 위해 사용되는 압착과 유사하게, 정렬된 조각들을 고압 하에서 함께 압착하는 단계를 포함할 수 있다. 적층 구조체를 형성하기 위한 결합 후에, 공정(1000)은 1010으로 진행될 수 있으며, 여기서, 적층체는(예를 들어, 공정(100)의 114와 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이) 사용을 위해 적합화되거나, 및/또는, (예를 들어, 공정(100)의 116과 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이) 사용된다.
도 10a는, 결합(joining) 전에, 치밀화된 목재의 조각들을 형성하지만, 개시된 주제의 구현예들은 이에 제한되지 않는다. 오히려, 다른 구현예들에서는, 목재 조각들의 접합은 목재 조각들을 치밀화하는 압착과 조합될 수 있다. 도 10b는 이러한 공정(1050)을 보여준다. 도 1의 공정(100)과 유사하게, 공정(1050)은 절단(102), 및 충분한 리그닌(106)을 제거하기 위한 화학적 처리(104), 및 처리된 목재의 후속 압착(110)을 포함할 수 있다. 이러한 초기 공정들은 1052에서 반복되어 화학적으로 처리된 목재의 다수의 개별적 조각들을 생성한다.
충분한 개수의 화학적으로 처리된 목재 조각들이 제조되면, 공정(1050)은 1054로 진행할 수 있으며, 여기서, 화학적으로 처리된 목재 조각들은 결합(joining)을 준비하기 위해 배열된다. 화학적으로 처리된 목재 조각들 각각은 각각의 배향을 가질 수 있으며, 이는 루멘들이 연장하는 방향에 해당한다. 따라서, 정렬(1054)은, 도 10a 및 도 11a 내지 도 11f와 관련하여 앞에서 달리 설명된 바와 같이, 목재 조각들 중 적어도 일부의 조각들이 서로에 대해 다른 배향을 갖도록 화학적으로 처리된 목재 조각들을 배열하는 단계를 포함할 수 있다.
정렬(1054) 후에, 공정(1050)은, 정렬된 화학적으로 처리된 목재 조각들이 함께 압착되는 1056으로 진행될 수 있다. 압착(1056)은, 각각의 목재 조각을 압축(즉, 치밀화된 목재 조각들을 생성)하고 목재 조각들의 대향 표면들 사이에 수소결합을 형성하는 데 효과적이다. 따라서, 압착(1056)은 목재 조각의 치밀화 및 결합을 동시에 생성하여 적층 구조체를 형성한다. 1058에서 절단, 화학적 처리, 정렬, 및 압착을 반복함으로써 추가 층들을 적층체에 부가할 수 있다. 그렇지 않으면, 공정(1050)은 1060으로 진행할 수 있고, 여기서, 적층체는, 공정(1000)과 유사하게, 사용을 위해 적합화되거나, 및/또는, 사용된다.
헹굼, 압착전 개질, 및 압착후 개질은 도 10a 및 10b에 개별적으로 도시되지 않았지만, 이해될 수 있는 바와 같이, 이들 구현예는 또한, 도 1의 공정(100)과 유사하게, 헹굼, 압착전 개질, 및/또는 압착후 개질을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 적층 구조체는 다양한 섬유 배향들을 갖는 다수의 목재 칩들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 12a는 개별 목재 칩들(1202)으로부터 치밀화된 목재의 적층체를 형성하기 위한 예시적인 제조 공정의 측면들을 보여준다. 개별 목재 칩들(1202)은 개별 배향들(1204)을 가질 수 있으며, 이들은 루멘들 연장 및/또는 그 안의 섬유 정렬의 방향에 상응한다. 앞에서 설명된 공정(100)과 유사하게, 목재 칩들(1202)은 그로부터 리그닌을 부분적으로 제거하기 위한 화학적 처리를 거칠 수 있고, 이어서 1206을 통해 다층 구조체로 조립될 수 있다. 화학적으로 개질된 목재 칩들의 조립은, 예를 들어 배향들이 도 11a 및 11b에서와 같이 직교하거나, 도 11d 및 11e에서와 같이 교차하거나, 또는 달리 정렬되도록, 칩들(1202)의 배향들(1204)을 고려할 수 있다. 대안적으로, 배향들(1204)은 다층 배열 내에서 무작위일 수 있다. 이어서 다층 구조체는 1210에서 압착되어 치밀화된 목재 칩들의 다층 적층체(1212)를 형성할 수 있다. 인접한 치밀화된 목재 칩들은 압착(1210) 동안 형성된 수소결합에 의해 함께 유지될 수 있다.
일부 구현예에서, 적층 구조체는 다양한 섬유 배향들을 갖는 목재 시트들 및 다수의 목재 칩들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 12b는, 개별 목재 칩들(1202)으로부터 및 한 쌍의 목재 시트들(1220, 1224)에서 치밀화된 목재의 적층체를 형성하기 위한 예시적인 제조 공정의 측면들을 보여준다. 개별 목재 칩들(1202)은 개별 배향들(1204)을 가질 수 있으며, 이들은 루멘들 연장 및/또는 그 안의 섬유 정렬의 방향에 상응한다. 유사하게, 목재 시트들(1220, 1224)은, 루멘들 연장 및/또는 그 안에서 섬유 정렬의 방향에 상응하는 개별 배향들(1222, 1226)을 가질 수 있다.
