TW202138150A - 改性木材的綠色方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於改性木材之方法。該方法包含用包含鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的浸漬液在足以用浸漬液之一或多種組分浸漬木材的條件下處理木材。該方法可以包含用第二浸漬液之隨意第二浸漬。該方法也包含將氣態二氧化碳在無或有水存在下，在從約2至約12巴範圍內的壓力下加至經處理之木材，藉以降低該經處理之木材的pH至約11或以下，以使該木材中浸漬液之組分穩定化與/或固定。該方法是綠色的、無毒的，並且所得之改性木材或木材製品可以用於所有主結構與基礎建設應用。

Description

改性木材的綠色方法

本發明係關於改性木材之綠色(無毒)與環境永續的方法。

本申請案主張美國臨時申請案62/944,858號，此案申請日為2019年12月6日，及美國臨時申請案63/068,211，此案申請日為2020年8月20日， 之優先權，以引用方式將其全部內容併入本案作為參考。

全綠色木材之社會公益與環境效益顯著，包括消除對木電線桿、鐵路枕木、房屋建築、木板路、與甲板的毒性化學處理之需求，同時加強適合用於易引發火災的區域之強度與耐火等級。將電線桿視為一個例子：公用事業機構相關聯的野火之負面經濟與社會混亂結果在美國西部尤其令人驚奇。在2017年一年，加利福尼亞州之野火使許多人致死，摧毀了數以千計的家庭與企業，及損害了數十萬計的其他資產-這些損失估計達120億美元。破紀錄之2020年火災季節出現了肆虐西部的加利福尼亞州與其他州之巨大野火。2020年迄今燒遍加利福尼亞州、科羅拉多州、愛達荷州、蒙大拿州、奧勒崗州與華盛頓州的多於五百萬英畝。2018年所有野火之代價估計達200億美元以上，並且類似的計算會適用於2020年野火之代價。負擔得起的具有阻燃橫擔之阻燃木電線桿會對這些統計量有實質上正面的影響。然而，目前沒有全木質、低價、完全環境永續之A類阻燃產業認可的電線桿。

用元素與化合物之溶液處理木材以改善特性與延長生命週期，取得了不同程度的成功。經處理之木材典型上稱為經防腐化學品處理的木材。典型處理方法會包括用能導致耐火的、抗黴的、與抗蟲的木材製品之處理化學品浸漬木材製品。為了達到這些目的，使用了許多不同的化學品，包括許多非綠色的、毒性的化合物，比如以砷或銅為基礎之化合物、殺蟲劑等等。聯邦殺蟲劑、殺黴劑及滅鼠劑法(FIFRA)要求在美國販售或發行之所有殺蟲劑係經EPA註冊。大多數現有木材化學防腐劑(水性或油性)是美國EPA所規定之經註冊的殺蟲劑。現有木材製品仍然是由可燃的、對人體有毒的、環境危害性的處理劑製得。

美國專利號7,955,711描述用於木材與木材製品之防腐的水溶液。然而，處理液包括用於驅蟲劑與驅白蟻劑之化學品，以達到抗白蟻與/或抗蟲。這些化學品係以能危害環境之約1.5至9重量%的相對高濃度存在。7,995,711號專利也利用約1至10重量%的鹼金屬碳酸鹽(例如Na2CO3)，這可能留下高濃度之Na2CO3殘留在經處理的木材表面上，這導致成品表面上的鹽華。

美國專利號6,303,234、6,827,984、與7,297,411描述使用矽酸鈉以產生阻燃製品的方法。然而，這些專利論述由曝露於空氣及與只使用矽酸鈉有關聯之水分產生的水溶性和與表面損壞之問題，並要求另外藉由沉積氧化矽分子塗層處理經矽酸鈉處理的木材樣本，以避免前述問題。此表面分子塗層處理特別地導致經處理之木材在各種施用上在多個位置在約40至48個月後的內部失敗。此外，這些專利優先選擇20重量%以上的高濃度矽酸鈉，因為耐火性有隨濃度增加而增加的傾向。

U.S. RE40517描述藉由施加能量以使矽酸鈉變成非水溶性之方式，使用矽酸鈉溶液以產生阻燃性兼抗濕性製品的方法。與上述專利類似，此專利也優先選擇20重量%以上的高濃度矽酸鈉，因為耐火性有隨濃度增加而增加的傾向。

美國專利號6,146,766描述藉由替代地施加真空與壓力以使矽酸鈉變成非水溶性之方式，使用矽酸鈉溶液以產生阻燃性兼抗濕性製品的方法。此專利一點都沒論述矽酸鈉溶液之濃度。

上述專利全無論述與利用較高濃度矽酸鈉浸漬液相關的劣勢。這些專利對於浸漬液中矽酸鈉之(SiO2)/(Na2O)的重量比及與控制此重量比相關之利益完全没有涉及。此外，這些專利未利用氣態CO2固定技術。在沒有可靠的固定技術情況下，經處理之木材可能有與木材製品的較長生命週期保護有關之問題。此外，這些專利未設想任何額外的浸漬階段及利益與額外的步驟聯繫在一起。

因此，仍需要開發具成本效益之改性木材的全綠色的方法，其能消除毒性化學處理，還提供加強強度特性，滿足或超出國際認可之建築與建築材料標準的提高之耐火等級，同時保持其他所欲特性，比如防腐性、抗菌性、與抗蟲性。此揭露解決了該需求。

本發明之一目的係設計與產生完全環境永續的、綠色(無毒性化學品)的、與能廣泛用於所有主結構與基礎建設應用之突破性能木材製品。產生木材製品的生產方法利用低成本與可調式連續改善製造方法，其主要使用已事先使用毒性化學品焦點製造方法之現有木材處理基礎建設。現有基礎建設可以在基於投資的高強制報酬下快速轉化為永續木材改性設施，使得全部的轉換投資可以在12個月內回收。結果是現有木材生產與處理製造設施之維持，同時也將先前毒性化學中心與環境危害性操作經濟地轉化為有利的、長期的、永續的「綠色」木材商業模式。發明人相信，就彼等所知，以前沒有實現在美國之綠色技術木材處理設施中生產的全綠色、低成本、高性能木材製品(使用美國國產之負責任收成的木材)之組合。

製品是源自美國最大可再生林的經改性之全綠色木材，其使用特化技術與可調式配方的化合物與製造方法以加強普通木材之性能。結果是單一非常有價格競爭性製品的性能輪廓之產業領先陣列。主要性能加強包括使木材成為抗化學浸取的、惰性的、濃的、硬的、防腐的、防白蟻的、電氣絕緣的、及同樣重要的是A類(最高等級)阻燃材料(相比市售與已使用的替代品，非永續傳統處理的木材及幾種高價永續化學與方法加強的木材兩者)。

發明人相信其方法可以用於產生第一A類阻燃產業認可的電線桿，以滿足這些標準及被電力業使用與認可，由於來自本發明之製品性能屬性的獨特組合，及在和目前使用之經毒性化學品處理的易燃製品可相比擬之價格下製造的能力。這是電力設施滅火之重要步驟並且將導致目前用於電線桿的高毒性化學品所引起之環境危害，一旦野火開始並進一步危及急救員消防隊與周圍社區的安全，許多高毒性化學品就變成在空氣中浮游。

為用鹼金屬鹽(比如矽酸鈉(Na₂ SiO₃ ))溶液浸漬木材連同所得之製品而揭露方法。也可提供浸漬後穩定化。揭露各種穩定化的方法，比如將木材降低pH及加入氣態二氧化碳(CO₂ )與施加隨意第二浸漬處理。也揭露浸漬後熱處理。這樣的方法可用於使木材之浸漬固定與穩定化。