앞에서 설명된 공정(100)과 유사하게, 목재 시트들(1220, 1224) 및 목재 칩들(1202)은 이들로부터 리그닌을 부분적으로 제거하기 위한 화학적 처리를 거친 후 1228을 통해 다층 구조체로 조립될 수 있으며, 이때, 목재 칩들(1202)은 시트들(1220, 1224) 사이에 배열된다. 조립은 시트들(1220, 1224) 및 칩들(1202)의 배향들을 고려할 수 있다. 예를 들어, 배열(1228)은, 적어도 칩들(1202)의 배향들(1204)이 도 11a 및 도 11b에서와 같이 직교하거나, 도 11d 및 도 11e에서와 같이 교차하거나, 또는 다르게 정렬되도록, 구성될 수 있다. 대안적으로, 적어도 칩들(1202)의 배향들(1204)은 다층 배열 내에서 무작위일 수 있다. 다른 예에서, 배열(1228)은, 적어도 시트들의 배향들(1222, 1226)이 도 11a 및 도 11b에서와 같이 직교하거나, 도 11d 및 도 11e에서와 같이 교차하거나, 또는 다르게 정렬되도록, 구성될 수 있다. 이러한 예에서, 목재 칩들(1202)의 배향들(1204)은 시트들(1220, 1224) 중 적어도 하나의 시트의 배향들에 따라 또는 시트 배향과 무관하게 정렬될 수 있다. 예를 들어, 배향들(1220, 1224)은 서로 직교할 수 있는 반면, 칩들(1202)의 배향들(1204)은 실질적으로 무작위일 수 있다.
그 다음, 다층 구조체(1230)는 1232에서 압착되어, 치밀화된 목재의 다층 적층체(1234)를 형성할 수 있다. 치밀화된 목재의 인접한 조각들은 압착(1322) 동안 형성된 수소결합에 의해 함께 유지될 수 있다. 목재 시트들(1220 및 1224) 사이에 목재 칩들(1202)의 3개의 층들이 도시되어 있지만, 목재 칩들의 더 적은 또는 추가의 층들을, 예를 들어 목재 칩들이 단일 층 또는 3개 초과의 층들을, 제공하는 것도 가능하다. 또한, 개시된 주제의 구현예들은 도 12a 및 12b에 도시된 시트들 및 칩들의 특정 개수 및 배열로 제한되지 않는다. 예를 들어, 적층체(1234)는 다층 구조체의 층 유닛을 포함할 수 있으며, 여기서, 하나의 유닛(1234)의 치밀화된 시트(1224)는 상부에 있고, 인접한 유닛(1234)의 치밀화된 시트(1220)에 결합된다. 다른 예에서, 다층 적층 구조체는 목재 칩들(1202)의 개재 층들을 갖는 시트(1220)(또는, 시트(1224))의 반복 층들을 포함할 수 있다.
도 12a 및 도 12b의 공정은, 배향들의 무작위 또는 정렬된 배열로 인해, 이방성이 적은 연속 목재 구조체(예를 들어, 치밀화된 목재 보드(1212) 또는 치밀화된 목재 보드(1234))를 발생시킬 수 있다. 따라서, 서로 다른 크기들 및 방향들을 가질 수 있는 작은 목재 칩들은 더 큰 치밀화된 목재 제품으로 조합될 수 있다. 실제로, 이러한 적층 구조체는 다양한 용도 및/또는 다양한 크기로 사용하기 위해 쉽게 규모확장이 가능하다.
헹굼, 압착전 개질, 및 압착후 개질은 도 12a 및 12b에 개별적으로 도시되지 않았지만, 이해될 수 있는 바와 같이, 이들 구현예는 또한, 도 1의 공정(100)과 유사하게, 헹굼, 압착전 개질, 및/또는 압착후 개질을 포함할 수 있다. 적층 구조체를 위한 특정 개수의 치밀화된 목재 칩들 또는 시트들이 도 12a 및 12b에 도시되어 있지만, 하나 이상의 고려된 구현예에 따라 다른 개수의 치밀화된 목재 칩들 또는 시트들 또한 가능하다. 또한, 직사각형 형상이 도 12a 및 12b에 도시되어 있지만, 하나 이상의 고려되는 구현예에 따라 다른 형상 또한 가능하다. 실제로, 목재 칩들은 적층 구조체로 결합되기 전에 불규칙하거나 다양한 형상/크기를 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 고려된 구현예에 따라 도 12a 및 12b에 도시된 것 이외의 다른 배향 및 정렬 또한 가능하다. 일부 구현예에서, 인접한 조각들(목재 칩들(1202) 또는 시트들(1220, 1224))의 배향들은, 예를 들어 이방성을 향상시키기 위해, 정렬될 수 있다.
하나 이상의 제1 구현예들에 있어서, 구조체는, 셀룰로오스-기반 루멘들(cellulose-based lumina)의 구조를 실질적으로 보존하면서 그 내부의 리그닌을 부분적으로 제거하도록 화학적으로 처리되고, 추가적으로, 상기 루멘들이 적어도 부분적으로 붕괴되도록 상기 루멘들의 연장 방향과 수직인 제1 방향으로의 압착(pressing)을 거친 천연 식물 재료의 제1 조각(first piece)을 포함한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 식물 재료는 천연 목재이다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 천연 목재의 두께와 비교하여 적어도 10% 감소된 상기 제1 방향의 두께를 갖는다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 천연 목재의 두께와 비교하여 적어도 30% 감소된 상기 제1 방향의 두께를 갖는다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 천연 목재의 두께와 비교하여 적어도 60% 감소된 상기 제1 방향의 두께를 갖는다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 천연 목재의 두께와 비교하여 적어도 70% 감소된 상기 제1 방향의 두께를 갖는다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 천연 목재의 두께와 비교하여 적어도 80% 감소된 상기 제1 방향의 두께를 갖는다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 적어도 일부의 리그닌을 보유한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 식물 재료 내의 상기 리그닌의 1 wt% 내지 99 wt%는 화학적 처리에 의해 제거되었다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 식물 재료 내의 상기 리그닌의 5 wt% 내지 95 wt%는 화학적 처리에 의해 제거되었다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 식물 재료 내의 상기 리그닌의 23 wt% 내지 60 wt%는 화학적 처리에 의해 제거되었다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 화학적 처리 후 천연 식물 재료로부터 리그닌의 약 55 wt%를 보유한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각 내의 붕괴된 루멘들의 대향 부분들(facing portions)은 수소 결합에 의해 함께 유지된다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은, 상기 화학적 처리 전의 천연 식물 재료와 비교하여, 증가된 인장 강도, 굴곡 강도, 연성, 파괴 인성, 스크래치 경도, 경도 모듈러스, 충격 인성(impact stiffness), 압축 강도 및/또는 탄성 강성(elastic stiffness)을 갖는다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 인장 강도는 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 인장 강도보다 적어도 2 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 인장 강도는 화학적 처리 전에 상기 천연 식물 재료의 인장 강도보다 적어도 5 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 인장 강도는 적어도 350 MPa이다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 연성은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 연성과 동일하거나 또는 적어도 10 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 연성은 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 연성보다 적어도 50 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 파괴 인성은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 파괴 인성보다 적어도 2 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 파괴 인성은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 파괴 인성보다 적어도 5 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 탄성 강성은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 탄성 강성보다 적어도 5 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 탄성 강성은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 탄성 강성보다 적어도 10 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 스크래치 경도는 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 스크래치 경도보다 적어도 5 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 스크래치 경도는 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 스크래치 경도보다 적어도 10 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 충격 인성은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 충격 인성보다 적어도 2.5 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 충격 인성은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 충격 인성보다 적어도 5 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 경도 모듈러스는 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 경도 모듈러스보다 적어도 5 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 경도 모듈러스는 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 경도 모듈러스보다 적어도 10 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 연장 방향을 따른 상기 제1 조각의 굴곡 강도는 상기 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향을 따른 상기 천연 식물 재료의 굴곡 강도보다 적어도 5 배 더 크고, 상기 연장 방향에 수직인 상기 제1 조각의 굴곡 강도는 상기 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향에 수직인 상기 천연 식물 소재의 굴곡 강도보다 적어도 5 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 연장 방향을 따른 상기 제1 조각의 굴곡 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향을 따른 상기 천연 식물 재료의 굴곡 강도보다 1 배수(the first multiple) 만큼 더 크고, 상기 연장 방향에 수직인 상기 제1 조각의 굴곡 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향에 수직인 상기 천연 식물 재료의 굴곡 강도보다 2 배수(the second multiple) 만큼 더 크며, 상기 2 배수는 상기 1 배수보다 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 연장 방향을 따른 상기 제1 조각의 굴곡 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향을 따른 상기 천연 식물 재료의 굴곡 강도보다 적어도 5 배 더 크고, 상기 연장 방향에 수직인 상기 제1 조각의 굴곡 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향에 수직인 상기 천연 식물 재료의 굴곡 강도보다 적어도 10 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 연장 방향을 따른 상기 제1 조각의 압축 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향을 따른 상기 천연 식물 재료의 압축 강도보다 적어도 5 배 더 크고, 상기 연장 방향에 수직인 상기 제1 조각의 압축 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향에 수직인 상기 천연 식물 재료의 압축 강도보다 적어도 5 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 연장 방향을 따른 상기 제1 조각의 압축 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향을 따른 상기 천연 식물 재료의 압축 강도보다 1 배수(the first multiple) 만큼 더 크고, 상기 연장 방향에 수직인 상기 제1 조각의 압축 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향에 수직인 상기 천연 