因此，本發明之一態樣係關於改性木材的方法。該方法包含用包含鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的浸漬液在足以用浸漬液之一或多種組分浸漬木材的條件下處理木材，其中在該鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽中SiO₂ 對鹼金屬(或鹼土金屬)氧化物之重量比是在從約2.0至約4.0範圍內。該方法還包含將氣態二氧化碳在無或有水存在下，在從約2至約12巴範圍內的壓力下加至經處理之木材，藉以降低該經處理之木材的pH至約11或以下，以使該木材中浸漬液之組分穩定化與/或固定。本方法是綠色的、無毒的，因為是在殺蟲劑或除生物劑不存在下進行，或者因為是在不多於1重量%的浸漬液中對環境安全之硼濃度下進行。

在一個實施方式中，該方法是綠色的、無毒的，因為是在殺蟲劑或除生物劑不存在下進行。在一個實施方式中，該方法是綠色的、無毒的，因為是在抗黴劑不存在下進行。在一個實施方式中，該方法是綠色的、無毒的，因為是在毒性化學品不存在下進行。

在某些實施方式中，該鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽是矽酸鈉、矽酸鉀、或矽酸鈣。典型上，該鹼金屬矽酸鹽是矽酸鈉或矽酸鉀。在某些實施方式中，在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比可為在從約2.1至約3.5範圍內，或在從約2.5至約3.5範圍內。在某些實施方式中，在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內。在一個實施方式中，在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約6重量%範圍內。

在某些實施方式中，該方法另外包含，在該處理步驟前，利用乾燥該木材與/或對該木材施加真空方式前處理該木材以達到少於約20%的木材含水率之步驟。

在某些實施方式中，該處理步驟中足以浸漬該木材的條件包含下列條件之二或更多者： 在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內； 在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.5至約3.5範圍內； 施加約4巴至約20巴之壓力； 在從約15至約100℃範圍內的溫度下處理該木材；及/或 處理該木材達從約2至約4小時的時間。

該處理步驟中足以浸漬該木材的條件也可包含上述條件之三、四、或全部五者。

在一個實施方式中，該處理步驟中足以浸漬該木材的條件包含下列步驟： 在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約5重量%至約10重量%範圍內； 在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.8至約3.2範圍內； 施加約10巴至約20巴之壓力； 在從約50至約80℃範圍內的溫度下處理該木材；及 處理該木材達從約2至約4小時的時間。

在一個實施方式中，該處理步驟中足以浸漬該木材的條件包含下列步驟： 在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約5重量%至約15重量%範圍內； 在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.8至約3.2範圍內； 施加約10巴至約20巴之壓力； 在從約20至約50℃範圍內的溫度下處理該木材；及 處理該木材達從約2至約4小時的時間。

在某些實施方式中，在從約6至約12巴範圍內的壓力下加入氣態二氧化碳達從約15至約60分鐘的時間以降低該經處理之木材的pH至約9或以下。在一個實施方式中，在從約2.4至約7巴範圍內的壓力下加入氣態二氧化碳達從約15至約60分鐘的時間，以降低該經處理之木材的pH至約9或以下。

在某些實施方式中，該方法另外包含，在該處理步驟後，對該經處理之木材施加真空以從該經處理之木材的表面移除殘留浸漬液及製備用於後處理步驟的該經處理之木材的步驟。

在某些實施方式中，該方法另外包含，在該處理步驟後，在從約50至約100℃範圍內的溫度下加熱該經處理之木材。該加熱步驟包含用乾空氣、飽和水蒸氣、或熱水加熱該經處理之木材。在一個實施方式中，該加熱步驟有約2至約6日(或從約4至約6日)的持續期間並包含改變使溫度增加至經穩定化之乾燥溫度的速率與減少溫度的速率以達到所欲含水率目標。

本發明之另一態樣係關於改性木材之方法。該方法包含： i)用包含鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的第一浸漬液在足以用該第一浸漬液之一或多種組分浸漬該木材的條件下處理該木材； ii)用包含鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的第二浸漬液在高於該第一浸漬液之濃度的濃度下處理該木材達短於該處理步驟i)的時間； iii)進行下列後處理步驟的一或多者以使該木材中該第一與/或第二浸漬液之組分穩定化與/或固定： 將氣態二氧化碳在無或有水存在下，在從約2至約12巴範圍內的壓力下加至該經處理之木材，藉以降低該經處理之木材的pH至約11或以下，及/或 在從約50至約100℃範圍內的溫度下加熱該經處理之木材； 其中該後處理步驟iii)係在該處理步驟i)後、在該處理步驟ii)前、與/或在該處理步驟ii)後進行。

在某些實施方式中，該處理步驟ii)包含下列條件： 該第二浸漬液包含約10至15重量%的濃度之鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽； 處理該木材達從約10至約60分鐘的時間； 施加約2至約12巴之壓力；及 在從約20至約70℃範圍內的溫度下處理該木材。

在某些實施方式中，該方法是綠色的、無毒的，因為是在殺蟲劑或除生物劑不存在下進行，或者因為是在不多於1重量%的該第一或第二浸漬液中對環境安全之硼濃度下進行。

在一個實施方式中，該方法是綠色的、無毒的，因為是在殺蟲劑或除生物劑不存在下進行。在一個實施方式中，該方法是綠色的、無毒的，因為是在抗黴劑不存在下進行。在一個實施方式中，該方法是綠色的、無毒的，因為是在毒性化學品不存在下進行。

在某些實施方式中，該鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽是矽酸鈉、矽酸鉀、或矽酸鈣。典型上，該鹼金屬矽酸鹽是矽酸鈉或矽酸鉀。在某些實施方式中，在該第一與/或第二浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比可為在從約2.0至約4.0範圍內，在從約2.1至約3.5範圍內，或在從約2.5至約3.5範圍內。

在某些實施方式中，在該第一浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內。在一個實施方式中，在該第一浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約6重量%範圍內。在該第二浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約10至15重量%範圍內。

在某些實施方式中，該方法另外包含，在該處理步驟i)前，利用乾燥該木材與/或對該木材施加真空方式前處理該木材以達到少於約20%的木材含水率之步驟。

在某些實施方式中，該處理步驟i)中足以浸漬該木材的條件包含下列條件之二或更多者： 在該第一浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內； 在該第一浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.5至約3.5範圍內； 施加約4巴至約20巴之壓力； 在從約15至約100℃範圍內的溫度下處理該木材；及/或 處理該木材達從約2至約4小時的時間。

該處理步驟i)中足以浸漬該木材的條件也可包含上述條件之三、四、或全部五者。

在一個實施方式中，該處理步驟i)中足以浸漬該木材的條件包含下列步驟： 在該第一浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約5重量%至約10重量%範圍內； 在該第一浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.8至約3.2範圍內； 施加約10巴至約20巴之壓力； 在從約50至約80℃範圍內的溫度下處理該木材；及 處理該木材達從約2至約4小時的時間。

在一個實施方式中，該處理步驟i)中足以浸漬該木材的條件包含下列步驟： 在該第一浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約10重量%至約15重量%範圍內； 在該第一浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.8至約3.2範圍內； 施加約10巴至約20巴之壓力； 在從約20至約50℃範圍內的溫度下處理該木材；及 處理該木材達從約2至約4小時的時間。