식물 재료의 압축 강도보다 2 배수(the second multiple) 만큼 더 크며, 상기 2 배수는 상기 1 배수보다 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 연장 방향을 따른 상기 제1 조각의 압축 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향을 따른 상기 천연 식물 재료의 압축 강도보다 적어도 5 배 더 크고, 상기 연장 방향에 수직인 상기 제1 조각의 압축 강도는 화학적 처리 전의, 상기 연장 방향에 수직인 상기 천연 식물 재료의 압축 강도보다 적어도 30 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료와 비교하여 증가된 밀도를 갖는다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 밀도는 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 밀도보다 적어도 1.5 배 더 크다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 밀도는 상기 화학적 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 밀도보다 적어도 2 배 더 크다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 300 MPa cm3/g보다 큰 비 인장 강도(specific tensile strength)를 갖는다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 약 450 MPa cm3/g의 비 인장 강도를 갖는다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 붕괴된 루멘들의 셀룰로오스 나노섬유들은 상기 연장 방향을 따라 실질적으로 정렬된다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 단면에서 상기 루멘들의 벽들 사이에 갭들이 실질적으로 없다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 식물 재료는 대나무 또는 천연 목재를 포함한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 목재는 경질목재 또는 연질목재를 포함한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 목재는, 참피나무, 참나무, 포플러, 물푸레나무, 알더, 아스펜, 발사나무, 너도밤나무, 자작나무, 벚나무, 버터넛, 밤나무, 코코볼로, 느릅나무, 히코리, 단풍나무, 참나무, 모과나무, 자두나무, 호두나무, 버드나무, 옐로우 포플라, 낙우송(bald cypress), 시더, 사이프러스, 더글러스 전나무, 전나무, 헴록, 낙엽송, 소나무, 레드우드, 가문비, 아메리카낙엽송, 향나무, 및 주목 중 적어도 하나를 포함한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 구조체는, 셀룰로오스-기반 루멘들(cellulose-based lumina)의 구조를 실질적으로 보존하면서 그 내부의 리그닌을 부분적으로 제거하도록 화학적으로 처리되고, 추가적으로, 상기 루멘들이 적어도 부분적으로 붕괴되도록 상기 루멘들의 연장 방향과 교차하는 방향으로의 압착을 거친, 천연 목재의 제2 조각을 더 포함한다. 상기 제1 조각 및 상기 제2 조각은 대향 표면을 따라 서로 결합되고, 상기 제1 피스의 상기 루멘들의 상기 연장 방향은, 예를 들어, 평면도에서, 상기 제2 조각의 상기 루멘들의 상기 연장 방향과 교차한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각의 상기 루멘들의 상기 연장 방향은 상기 제2 조각의 상기 루멘들의 상기 연장 방향과 직교한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각 및 상기 제2 조각은 그들의 대향 표면들 사이의 수소 결합에 의해 서로 결합된다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각 및 상기 제2 조각은 그들의 대향 표면 사이의 접착제 또는 에폭시에 의해 서로 결합된다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각 및 상기 제2 조각 각각은 평평한 시트, 블록, 스틱, 스트립, 중공 형상, 멤브레인, 200 ㎛ 미만의 두께를 갖는 박막, 목재 칩(wood chip), 또는 목재 플레이크(wood flake)로서 형성된다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 구조체는 다층 적층 구조체를 형성하기 위해 상기 제1 조각 및 상기 제2 조각과 함께 결합된 복수의 추가의 제1 조각 및 제2 조각을 더 포함한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 상기 붕괴된 루멘들 및/또는 상기 제1 조각의 외부 표면들 내에 포함된 비천연 입자를 포함한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 비천연 입자는 소수성 나노입자를 포함한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 나노입자는 SiO2 나노입자를 포함한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 비천연 입자는 상기 제1 조각이 소수성이 되도록 만든다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 적어도 90°의 정적 접촉각, 또는 10°보다 작은 동적 접촉각을 갖는다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 150°보다 큰 정적 접촉각 및 5°보다 작은 동적 접촉각을 갖는다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 소수성이 되도록 화학적으로 처리되었다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 소수성 화학적 처리는, 에폭시 수지, 실리콘 오일, 폴리우레탄, 파라핀 에멀젼, 아세트산 무수물, 옥타데실트리클로로실란(OTS), 1H, 1H, 2H, 2H-퍼플루오로데실트리에톡시실란, 불소수지, 폴리디메틸실록산(PDMS), 메타크릴옥시메틸트리메틸실란(MSi), 다면체 올리고머성 실세스퀴옥산(POSS), 포타슘 메틸 실리케이트(PMS), 도데실(트리메톡시) 실란(DTMS), 헥사메틸 디실록산, 디메틸 디에톡시 실란, 테트라에톡시실란, 메틸트리클로로실란, 에틸트리메톡시실란, 메틸 트리에톡시실란, 트리메틸클로로실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드(polyDADMAC), 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(MPS), 소수성 스테아르산, 양친매성 플루오르화 트리블록 아지드 코폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 플루오르화 실란, n-도데실트리메톡시실란, 및 소듐 라우릴 술페이트 중 적어도 하나를 포함한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 내후성 또는 내염수성을 갖도록 화학적으로 처리되었다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 내후성 또는 내염수성을 위한 상기 화학적 처리는, 큐프라메이트(CDDC), 암모니아성 구리 4차염(ammoniacal copper quaternary: ACQ), 크롬화 구리 아르세네이트(CCA), 암모니아성 구리 아연 아르세네이트(ACZA), 구리 나프테네이트, 산 구리 크로메이트, 구리 시트레이트, 구리 아졸, 구리 8-하이드록시퀴놀리네이트, 펜타클로로페놀, 아연 나프테네이트, 구리 나프테네이트, 크레오소트, 티타늄 디옥사이드, 프로피코나졸, 테부코나졸, 사이프로코나졸, 붕산, 붕사, 유기 이오다이드(IPBC), 및 Na2B8O13·4H2O 중 적어도 하나를 포함한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 구조체는 상기 제1 조각의 하나 이상의 외부 표면 상에 코팅을 더 포함한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 코팅은 유성 페인트, 소수성 페인트, 폴리머 코팅, 또는 내화성 코팅을 포함한다. 제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 내화성 코팅은, 보론 니트라이드, 몬모릴로나이트 점토, 하이드로탈사이트, 실리콘 디옥사이드(SiO2), 소듐 실리케이트, 칼슘 카보네이트(CaCO3), 알루미늄 하이드록사이드(Al(OH)3), 마그네슘 하이드록사이드(Mg(OH)2), 마그네슘 카보네이트(MgCO3), 알루미늄 술페이트, 철 술페이트, 아연 보레이트, 붕산, 붕사, 트리페닐 포스페이트(TPP), 멜라민, 폴리우레탄, 암모늄 폴리포스페이트, 포스페이트, 포스파이트 에스테르, 암모늄 포스페이트, 암모늄 술페이트, 포스포네이트, 디암모늄 포스페이트(DAP), 암모늄 디하이드로젠 포스페이트, 모노암모늄 포스페이트(MAP), 구아닐우레아 포스페이트(GUP), 구아니딘 디하이드로젠 포스페이트, 및 안티몬 펜톡사이드 중 적어도 하나를 포함한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각은 그 안에(예를 들어, 완전히 붕괴된 또는 부분적으로 붕괴된 루멘들 내에) 폴리머를 포함한다.
제1 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 조각 내의 상기 루멘들은 완전히 붕괴된다.
하나 이상의 제2 구현예에 있어서, 방법은 셀룰로오스-기반 루멘들의 구조를 실질적으로 보존하면서 그 내부의 리그닌을 부분적으로 제거하도록 화학 용액으로 천연 식물 재료의 조각을 처리하는 단계, 제1 방향으로 상기 루멘들을 연장하는 단계, 및 상기 처리 후, 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 제1 시간 동안 압착하여, 상기 루멘들이 적어도 부분적으로 붕괴되도록 하는 단계를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 식물 재료는 천연 목재이다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착은 20 ℃ 내지 120 ℃의 온도 및 0.5 MPa 내지 10 MPa의 압력에서 수행된다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착은 약 100 ℃의 온도 및 약 5 MPa의 압력에서 수행된다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 시간은 적어도 5 분이다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 시간은 적어도 1 시간이다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 시간은 적어도 12 시간이다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 시간은 적어도 24 시간이다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착은 화학적으로 처리된 식물 재료로부터 적어도 물을 제거하는데 효과적이다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착은 상기 처리 후에 임의의 중간 건조 단계 없이 수행된다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 화학 용액은 NaOH, Na2S, NaHSO3, SO2, H2O, Na2SO3, 안트라퀴논(AQ), Na2Sn(여기서, n은 정수임), CH3OH, C2H5OH, C4H9OH, HCOOH, NH3, p-TsOH, NH3-H2O, H2O2, NaClO, NaClO2, CH3COOH (아세트산), ClO2, 및 Cl2 중 적어도 하나를 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 화학 용액은 NaOH 및 Na2SO3의 혼합물을 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 화학 용액은 2.5M의 NaOH 및 0.4M의 Na2SO3를 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 화학 용액은 비등한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은, 상기 압착 전 및 상기 처리 후에, 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각을 용매에 침지시켜, 상기 조각 내의 상기 화학 용액의 잔류물을 제거하는 단계를 더 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 용매는 비등하는 탈이온수(DI)를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 처리는 천연 식물 재료의 상기 조각을 적어도 30 분 동안 상기 화학 용액에 침지시키는 단계를 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 처리는 천연 식물 재료의 상기 조각을 적어도 1 시간 동안 상기 화학 용액에 침지시키는 단계를 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 천연 식물 재료의 상기 조각은 0.1 시간 내지 72 시간 동안 상기 화학 용액에 침지된다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 처리는 진공 하에서 수행되어, 상기 화학 용액이 천연 식물 재료의 상기 조각의 상기 루멘들 내로 침투하도록 한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 적어도 일부가 상기 처리 후에 상기 조각에 의해 유지된다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 리그닌의 1 wt% 내지 99 wt%는 상기 처리에 의해 상기 조각으로부터 제거되었다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 리그닌의 5 wt% 내지 95 wt%는 상기 처리에 의해 상기 조각으로부터 제거되었다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착 후, 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각 내의 상기 루멘들은 완전히 붕괴된다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은, 상기 압착 전에, 폴리머를 상기 루멘들 내로 도입하는 단계를 더 포함하고, 상기 압착 후에 상기 폴리머는 상기 식물 재료 내에(예를 들어, 상기 부분적으로 또는 완전히 붕괴된 루멘들 내에) 배치된다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은, 상기 압착 후에, 상기 조각의 하나 이상의 외부 표면을 코팅하는 단계를 더 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 코팅은 유성 페인트, 소수성 페인트, 폴리머 코팅, 또는 내화성 코팅을 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 내화성 코팅은, 보론 니트라이드, 몬모릴로나이트 점토, 하이드로탈사이트, 실리콘 디옥사이드(SiO2), 소듐 실리케이트, 칼슘 카보네이트(CaCO3), 알루미늄 하이드록사이드(Al(OH)3), 마그네슘 하이드록사이드(Mg(OH)2), 마그네슘 카보네이트(MgCO3), 알루미늄 술페이트, 철 술페이트, 아연 보레이트, 붕산, 붕사, 트리페닐 포스페이트(TPP), 멜라민, 폴리우레탄, 암모늄 폴리포스페이트, 포스페이트, 포스파이트 에스테르, 암모늄 포스페이트, 암모늄 술페이트, 포스포네이트, 디암모늄 포스페이트(DAP), 암모늄 디하이드로젠 포스페이트, 모노암모늄 포스페이트(MAP), 구아닐우레아 포스페이트(GUP), 구아니딘 디하이드로젠 포스페이트, 및 안티몬 펜톡사이드 중 적어도 하나를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은, 상기 압착 전에, 복수의 비천연 입자를 상기 루멘들의 내부 표면들 상에 침착시키는 단계를 더 포함하고, 상기 압착 후에 상기 비천연 입자는 상기 붕괴된 루멘들 내로 혼입된다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 비천연 입자는 소수성 나노입자를 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 나노입자는 SiO2 나노입자를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 비천연 입자는 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각을 소수성이 되도록 만든다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착 후에, 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각은 적어도 90°의 정적 접촉각 또는 10°보다 작은 동적 접촉각을 갖는다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착 후에, 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각은 적어도 150°보다 큰 정적 접촉각 및 5°보다 작은 동적 접촉각을 갖는다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은, 상기 처리 후에, 상기 화학적으로 처리된 식물 재료를 추가의 화학적 처리하는 거치도록 하여, 상기 식물 재료를 소수성으로 만드는 단계를 더 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 소수성으로 만드는 상기 처리 단계는 단계(b) 전에 발생할 수 