在某些實施方式中，該後處理步驟iii)包含將氣態二氧化碳在無或有水存在下，在從約2至約12巴範圍內的壓力下加至該經處理之木材，藉以降低該經處理之木材的pH至約11或以下。

在某些實施方式中，在從約6至約12巴範圍內的壓力下加入氣態二氧化碳達從約15至約60分鐘的時間以降低該經處理之木材的pH至約9或以下。在一個實施方式中，在從約2.4至約7巴範圍內的壓力下加入氣態二氧化碳達從約15至約60分鐘的時間，以降低該經處理之木材的pH至約9或以下。

在某些實施方式中，該後處理步驟iii)包含在從約50至約100℃範圍內的溫度下加熱該經處理之木材。該加熱步驟包含用乾空氣、飽和水蒸氣、或熱水加熱該經處理之木材。在一個實施方式中，該加熱步驟有約2至約6日(或從約4至約6日)的持續期間並包含改變使溫度增加至經穩定化之乾燥溫度的速率與減少溫度以達到所欲含水率目標的速率。

本發明之另一態樣係關於利用在與改性木材之方法有關的所有上述態樣與所有上述實施方式中論述之方法改性的木材(或木材製品)。

在某些實施方式中，該木材是木材(lumber)、實心木板、木桿、層積材、單板層積材、合板、塑合板、或纖維板。該木材(lumber)可為任何軟木或針葉物種，比如南黃松、輻射松(pinus radiata )、鐵杉、或冷杉。

在某些實施方式中，該改性木材(或木材製品)是惰性的、防腐的、耐火的、防白蟻的、抗菌的、與/或抗黴的。該改性木材(或木材製品)也具有相比未改性之木材改善的強度，其中彈性模數(MOE)增加至少35%與斷裂模數(MOR)增加至少4%，其係利用ASTM D143-14測得。該改性木材也具有相比傳統以磷酸鹽為基礎的浸漬法所處理之木材改善的強度，其中彈性模數(MOE)增加至少100%與斷裂模數(MOR)增加至少15%，其係利用ASTM D143-14測得。

所得之製品是惰性的，即，既非化學反應性的也非生物反應性的，並且不會分解、防腐的、耐火的、防白蟻的、抗菌的、與/或抗黴的，及具有相比未經浸漬之經穩定化的木材優異之強度特性，導致延長的壽命。所得之製品也是無毒且完全對環境安全的。用於住宅和商業建築、鐵路(用於鐵路枕木)與電話和電力事業(用於電線桿)及其他應用之木材可根據所揭露的方法製得。在某些例子中，提供顯著的碳封存。

本發明之實施方式也提供利用在與改性木材之方法有關的所有上述態樣與所有上述實施方式中論述之方法改性的阻燃木材(或木材製品)。

在某些實施方式中，利用根據本發明之方法改性的阻燃木材(或木材製品)符合A類阻燃分級，其係利用ASTM E84 10分鐘燃燒試驗測得。在此試驗中，利用根據本發明之方法改性的阻燃木材沒有超出6’火焰散播極限(根據ASTM E84標準從燃燒器起共10.5’，對燃燒器位置增加4.5’)。利用根據本發明之方法改性的阻燃木材具有相比傳統以磷酸鹽為基礎的浸漬法所處理之木材170%的改善(對照6’火焰散播極限(根據ASTM E84標準從燃燒器起共10.5’，對燃燒器位置增加4.5’)。

在某些實施方式中，利用根據本發明之方法改性的阻燃木材(或木材製品)符合A類阻燃分級，其係利用ASTM E2768 30分鐘燃燒試驗測得。在此試驗中，利用根據本發明之方法改性的阻燃木材沒有超出6’火焰散播極限(根據ASTM E2768標準從燃燒器起共10.5’，對燃燒器位置增加4.5’)。利用根據本發明之方法改性的阻燃木材具有相比傳統以磷酸鹽為基礎的浸漬法所處理之木材350%的改善(對照6’火焰散播極限)。

在某些實施方式中，改性木材(或木材製品)可以用於製造全綠色阻燃高性能鐵路枕木，其係另一種主要的基礎建設需求。

在某些實施方式中，改性木材(或木材製品)具有相比經毒性化學品處理的木材優異之強度特性、抗蟲性與防腐性，並且可以用於結構中的各種製品(包括框架、外牆板、結構支撐件、欄杆、造景)、及利用一定規格之木材與合板的所有區域。圖30圖解本發明之全方位建築應用。所得之製品在美國新一代買得起的低碳永續住宅(急性且成長的需要)中也具有顯著緊迫之用途以和CLT(交叉層合的木材)一起作用。全綠色的、高性能木材使碳影響、石油依賴、水與濕地曝露於毒性浸取化學品減少，並且也完全源自負責任管理且永續的美國森林。

[較佳實施方式之詳細說明 ]

本發明之態樣係關於用可溶性鹼金屬矽酸鹽溶液(比如矽酸鈉溶液)隨意在真空與/或壓力下，及透過在浸漬後加入二氧化碳與/或熱處理以使鹼金屬矽酸鹽溶液不溶解來隨意施加浸漬後穩定化方式浸漬木材與其他纖維質物料，以加強木材與其他纖維質物料之機械性質、防腐性、抗蟲性、與/或阻燃性。改性法

本發明揭露浸漬纖維質物料比如南黃松(火炬松與濕地松(Pinus elliotii ))種之一定規格的木材、合板、交叉層合之木材(CLT)、KD 19乾刨光板材、及鐵路枕木、電線桿、電線桿橫擔與綠色未處理之木材，以改善上文列出的源自木材之物料的性能特性之某些或全部的步驟。

本發明之實施方式包括各種利用鹼矽酸鹽溶液(比如矽酸鈉或矽酸鈣)的一次浸漬或兩次浸漬之木材改性法。

U.S.D.A.’s National Forest Service Library 將改性木材定義為「利用化學處理、壓縮、或其他方式，在有或無熱下加工，以給予和原木有很大差别的長期特性之木材」。改性木材的目的係克服標準木材之缺點。傳統木材處理通常利用非永續化學品，包括EPA註冊之今天常見的防腐劑。相比之下，本發明的各種態樣中所述之木材改性法是環境友好的並且改性木材物料在製品生命週期結束時可以被安全且容易地廢棄。

用於改性木材之各種處理條件包括但不限於下列態樣。 浸漬

「化繁為簡」概念。鹼性鹽浸漬典型上使用相對高濃度矽酸鈉(+15重量%，測得為含二氧化矽率)，以加強木材特性。在浸漬法期間浸漬液中SiO₂ 濃度可以控制在從約3重量%至約35重量%、從約3重量%至約15重量%、從約5重量%至約15重量%、從約5重量%至約10重量%、或從約3重量%至約6重量%範圍內。在某些實施方式中，浸漬法利用較低濃度(3重量%至15重量%)以更佳地浸漬木材且提供所欲之基本保護性。較低濃度是指有益地較低黏度，因為較高黏度可能對浸漬法產生不利影響。此外，在較高浸漬濃度與溫度下，鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽溶液有在木材樣本上形成薄矽酸鹽膜(一般稱為鹽華)之傾向，這可能對浸漬法產生不利影響。使用低的特有二氧化矽濃度水平之「化繁為簡」方法允許優異性能製品(包括長期環境屬性)及同樣重要的是更買得起與競爭性之價格的製品，其給出在新生產方法中利用較低量之永續處理液，及較低製造成本基礎建設與折舊成本(來自專有設計、現有設施快速回收轉換為全綠色木材工廠)。這些因素一起是基本的與突破性的並且允許大規模對價格敏感之結構與基礎建設產業採用全綠色高性能改性木材，及藉此製品(與方法)對環境之顯著更高的正面影響及其實現本發明之全部潛力以改善地球的能力。此外，新全綠色高性能木材可以容易地利用可獲得之美國木材永續來源，進一步減少長距離來源的進口製品之運輸成本與負面碳影響。

可選擇浸漬時間以讓鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽進入木質物料的細胞結構。浸漬時間根據被處理之木材的尺寸而改變。在浸漬法期間反應時間可為在從約20分鐘至約10小時、從約20分鐘至約120分鐘、從約45分鐘至約5小時、從約0.5小時至約4小時、或從約1.5小時至約4小時範圍內。對傳統2×4實心木板、甲板與圍欄物料、及其他較小尺寸的木材而言，例如，一部分視木材大小而定，浸漬時間可為從約45分鐘與5小時。對某些大片木材而言，反應時間可以延長至約10小時。

在浸漬法期間在鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽之浸漬中的溫度可為在從約15℃至約100℃、從約15℃至約80℃、或從約50℃至約80℃範圍內。在較高浸漬濃度與溫度下，鹼金屬矽酸鹽溶液有在木材樣本上形成薄矽酸鹽膜(一般稱為鹽華)之傾向，這可能妨礙浸漬法，由於矽酸鹽粒子沉積於木材樣本的浸漬面上。

鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽溶液之浸漬係在液體被自然滲透逼迫並被施加壓力進入未處理之木材的孔隙中下進行。在浸漬法期間施加之壓力可為約0.5巴或更高，例如，在從約4至約20巴、從約10至約20巴、或從約6巴(~100 psi)至約18巴(~250 psi)範圍內。

在浸漬法之前，在原料選擇與製備期間，可前處理木材以達到在例如從約12%至約40%、少於約20%、或從18至20%範圍內的含水率，以使浸漬法之效率與性能最大化。前處理步驟可包括乾燥木材與/或對木材施加真空以達到所欲含水率。

在浸漬法期間在矽酸鈉之浸漬中SiO₂ /Na₂ O比率可為在從約2.0至約4.0、從約2.0至約3.5、從約2.0至約3.5、從約2.5至約3.5、或從約2.8至約3.2範圍內。SiO₂ /Na₂ O比率可為浸漬法中的重要因素，關於pH控制、浸漬控制之水平、及控制殘留在經處理之木材表面上的Na₂ CO₃ 水平，藉以使在成品表面上的鹽華(Na₂ CO₃ )最小化。

可以將在浸漬法中的浸漬液之pH控制在從約9.0至約13.5、約11或以下、從約9至約11、或約9或以下範圍內，以使矽酸鈉浸漬法的效率與性能最大化。增加浸漬液之pH能導致二氧化矽的黏聚與聚合。降低浸漬液之pH的一個方式係如本發明所述之利用調整浸漬液中SiO₂ /Na₂ O比率方式。降低pH的另一個方式係如本發明所述之利用對經處理的木材施加二氧化碳方式。

在浸漬法期間在木材樣本與木材生產中矽酸鈉之縱向浸滲對徑向浸滲可至少一部分根據被浸漬之木材的尺寸來控制。

浸漬液可以另外包含對環境安全之除生物劑或防腐劑(或對環境安全的量的除生物劑或防腐劑)。例如，除生物劑或防腐劑可以隨意地包括硼或含硼之化合物、殺菌劑、殺黴劑、或其組合物。

被加至浸漬液的適當硼或含硼之化合物包括硼、硼酸、硼氧化物類、硼酸鹽類、硼酸酯類、硼砂、或氟硼酸鹽類。將以硼為基礎的除生物劑加至浸漬液加強經浸漬之木材的防腐性與防白蟻性。硼典型上係以硼酸形式加入及加至鹼性鹽混合物及摻混入均質液體用作為浸漬液。然而，硼或含硼之化合物(若加入)係以對環境安全的極低濃度(不多於1重量%)加入。本領域之習知技藝者理解當硼濃度高於1重量%時，則不被認為是完全對環境安全的。在一個實施方式中，硼或含硼之化合物係以不多於0.75重量%、或不多於0.5重量%加入。這些濃度被認為完全適用於符合製品對環境與人類全綠色無毒性的要求。儘管在傳統處理法中硼有從木材浸出之傾向，但本發明之鹼性鹽與硼組合及浸漬後穩定化法將防止浸出。因此，重要的是經浸漬之木材適用於室內與戶外環境。

上述方法也可包括利用下列步驟的一或多者使經浸漬矽酸鈉溶液之木材內的SiO₂ 穩定化/固定。 二氧化碳固定

在第一與/或第二浸漬步驟後，可以對經處理之木材施加CO₂ 以使木材孔隙中的SiO₂ 穩定化或固定。可以將CO₂ 在無或有水存在下，在加壓下，加至經處理之木材，以降低木材的宿主細胞的pH且使SiO₂ 在孔隙結構中沉澱並形成類固體凝膠物質，這導致強度特性實質增加並使木材更耐火、防腐、抗白蟻侵害及抗黴之固體基質。二氧化碳典型上係以氣態加入，其中在約2與12巴之間、在約6至約12巴之間、或在約2.4與約7.0巴之間的壓力下將CO₂ 壓縮入浸漬氣缸中。此曝氣之滯留時間可為在15分鐘與60分鐘、或約20至約45分鐘之間，視使用的木材類型而定。

使經處理之木材曝露於CO₂ 的先前方法係在大氣壓力下進行約8小時之長時間，抑或是在300至800 psi的高壓下進行幾分鐘。本發明中論述之CO₂ 固定使用在約2至12巴(即180 psi以下)之低得多的壓力達15至60分鐘之時間。這些壓力範圍與固定持續期間能確保更佳的pH控制與更佳的木材耐性結果。 熱處理

在浸漬步驟後，可以對經處理之木材施加慢速熱處理至乾並使浸滲入木材的SiO₂ 固化。加熱步驟可以利用用乾空氣加熱經處理之木材(例如在乾燥窯中)、用熱水加熱經處理之木材、或用飽和水蒸氣加熱經處理之木材方式進行。例如，可以將經浸漬之木材通過乾燥窯達第二時間(第一時間是用於在浸漬之前調節木材水分)，利用在乾燥順序中小(硬木狀況)範圍的溫度。浸漬後熱處理典型上可為在從約50至約150℃、或從約50至約100℃範圍內的溫度達從約2至約6日(例如在72小時與120小時之間)的時間。

上述專利方法使用強烈加熱(比如微波加熱)以提供足夠能量。這樣的方法可能產生固體表面層，然而，這沒有解決內部水分問題且在枕木與結構應用上會導致在40至48個月後整體製品結構損壞，由於微波處理引起的只有表面薄層固定。

本發明所述之熱處理包含在較低溫度與較長持續時間的較慢速乾燥以允許木材之整個截面之一致的均勻的乾燥。此外，加熱時程可以包括改變溫度的增加與減少速率，其中使溫度急劇增加至穩定化的乾燥溫度及使溫度急劇減少以達到所欲含水率目標。

在浸漬後加入氣態二氧化碳加強木材改性法，其利用降低pH，透過鹼性鹽沉澱於木材中方式，從而防止過度的浸漬後浸出與製品降解。連同第二乾燥步驟(第一乾燥步驟是在浸漬之前以最優地調節木材)，這使在改性木材的孔隙中鹼金屬矽酸鹽固化。 第二浸漬