있다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 소수성 화학적 처리는, 에폭시 수지, 실리콘 오일, 폴리우레탄, 파라핀 에멀젼, 아세트산 무수물, 옥타데실트리클로로실란(OTS), 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실트리에톡시실란, 불소수지, 폴리디메틸실록산(PDMS), 메타크릴옥시메틸트리메틸실란(MSi), 다면체 올리고머성 실세스퀴옥산(POSS), 포타슘 메틸 실리코네이트(PMS), 도데실(트리메톡시) 실란(DTMS), 헥사메틸디실록산, 디메틸 디에톡시 실란, 테트라에톡시실란, 메틸트리클로로실란, 에틸트리메톡시실란, 메틸 트리에톡시실란, 트리메틸클로로실란, 페닐트리메톡시실란, 페닐트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드(polyDADMAC), 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(MPS), 소수성 스테아르산, 양친매성 플루오르화 트리블록 아지드 코폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 플루오르화 실란, n-도데실트리메톡시실란, 및 소듐 라우릴 술페이트 중 적어도 하나를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 리그닌을 부분적으로 제거하는 상기 처리 단계 후에, 상기 화학적으로 처리된 목재가 추가의 화학적 처리를 거치도록 하여, 내후성 또는 내염수성을 향상시키는 단계를 더 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 내후성 또는 내염수성을 위한 상기 화학적 처리는, 큐프라메이트(CDDC), 암모니아성 구리 4차염(ammoniacal copper quaternary: ACQ), 크롬화 구리 아르세네이트(CCA), 암모니아성 구리 아연 아르세네이트(ACZA), 구리 나프테네이트, 산 구리 크로메이트, 구리 시트레이트, 구리 아졸, 구리 8-하이드록시퀴놀리네이트, 펜타클로로페놀, 아연 나프테네이트, 구리 나프테네이트, 크레오소트, 티타늄 디옥사이드, 프로피코나졸, 테부코나졸, 사이프로코나졸, 붕산, 붕사, 유기 이오다이드(IPBC), 및 Na2B8O13·4H2O 중 적어도 하나를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 붕괴된 루멘들의 셀룰로오스 나노섬유는 상기 제1 방향을 따라 실질적으로 정렬된다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착 후, 상기 조각의 단면에서 상기 루멘들의 벽들 사이에 갭들이 실질적으로 없다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 식물 재료는 대나무 또는 천연 목재를 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 목재는 경질목재 또는 연질목재를 포함한다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 천연 목재는, 참피나무, 참나무, 포플러, 물푸레나무, 알더, 아스펜, 발사나무, 너도밤나무, 자작나무, 벚나무, 버터넛, 밤나무, 코코볼로, 느릅나무, 히코리, 단풍나무, 참나무, 모과나무, 자두나무, 호두나무, 버드나무, 옐로우 포플라, 낙우송(bald cypress), 시더, 사이프러스, 더글러스 전나무, 전나무, 헴록, 낙엽송, 소나무, 레드우드, 가문비, 아메리카낙엽송, 향나무, 및 주목 중 적어도 하나를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착 후에, 상기 조각의 인장 강도, 굴곡 강도, 연성, 파괴 인성, 스크래치 경도, 경도 모듈러스, 충격 인성, 압축 강도, 및 탄성 강성 중 적어도 하나는 상기 처리 전의 상기 천연 목재와 비교하여 증가된다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착 후에, 상기 조각은 상기 처리 전의 상기 천연 목재의 밀도보다 적어도 2 배 더 큰 밀도, 및 상기 처리 전의 상기 천연 식물 재료의 제2 방향의 두께와 비교하여 적어도 60% 감소된 상기 제2 방향의 두께를 갖는다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착 후의 상기 조각의 상기 두께는 상기 천연 목재의 두께와 비교하여 적어도 70% 감소된다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 압착은 상기 붕괴된 루멘들의 대향 부분들 사이에 수소 결합을 형성하는 것을 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 조각은 평평한 시트, 블록, 스틱, 스트립, 멤브레인, 박막, 중공 형상, 목재 칩, 또는 목재 플레이크로서 형성된다. 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 박막은 200 ㎛ 이하의 두께를 갖는다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은 리그닌을 제거하기 위한 상기 처리 및 천연 식물 재료의 하나 이상의 추가 조각들의 상기 압착을 반복하는 단계, 및 상기 결과적으로 생성된, 화학적으로 처리된 압착된 식물 재료의 조각들을 함께 결합하는 단계를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 화학적으로 처리되고 압착된 식물 재료의 상기 결합된 조각들 중 적어도 일부의 조각들의 각각의 제1 방향들은 서로 교차한다(예를 들어, 평면도에서). 제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 교차하는 제1 방향들은 서로 직교한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 결합은 화학적으로 처리되고 압착된 식물 재료의 상기 조각들을 함께 압착하여 대향 표면들이 수소 결합되도록 하는 단계를 더 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 각각의 처리 후에, 리그닌을 부분적으로 제거하기 위해, 상기 화학적으로 처리된 조각을 다른 화학적으로 처리된 조각과 접촉하도록 배열하는 단계를 포함한다. 상기 압착은, 상기 배열된 조각들이 함께 상기 결합을 일으키도록, 상기 배열된 조각들에 대해 동시에 수행될 수 있다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 결합은 화학적 처리된 식물 재료의 상기 조각들의 대향 표면들에 접착제 또는 에폭시를 도포하는 단계를 포함한다.
제2 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 상기 방법은, 압착 후에, 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각을 기계가공(machining)하거나, 또는 화학적으로 처리된 식물 재료의 상기 조각을 목적하는 형상 또는 구성으로 형성하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 제3 구현예에서, 구조체는 치밀화된 목재의 조각을 포함하며, 그 안의 루멘들이 완전히 붕괴되어, 단면에서의 상기 루멘들의 셀 벽들 사이에 갭이 없다.
제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 적어도 5 대 2의 비율로 압축되었다. 제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 적어도 5 대 1의 비율로 압축되었다.
제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 상기 조각을 형성하는데 사용된 천연 목재보다 더 적은 리그닌을 함유한다. 제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 상기 천연 목재 내의 상기 리그닌의 1 wt% 내지 99 wt%를 함유한다. 제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 상기 천연 목재 내의 상기 리그닌의 5 wt% 내지 95 wt%를 함유한다. 제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 1 wt% 내지 25 wt%의 리그닌을 함유한다. 제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 5 wt% 내지 16 wt%의 리그닌을 함유한다.