本發明之某些實施方式係關於用於改性木材的兩次浸漬法。對兩次浸漬法而言，在第一浸漬法(及相關的浸漬前處理與浸漬後處理)後，第二較短持續期間浸漬法可以遵循，例如在二氧化碳穩定化/固定步驟之前與/或之後。

與浸漬步驟及各種反應條件及浸漬前處理與浸漬後處理有關的所有上文描述適用於在這些實施方式中的第一浸漬法(及相關的浸漬前處理與浸漬後處理)。

第二浸漬步驟典型上是利用包含濃度高於第一浸漬液濃度之鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的第二浸漬液進行達比第一浸漬步驟更短的時間。例如，第一浸漬液可以含有約5至約10重量%的濃度之鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽，及第二浸漬液可以含有約10至約15重量%的濃度之鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽。例如，第二浸漬步驟可以利用具有約10至約15重量%的SiO₂ 之鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽溶液進行達約10至約60分鐘、約20至約60分鐘、或約20至約30分鐘的時間。第二浸漬步驟可以在約2至約12巴(例如從約6至約12巴)的壓力與約20至約70℃的操作溫度下進行。

此第二浸漬步驟之目的係提供木材額外的表面保護，包括加入額外的防火層。如下列實施例所示，此隨意第二浸漬步驟可以加強木材之阻燃性，改善防腐性與防白蟻侵害性，及在某些情况下，也加強強度特性。特別地，實施例2舉例說明木材之兩次浸漬可以導致「A」類阻燃性-比傳統以磷酸鹽為基礎之阻燃劑顯著改善。

根據本發明之實施方式，上述參數與加工條件能實現一次浸漬法與兩次浸漬法，其利用浸漬後乾燥方法對改性木材提供阻燃性與驅白蟻保護性，及改善強度與耐腐朽性。

圖1顯示處理方法之示範性實施，如下所述： 1. 將矽酸鈉與補給水在摻合槽中混合。 2. 將硼作為除生物劑加至此摻合槽中-(隨意的)。 3. 將混合物泵送至加熱與攪拌槽-稱為工作槽。 4. 將未處理的木材輸送至浸漬槽/加壓處理器中。 5. 將加壓處理器置於真空。 6. 加入來自工作槽之液體混合物。 7. 對加壓處理器施加壓力。 8. 減少壓力並將加壓處理器置於真空。 9. 若加入隨意第二浸漬步驟(包含加入第二更高濃度的浸漬液)，則典型上會在步驟8之後進行。若沒有加入隨意第二浸漬步驟，則步驟10會接在步驟8之後。 10. 將氣態二氧化碳加入加壓處理器中。 11. 從加壓處理器移除經處理之木材。 12. 利用傳統索米爾窯(sawmill kiln)加熱至經處理之木材。

或者，可以在步驟10之後加入隨意第二浸漬步驟。若加入隨意第二浸漬步驟，則在步驟9之前也可以有將氣態二氧化碳加入加壓處理器中的額外步驟。 溶液製備

將水與水性鹼金屬矽酸鹽比如矽酸鈉(Na₂ SO₃ )進料至摻合槽並混合。從不同儲槽泵送矽酸鈉與補給水。該水是潔淨的飲用水。

矽酸鈉係由氧化鈉(Na₂ O)與二氧化矽(SiO₂ )組成，其係以固定比率從化學品供應商購得。此比率可以從2.0至4.0不等。

然而，此比率可以控制在從約2.0至約3.5、或從約2.5至約3.5範圍內。

在摻合槽中混合物中的二氧化矽濃度可為例如從約5重量%至約35重量%。當製備用於一次浸漬之浸漬液時，使用的濃度典型上是在從3重量%至15重量%、或從約3重量%至約6重量%範圍內。 隨意加入除生物劑

將對環境安全之除生物劑(或對環境安全的量之除生物劑)隨意加入摻合槽，以提供最終製品額外抗蟲、抗菌、與/或抗黴的保護。除生物劑可為例如硼或含硼之化合物。可加入痕量(少於約1重量%(混合物的重量)、或少於約0.5重量%)。 泵送至工作槽

然後將含有SiO₂ 、水(與隨意除生物劑)之混合物泵送至工作槽。此槽具有插入式加熱元件與攪拌，其使浸漬液溫度提高至所欲之加壓處理器溫度(在約20℃與約80℃之間)。攪拌確保均質混合物與沒有各種化學品的分層。 木材製備

在一個實施方式中，選擇木材用於改性。在一個實施方式中，木材是輻射松。在另一個實施方式中，木材是南黃松。木材可為例如無缺陷與節之實心木板形式。木材可為其他形式並且可使用其他類型的木材。

木材已事先在傳統索米爾窯中乾燥至19%含水率或更少(一般稱為KD19，或窯乾燥19%)。木材可例如從約12%乾燥至約19%的含水率。

在移至加壓處理器之前，典型上將木材放在棧板上，用帶捆紮且穩定化。 對加壓處理器施加真空

然後可以將加壓處理器中用帶捆紮並捆束的未處理的木材放在真空條件下達從約20分鐘至60分鐘的時間(視木材裝載或其他因素而定)。真空施加的目的係移除木材中任何自由水及製備用於化學浸漬的木材的孔隙。

所施加的真空是22” Hg(或-1.2巴)。此真空在任一方向可以改變20%(視木材裝載或其他因素而定)。 泵送液體至加壓處理器

一旦在加壓處理器上解除真空，被加熱且均質的液體就從工作槽泵送至加壓處理器中。將此槽完全填充並完全地包圍所有木材。 浸漬法

然後可增加浸漬加壓槽中的壓力。可將壓力增加至例如從約4巴至約20巴的壓力。矽酸鈉溶液之浸漬係在液體被自然滲透逼迫並被施加壓力進入未處理之木材的孔隙中下進行。

可選擇浸漬時間以讓矽酸鈉進入木質物料之細胞結構。浸漬時間根據被處理之木材的尺寸而改變。對傳統2×4實心木板、甲板與圍欄物料、及其他較小尺寸之木材而言，例如，一部分視木材大小而定，浸漬時間可設定為在約45分鐘與5小時之間的時間。在本例子中，浸漬時間設定為1.5小時。較大之木材製品(比如鐵路枕木與電線桿)可被處理達至多10小時的較長時間(視木材裝載或其他因素而定)。

當浸漬完成時，可減少壓力。將殘留矽酸鈉溶液抽空例如經由液體過濾系統返回工作槽，以防止工作槽的污染。

然後視需要可利用來自混合槽的額外補給覆蓋工作槽。 浸漬後真空

一旦從加壓處理器排出液體，就可對該槽再施加真空。這是從約20分鐘至60分鐘的時間(視木材裝載或其他因素而定)及22” Hg(或-1.2巴)加或減20%(視木材裝載或其他因素而定)。此第二真空處理之目的係從木材表面移除任何剩餘化學品及製備此用於浸漬後固定法的木材。 二氧化碳穩定化/固定

在一個實施方式中，在抽空後，在加壓下從二氧化碳供料槽將氣態二氧化碳(CO₂ )壓縮至浸漬槽中。二氧化碳可保持在例如從約2至約12巴、從約6至約12巴、或從約2至約7巴的壓力下。壓力可保持從約15至約45分鐘的時間，期間二氧化碳固定進行。此固定法導致木材中的液體沉澱為凝膠溶液，從而防止將來浸出及加強各種處理。二氧化碳能將經浸漬之木材的pH從在浸漬後的約11降低至約9。這能實現在浸漬期間二氧化矽更佳地黏著於木材之細胞壁，避免木材的漏出。

二氧化碳能與水反應以形成弱酸的碳酸(H₂ CO₃ )。碳酸進一步與矽酸鈉反應，產生二氧化矽(SiO₂ )與碳酸鈉(Na₂ CO₃ )。也可能產生碳酸氫鈉(NaHCO₃ )，但由於中度酸性環境，更可能形成碳酸鈉。

更佳的二氧化矽對木材之黏著性可能是由於矽酸鈉的聚合作用，這起因於從液體變成非晶質結構之相變化。此固化過程可能不是可逆的。

在此步驟中大多數二氧化碳被螯合在木材中，然後當從槽被安全抽空且壓力減至大氣壓力時，餘留二氧化碳(若有的話)可再循環或再利用。此方法符合全綠色環境友好方法。 隨意第二浸漬

在第一浸漬步驟完成後，將木材隨意曝露於第二浸漬相，其中將較高濃度浸漬液(即，高於第一浸漬步驟的浸漬液濃度)泵送至加壓處理器中並保持於在2與12巴之間的壓力與在20與70℃之間的溫度達在20與60分鐘之間的時間。此較高濃度溶液(例如在約10與約15重量%的SiO₂ )能在第二摻合槽中製得，然後泵送至工作槽之一者，或依序通過最初摻合槽。對處理之間的木材之其他環境影響的在第一與第二與系統性消除之間的時間之故意控制對性能輸出及各浸漬的溶液濃度很重要。在第二浸漬步驟完成後，二氧化碳穩定化/固定步驟完成。二氧化碳穩定化/固定步驟也可在第一浸漬步驟之後且在第二浸漬之前完成。二氧化碳穩定化/固定步驟也可在第一浸漬步驟之後且在第二浸漬之前，及在第二浸漬步驟之後完成。 從加壓處理器移除木材

然後可以破壞浸漬槽上的密封並移除木材。

在二氧化碳被螯合後可繼續穩定化且餘留部分在被抽空後再循環。固化能在抽空後接下來的24至48小時繼續進行。因此將木材保持在排水桌上達24至48小時，以讓固化完成，及從木材排出任何殘留液體以確保木材沒有任何殘留化學品。 熱處理

一旦木材在承滴盤儲存系統上已經穩定化，就將其移動且放進傳統索米爾窯中。然後可將此木材在從50℃至100℃範圍內的溫度下(視環境條件與窯設計而定)加熱達4日(2日至6日，視環境條件與窯設計而定)的時間，其中乾燥時程包括涵蓋時間(日)、溫度與操作員將升高至經穩定化之乾燥溫度及下降同時基於最優含水率目標而控制的速率之參數範圍。這些條件可根據窯設計、經處理之木材與環境條件，及從2日至6日的滯留時間與從50℃至100℃的溫度而改變。

經處理與乾燥之木材中的殘留水分大約是KD19(窯乾燥19%含水率)，儘管當改變乾燥時程與其他窯設定變數與商務市場要求有需要時可以針對其他%含水率。強度特性

在本發明所述之全綠色高性能木材改性法期間，使經處理之木材的強度特性加強。

當和未處理或未改性的木材比較時，這些機械性能與結構性能改善顯著增加，其係利用產業標準例如利用ASTM D143-14測得，該ASTM D143-14係The Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber。

在某些實施方式中，這些試驗方法包括下列三種試驗，具體地說，用於彈性模數(MOE)、斷裂模數(MOR)與最大抗拉開裂負荷(抗拉性)的標準試驗。下列實施例3表示，不像傳統阻燃處理法(典型上以磷酸鹽為基礎)，其已被表明典型上使木材之強度特性(關於抗拉強度、MOR與MOE)減少，根據本發明之實施方式所述的改性法而改性之木材不僅未使強度特性減少，而且已實際穩定化及在某些情況下與未處理之SYP控制組比較顯著改善。

改性木材製品不僅比非永續處理之阻燃木材強，而且比未處理之木材強。例如，MOE與MOR被表明顯著改善-使建築業得以將更少木材用於相同輸出及在設計上有新變通性和對使用FRT木材的限制較少，其中強度不再被視為妥協及實際上與未處理之木材相比可以增加-發明人之方法的獨一無二的效果。

非永續處理之FRT木材顯然是今日美國建築應用所利用的FRT木材的主要形式，包括未處理之木材與經處理之合板。本發明所引用的還原值係根據ANSI/AWC NDSI National Design Specification for Wood Construction (NDS)。在其他永續改性木材製品情況下，發明人相信本發明之實施方式提供使用鹼金屬矽酸鹽合併氣態二氧化碳木材改性/處理法的唯一FRT木材，其導致具有A類分級FRT木材之製品，及其中這樣的綠色木材改性法產生也防白蟻(地白蟻)、防腐(腐朽)、並且在結構上優於可相比擬的未改性/未處理之木材的木材製品。阻燃性

本發明之實施方式也提供專為阻燃性處理的木材(或木材製品)。

目前沒有全木質、低價、完全環境永續之A類阻燃產業認可的電線桿。然而，發明人已證明例如在下列實施例2中，利用根據本發明之實施方式的方法而改性之木材的A類阻燃性能，特徵在於E84與E2768試驗，兩者都有成功的燃燒數據。

除了在電線桿與鐵路枕木的用途之外，根據本發明之實施方式的改性木材製品還能用於各種其他應用，比如用於建築木材應用，例如能低價、完全環境永續的通用尺寸建築與其他基礎建設建築木材應用，因為對建築標準、及A類阻燃製品或等效國際標準而言強的或比未處理之木材更強的抗蟲性。「全合一」製品與庫存及成本降低

此具有所有關鍵高性能特性的「全合一」製品允許在今日木材批發的主要集運點的木材經銷商與零售商所擁有的所需的現有庫存量顯著減少，在某些情況下(在與美國多地的主導木材批發商與堆木場所有人和經理就例行木材業採購與庫存存貨程序深度會談後)估計導致所需的現有庫存減少50%。相比其所有競爭者，這是全綠色高性能木材製品的主要突破產品屬性。當將本發明所述的全綠色改性加壓處理法所生產的木材和利用產業標準方法處理的木材比較時，銷售標準製品的木材經銷商與木材零售商可能必須承受住2倍或3倍的存貨投資(相對於本發明之製品)以涵蓋具有至少一種其他關鍵性能屬性(不管二或三種性能屬性，如同新發明一樣)的FRT木材的可能的需求。

直到本發明之全綠色高性能木材為止，沒有現有的競爭性商業化永續木材改性技術，包括乙醯化(利用乙酸酐與在植物細胞壁中的大分子比如木質素與半纖維素上的羥基反應之方法乙醯化化學改性木材)、糠基化(用由生質基液體產生之糠醇(C₅ H₆ O₂ )浸漬木材)或熱改性木材(熱改性使用熱以從木材細胞移除有機化合物，所以其不會吸收水、膨脹、收縮、或提供養份給昆蟲或黴菌)達到能與廣泛使用的市場領先之非永續FRT(阻燃處理的)木材製品直接競爭之價格競爭性製品。其定價典型上比FRT木材高2至3倍。儘管這些方法產生展現改善之性能(比如尺寸穩定與耐腐朽性)的某些之製品，但無一者達到A類阻燃分級。永續木材生產設施修 改與 持續優化