제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은, 상기 조각을 형성하는데 사용된 상기 천연 목재와 비교하여, 증가된 인장 강도, 굴곡 강도, 연성, 파괴 인성, 스크래치 경도, 경도 모듈러스, 충격 인성, 압축 강도, 및/또는 탄성 강성을 갖는다.
제3 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각은 300 MPa cm3/g의 비 인장 강도를 갖는다.
하나 이상의 제4 구현예들에 있어서, 적층체는 치밀화된 목재의 복수의 조각들을 포함한다. 각각의 조각은 그 단면에서 적어도 부분적으로 붕괴된 루멘들을 갖는다. 각각의 조각의 루멘들은 각각의 연장 방향으로 연장한다. 치밀화된 목재의 상기 조각들 중 적어도 일부의 조각들의 연장 방향들은 서로 교차하고, 치밀화된 목재의 상기 복수의 조각들은 서로 결합된다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 각각의 조각은, 그 단면에서 상기 루멘들의 벽들 사이에 갭이 없도록 완전히 붕괴된 루멘들을 갖는다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 인접하는 상기 조각들은 대향 표면들을 따라 서로 결합된다. 제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 인접하는 상기 조각들은 상기 대향 표면들 사이의 수소 결합에 의해 함께 결합된다. 제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 인접하는 상기 조각들은 상기 대향 표면들 사이에 접착제 또는 에폭시에 의해 함께 결합된다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각들의 제1 세트는 제1 층에 배열되고, 치밀화된 목재의 상기 조각들의 제2 세트는 상기 제1 층 위의 제2 층에 배열되며, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 상기 각각의 층들로부터의 인접한 조각들 사이의 대향 표면들을 통해 서로 결합된다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각들의 인접 쌍의 상기 연장 방향들은 서로 교차한다(즉, 평면도에서). 제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 상기 조각들의 인접 쌍의 상기 연장 방향들은 서로 직교한다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 적어도 5 대 2의 비율로 압축되었다. 제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 약 5 대 1의 비율로 압축되었다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 상기 조각을 형성하는데 사용된 천연 목재보다 더 적은 리그닌을 함유한다. 제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 상기 천연 목재 내의 상기 리그닌의 1 wt% 내지 99 wt%를 함유한다. 제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 상기 천연 목재 내의 상기 리그닌의 5 wt% 내지 95 wt%를 함유한다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 1 wt% 내지 25 wt%의 리그닌을 함유한다. 제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 5 wt% 내지 16 wt%의 리그닌을 함유한다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은, 상기 조각을 형성하는데 사용된 상기 천연 목재와 비교하여, 증가된 인장 강도, 굴곡 강도, 연성, 파괴 인성, 스크래치 경도, 경도 모듈러스, 충격 인성, 압축 강도, 및/또는 탄성 강성을 갖는다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 평평한 시트, 블록, 스틱, 스트립, 중공 형상, 멤브레인, 200 ㎛ 미만의 두께를 갖는 박막, 목재 칩, 또는 목재 플레이크로서 형성된다.
제4 구현예들 또는 임의의 다른 구현예에 있어서, 치밀화된 목재의 각각의 조각은 적어도 300 MPa cm3/g의 비 인장 강도를 갖는다.
하나 이상의 제5 구현예들에 있어서, 재료는 제1 또는 제3 구현예들의 구조체, 제4 구현예들의 상기 적층체, 또는 제3 구현예들의 방법에 의해 형성된 구조체를 포함한다.
하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 자동차, 기차, 트럭, 비행기, 보트, 선박, 또는 임의의 다른 운송수단, 차량, 또는 운반수단의 내부 또는 외부 부품으로서 형성된다.
하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 용기, 박스, 또는 운송용 상자의 일부를 형성한다.
하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 창고, 공장, 사무실 건물, 헛간, 가정집, 또는 임의의 다른 건물 또는 구조체의 내부 또는 외부 부품으로서 형성된다. 하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 디스플레이, 장식품, 창틀, 액자, 문 또는 문틀, 테이블, 책상, 의자, 캐비닛, 옷장, 침대, 또는 가구 또는 가정용품의 임의의 다른 일부를 형성한다. 하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 교량, 도크(dock), 데크(deck), 또는 플랫폼의 일부를 형성한다. 하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 악기의 일부분을 형성한다. 하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 보호 커버, 블라스트 쉴드(blast shield), 또는 다른 보호 장치의 일부분을 형성한다. 하나 이상의 제6 구현예들에 있어서, 제5 구현예들의 상기 재료는 도구, 운동기구, 또는 스포츠 용품의 일부분을 형성한다.
본 출원에서, 달리 특히 언급되지 않는 한, 단수의 사용은 복수를 포함하고, "또는(or)" 및 "및(and)"의 개별적인 사용은 다른 것, 즉, "및/또는(and/or)"을 포함한다. 또한, 용어 "포함하는(including)" 또는 "갖는(having)" 뿐만 아니라 "포함하다(includes)", "포함된(included)", "가지다(has)" 또는 "가지고 있는(had)"의 사용은 "포함하는(comprising)"과 동일한 효과를 갖는 것으로 의도되며, 따라서 제한적인 것으로 이해되어서는 안된다.
본 명세서에 기술된 임의의 범위는 종점(endpoint) 및 종점들 사이의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. "실질적으로(substantially)", "대략적으로(approximately)", "본질적으로(essentially)", "근처(near)", 또는 유사한 언어가 특정 값과 함께 사용될 때마다, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 그 값의 10% 이하를 포함하는 변형이 의도된다.
앞에서 언급된 설명은, 경우에 따라, 실험실에서 생성된 실시예들에 적용되지만, 이들 실시예들은 생산 기술로 확장될 수 있다. 따라서, 수량과 기술이 실험실 실시예들에 적용되는 경우, 제한적인 것으로 이해해서는 안된다.