本發明所述之處理法也可允許現有加壓處理設施(原本專門設計成與非永續化學製品一起使用)配合相對完全重置成本最低的資本升級之再利用，以允許用鹼金屬矽酸鹽溶液處理木材及使用CO₂ 與熱處理的孔隙浸漬穩定化。此改性法可包括現有槽的換管子與更換機械設備、添加關鍵設備品項之攪拌與加熱盤管及包覆、及添加CO₂ 氣體進料系統。這樣的系統可允許快速升級成新全綠色木材系統且很快回收所投入之資本。AI 實施

人工智慧與機器學習能整合到設施設計中。有些高影響用途情況之例子是1)現代化與優化木材處理法，由於其經調整以適合木材原料之獨特輪廓、生產環境、地理位置與在生產時的氣候條件，2)預測與宏變量模型化，比如原料價格與住宅或基礎建設產品需求，3)定價與競爭情報，4)供應鏈優化，其包括木材與其他輸入化學品與資源，5)用於製造之再生性能源，6)後台自動化，及7)預測性維護。調整這些變數能對度量項目(比如產量與品質和全面成本)有顯著影響。這與如下的發明人之處境一致：實驗已識別全部關鍵發明原料與方法的重要參數以改性木材以達到高性能特性。這些變數可以使用大數據集來繼續進一步改善，同時適用發明人開發之核心理論與科學，如上文與下列實施例所概述。 [實施例 ]

下列實施例僅用於說明且無意以任何方式限制本發明之範圍。實施例 1. 改性木材樣本的示範性方法 木材樣本的製備

輻射松木材係購自在Concepcion區域的智利SODIMAC S.A。所選擇之木材都是在外觀上相似的。將木材切成7.5 mm×4.5 mm×2.5 mm之樣本及在實驗室窯中在50℃風乾達48小時。然後將樣本儲存在65%濕度與25℃的空氣調節室中。不斷監測5個隨機選擇之樣本的重量直到達到恒重為止。在25小時後樣本重量大致保持不變。因此，可以安全地確定樣本在空氣調節室中從約25至約48小時達到平衡濕度。用於 浸漬與浸漬法之木材 樣本的製備

在製備樣本及儲存在空氣調節室中後，選擇兩類型的樣本進行浸漬法。第一類型的樣本具有垂直於浸滲方向之年輪(「徑向樣本」)，及第二類型的樣本具有平行於浸滲方向之年輪(「縱向樣本」)。

在樣本之四個較大面上塗布環氧樹脂以防止經由這些面的浸滲，及將樣本在空氣調節室中在25℃固化達18小時。浸滲面未被環氧樹脂或能妨礙浸漬法之任何其他蠟質物污染。在浸漬法之前從樣本兩端的浸滲面切下極薄的薄片以確保其中沒有環氧樹脂。然後將兩個徑向樣本與兩個縱向樣本裝在浸漬反應器中。將樣本定位在浸漬槽中，使得浸滲面不被其他樣本之壁或面阻擋。浸漬反應器是800 ml容量的批式反應器。反應器之口蓋具有兩個開口，在我們的案例中，一個用於真空之入口及另一個用於流體、氮氣與矽酸鈉溶液。

施加真空達15分鐘，以移除在反應器中及樣本孔隙中的空氣。然後，將600 ml預定濃度的矽酸鈉溶液注入反應器中。隨後，使用氮氣將反應器中壓力提高至12巴，(但在研究在浸漬法期間壓力效應的情況例外)。緊接著提高壓力後，將反應器之溫度提高至所欲值及讓反應器保持預定時間使浸漬法發生。矽酸鈉溶液中固體百分率之測定

38波美度(「Be」)矽酸鈉溶液係由智利的QUIPASUR S.A.提供。為了測定存在於矽酸鈉溶液中的固體百分率，取5個約1 g之矽酸鈉溶液樣本置於不同錶玻璃。然後讓玻璃在爐中在105℃保持24小時，然後在乾燥器中冷卻1小時。然後取得玻璃之重量以證實任何重量變化。將玻璃再度放在爐中在105℃達2小時。發現矽酸鈉溶液中平均固體百分率是41.81%。矽酸鈉溶液中 SiO₂ 之 定量 測定

測定在實驗期間使用之最初矽酸鈉溶液中二氧化矽百分率。QUIPASUR S.A.提供之矽酸鈉溶液的比重是38°Be及SiO₂ /Na₂ O比率之範圍是3.2至3.5。為了測定此溶液中的SiO₂ 量，在使用手冊中描述步驟。

遵循「經浸漬之木材中矽酸鈉之測定」。根據此步驟，取來自QUIPASUR S.A.提供的溶液之約1 g的矽酸鈉溶液置於圓底燒瓶中。隨後，加入40 ml硫酸與30 ml硝酸。矽酸鈉溶液有在與酸溶液接觸後立即結晶化之傾向。使用玻璃棒使結晶細碎及使系統經受在80℃迴流加熱45分鐘。然後冷卻圓底燒瓶，用蒸餾水將溶液體積稀釋10倍。然後過濾溶液。用500 ml蒸餾水洗濾在濾器中的殘留物。在過濾後，在105℃乾燥殘留物達12小時。然後在乾燥器中冷卻與稱重。差異給出矽酸鈉溶液中二氧化矽的量。將此操作重複6次。下表1顯示結果。利用上述步驟所測得之QUIPASUR S.A.提供之矽酸鈉溶液中二氧化矽的平均量是32.6 ± 0.21%克，標準偏差0.51%。

在用酸消化之木材消化後殘餘固體百分率之測定

使用在酸性介質中消化以測定在經浸漬之木材樣本中含二氧化矽率。木材含有不溶於在消化期間所使用之酸混合物的無機物。殘餘無機物可能干涉使用此步驟所測得之二氧化矽百分率。因此在具有矽酸鈉的經浸漬之木材樣本的酸消化期間木材的殘餘無機物之貢獻被量化。為了測定在利用酸溶液消化之後輻射松木材所貢獻的固體殘留物之量，遵循使用手冊「經浸漬之木材中矽酸鈉之測定」中所述的相同步驟。

大致上，取1 g的在105℃乾燥12小時之乾木材置於圓底燒瓶中。隨後，加入80 ml硫酸與60 ml硝酸及使系統經受在80℃迴流加熱45分鐘。然後冷卻圓底燒瓶，用蒸餾水將溶液體積稀釋10倍。然後過濾已事先測得重量之溶液。用500 ml蒸餾水洗濾殘留物。在過濾後，在105℃乾燥殘留物達12小時。然後在乾燥器中冷卻與稱重。重量差異給出在輻射松木材的消化之後餘留的固體之量。將此操作重複6次，下表2顯示結果：

結果表示在酸消化後輻射松木材之固體殘留物的貢獻百分率相對地小。因此，在經浸漬矽酸鈉之輻射松木材的消化後在最終殘留物計算中可以排除此量。SiO₂ 濃度在矽酸鈉浸漬液之效應

為了探究混合物中矽酸鈉濃度在輻射松木材中矽酸鈉浸滲之效應，在下列條件下進行一組實驗。

根據使用手冊「在松木木材中矽酸鈉浸滲」中所述的步驟浸漬樣本而後稱重及在105℃乾燥20小時以保證在經浸漬之樣本中不存在水分。然後將完全乾燥之樣本稱重及監測總質量增加。圖2顯示在各濃度下在105℃乾燥樣本達20小時後二氧化矽濃度對殘留於樣本中的總二氧化矽(%)之效應。