따라서, 본 개시에 따르면, 강하고 질긴 구조용 목재 재료, 및 그의 제조방법 및 용도가 제공되는 것이 명백하다. 많은 대안, 수정 및 변형이 본 개시에 의해 가능해진다. 본 발명의 원리들의 적용을 설명하기 위해 특정 실시예들이 상세하게 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 그러한 원리들로부터 벗어나지 않고 달리 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 개시된 특징들은 추가적인 구현예들을 생성하기 위해 결합, 재배열, 생략, 등을 할 수 있는 반면, 어떤 개시된 특징들은 때때로 다른 특징들의 대응하는 사용없이 유리하게 사용될 수 있다. 따라서, 출원인은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 그러한 모든 대안, 수정, 균등물, 및 변형을 포함하도록 의도한다.
Claims (20)
- 구조체로서, 상기 구조체는
화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각을 포함하고,
천연 상태에서 상기 섬유질 식물의 셀룰로오스 기반 미세구조에 의해 한정되었던 루멘들(lumina)은 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각 내에서 붕괴되어 있고,
천연 상태에서 상기 섬유질 식물에 존재하였던 리그닌은 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각의 상기 셀룰로오스 기반 미세구조로부터 적어도 부분적으로 제거되어 있고, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각은 상기 섬유질 식물에 천연 상태에서 존재하는 상기 리그닌의 적어도 5%가 유지되어 있는, 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 섬유질 식물이 경질목재, 연질목재 또는 대나무인, 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각의 밀도는 1.16-1.30 g/cm3인, 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 조각은 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물로 본질적으로 이루어진, 구조체.
- 제1항에 있어서, 수소 결합이 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각의 상기 붕괴된 루멘들의 대향 부분들(facing portions)을 함께 결합(couple together)하는, 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각은 소수성이 되도록 또는 내후성 또는 내염수성을 갖도록 화학적으로 처리된 것이고; 및/또는
상기 구조체는 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각의 하나 이상의 외부 표면 상에 소수성 페인트 또는 내화성 코팅(fire-resistant coating)을 더 포함하는, 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각의 상기 붕괴된 루멘들 내에 혼입된 비천연 소수성 나노입자를 더 포함하는, 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각의 인장 강도는 350 MPa보다 큰, 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각은 상기 섬유질 식물에 천연 상태에서 존재하는 상기 리그닌의 적어도 55%를 보유하는, 구조체.
- 제9항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각은 상기 섬유질 식물에 천연 상태에서 존재하는 상기 리그닌의 적어도 90%를 보유하는, 구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각의 리그닌 함량은 5-16 wt%인, 구조체.
- 제1항의 구조체를 포함하는 적층체.
- 섬유질 식물의 조각을, (i) 천연 상태에서 상기 섬유질 식물의 셀룰로오스 기반 미세구조에 의해 한정되고 그리고 제1 방향으로 연장하는 루멘들이 실질적으로 보존되고, 및 (ii) 상기 섬유질 식물에 천연 상태에서 존재하는 리그닌 중의 적어도 일부가 상기 섬유질 식물의 조각의 상기 셀룰로오스 기반 미세구조로부터 제거되도록, 탈리그닌 용액에 침지함으로써 상기 섬유질 식물의 조각을 화학적으로 개질하는 단계; 및
화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각을 형성하기 위해 상기 보존된 루멘들이 붕괴되도록 화학적으로 개질된 상기 섬유질 식물의 조각을 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 압착하는 단계를 포함하고,
상기 화학적 개질 후, 상기 섬유질 식물의 조각은 상기 섬유질 식물에 천연 상태에서 존재하는 상기 리그닌의 적어도 5%를 유지하는, 방법. - 제13항에 있어서, 상기 섬유질 식물이 경질목재, 연질목재 또는 대나무인, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 압착후, 상기 조각은 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물로 본질적으로 이루어진, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 탈리그닌 용액은 NaOH, NaHSO3, SO2, H2O, Na2SO3, 안트라퀴논(AQ), Na2Sn(여기서, n은 정수임), CH3OH, C2H5OH, C4H9OH, HCOOH, NH3, p-TsOH, NH3-H2O, H2O2, NaClO, NaClO2, CH3COOH(아세트산), ClO2, 및 Cl2, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 화학적 개질은 진공 하에서 수행되는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 압착 전에, 상기 루멘들 내에 또는 상기 셀룰로오스 기반 미세구조의 내부 표면들 상에 비천연 소수성 나노입자를 침착시키는 단계를 더 포함하고,
상기 압착 후에, 상기 비천연 소수성 나노입자는 상기 붕괴된 루멘들 내에 혼입되는, 방법. - 제13항에 있어서, 상기 화학적 개질 후에, 내후성 또는 내염수성을 개선하기 위하여 상기 섬유질 식물의 조각을 큐프라메이트(CDDC), 암모니아성 구리 4차염(ammoniacal copper quaternary: ACQ), 크롬화 구리 아르세네이트(CCA), 암모니아성 구리 아연 아르세네이트(ACZA), 구리 나프테네이트, 산 구리 크로메이트, 구리 시트레이트, 구리 아졸, 구리 8-하이드록시퀴놀리네이트, 펜타클로로페놀, 아연 나프테네이트, 구리 나프테네이트, 크레오소트(kreosote), 티타늄 디옥사이드, 프로피코나졸, 테부코나졸, 사이프로코나졸, 붕산, 붕사, 유기 이오다이드(IPBC), 및 Na2B8O13·4H2O, 또는 이들의 임의의 조합에 침지함으로써 더 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 화학적으로 개질되고, 치밀화된 섬유질 식물의 조각들을 함께 결합하여 적층체를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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