如圖2所示，對以與年輪縱向的方向浸滲之木材樣本而言，經浸漬之木材樣本的重量隨浸漬液中二氧化矽濃度增加而逐漸增加直到濃度達到20%為止，接著急劇減少。對以與年輪徑向的方向浸滲之木材樣本而言，經浸漬之木材樣本的重量從二氧化矽濃度5%增加至10%，接著逐漸減少。該減少可能是由於隨濃度增加而達到臨界黏度與/或矽酸鈉之臨界粒徑，這可能對輻射松木材基質的浸漬產生不利影響。此實驗支持與矽酸鈉溶液濃度與使用適當的用於給定木材條件之溶液濃度的重要性有關的本發明之「化繁為簡」原則。

隨後，使用重量分析利用酸消化方式測定在經浸漬之木材樣本中二氧化矽濃度。在沿著浸滲方向的不同長度之殘留二氧化矽的平均值之結果表示在木材基質中殘留SiO₂ 百分率(圖3所示)大致上遵循與圖2所示的經浸漬之樣本的質量增加相同之傾向。

為了探究浸漬法的均勻性，測定在經浸漬之樣本中SiO₂ 濃度(%)。為此目的，將經浸漬之樣本切成4等分(如圖3所示)，及利用酸消化方式透過重量法測定二氧化矽濃度。

所獲得之結果表示在外部件(E1與E2)與內部件(I1與I2)中二氧化矽的平均殘留值之最少差異在於在10與15%之間的SiO₂ 液體濃度，這表明浸漬液之大部分均勻分布發生在10%至15%液體SiO₂ 濃度之間的某處。反應時間在輻射松木材基質中矽酸鈉浸滲之效應

為了探究反應時間在輻射松木材中矽酸鈉浸滲之效應，在下列條件下進行一組實驗。

將在浸漬與隨後在10℃達20小時的乾燥法後所獲得之完全乾燥的樣本稱重及監測總質量增加。圖4顯示經浸漬之木材樣本的重量增加。在圖4中上方實線表示以與年輪縱向的方向浸滲之木材的質量百分率增加及下方線表示以與年輪徑向的方向浸滲的質量增加。

這表明從以徑向與縱向浸滲達在2與4小時或更多之間的時間之樣本獲得好結果。在一個例子中，浸漬時間是例如3小時。

圖5顯示在105℃乾燥樣本達20小時後，經浸漬之木材的總含二氧化矽率之增加。誤差槓是沿著經浸漬之樣本的長在二氧化矽觀測到之離勢(標準偏差)。使用濕重量法利用酸消化測定殘留於經浸漬之樣本中的平均二氧化矽。結果表示在2小時的浸漬時間後在木材樣本中所浸滲之含二氧化矽率在誤差槓內幾乎保持固定。

也使用上文與圖4有關之描述相同的方法測定在經浸漬之木材基質中二氧化矽浸漬的均勻性。結果表示在浸漬達2、3與4小時之樣本中沿著所浸漬的樣本之長的SiO₂ 濃度差異不多，而2小時以上較佳。溫度在輻射松木材基質中矽酸鈉浸滲之效應

在下表5所示之條件組下以與年輪徑向的方向浸漬木材樣本，以測定溫度在浸滲之效應。其他條件保持固定。在20℃、60℃、80℃、與100℃的溫度下進行試驗。

圖6a之結果顯示在10%與15%的浸漬液中含二氧化矽率下，浸漬液殘留重量(%)隨浸漬溫度增加而更高。圖6b顯示在20%的浸漬液中含二氧化矽率下，殘留隨浸漬溫度增加而減少。在較高之濃度與溫度下，觀測到矽酸鈉溶液有在木材樣本上形成薄矽酸鹽膜(一般稱為鹽華)之傾向。因此，在較高的溫度下在20%含二氧化矽率下浸漬液之殘留減少可能是由於在木材樣本的浸滲面上的矽酸鹽粒子沉積。

另外的試驗係在5%二氧化矽濃度下進行，其中重量增加接近於上文列出的10%值。

然後在105℃乾燥木材樣本達18小時。圖7顯示在20℃、40℃、60℃、80℃、100℃下在浸漬液中在10%與15%含二氧化矽率下經浸漬矽酸鈉之木材樣本的乾重增加。儘管木材樣本中浸漬液之滯留傾向似乎與浸漬溫度成線性關係，但乾重增加從而SiO₂ 之滯留未遵循類似的傾向。對10%與15%二氧化矽混合物而言，乾重增加似乎在50℃後的溫度達到平台區並在更高溫度下減少，如圖7a顯示。這可能是由於木材樣本在本研究所使用之較高溫度與pH(大約11.5至12)下脫木質化的傾向。相比之下，在20%二氧化矽下木材樣本之重量增加(%)從20℃減少至80℃而後從80℃增加至100℃，如圖7b顯示。

使在105℃乾燥18小時之木材樣本經受酸消化及測定含二氧化矽率。將各木材樣本切成4等分，各等分包括兩個內部件與兩個外部件。圖8a與8b顯示10%矽酸鈉(圖8a)與15%矽酸鈉(圖8b)在酸消化後所測得之沿著木材樣本的二氧化矽質量(%)。

儘管在所有浸漬中含二氧化矽率不均勻，但計算出沿著木材樣本之含二氧化矽率與該含二氧化矽率的標準偏差。

圖8a與8b顯示木材樣本中含二氧化矽率遵循與圖7a與7b顯示之乾重增加相同的傾向，然而，隨溫度增加而減少之木材基質內二氧化矽有更大的不均勻性。

然而，20%二氧化矽溶液顯示相反的傾向，如圖9顯示，其顯示在不同溫度下與在20%二氧化矽濃度之浸漬液下，殘留於經浸漬之木材樣本中的二氧化矽重量百分率。由於矽酸鹽粒子沉積於木材樣本之浸滲面上而可能妨礙浸漬。

圖10a與10b顯示針對浸漬液中10%、15%、與20%含矽酸鈉率的殘留於經浸漬之木材樣本中的平均質量。圖10a顯示對較低的浸漬液中二氧化矽濃度(10%與15%)而言，殘留於經浸漬之木材中的二氧化矽的平均質量在50℃以上的溫度下保持大致固定，而對20%溶液而言則隨溫度而減少，如圖10b顯示。這些實驗證實根據所使用之矽酸鈉濃度而控制矽酸鈉溶液的溫度設定之重要性，及特有範圍需要達到改性木材性能結果。壓力在輻射松木材基質中矽酸鈉浸滲之效應

為了舉例說明壓力在輻射松木材中矽酸鈉浸滲之效應，在不同外壓力下，以與年輪徑向的浸滲方向浸漬木材樣本。將其他實驗條件全部保持固定。在表6所顯示之條件組下進行實驗：

圖11顯示在20℃與0.5巴、10巴、15巴、與20巴的壓力下，在15%二氧化矽濃度下在浸漬後在輻射松木材樣本中二氧化矽之平均殘留質量。誤差槓表示在木材基質內二氧化矽質量百分率的不均勻性。

結果表示殘留二氧化矽質量線性增加直到10巴，之後保持水平且變成與壓力無關。這可能是由於閾值壓力的存在，超出閾值壓力則木材中之孔隙對木材樣本內的流體流動產生最小阻力，從而使大致相同量之二氧化矽沉積。在約10巴與約20巴之間的區間內殘留大多數二氧化矽。在一個例子中，使用15巴。SiO₂ /Na₂ O 比率在輻射松木材基質中矽酸鈉浸滲之效應

也測定二氧化矽對氧化鈉(Na₂ O)之重量比的效應。根據使用手冊「矽酸鈉浸漬液之製備」而調整浸漬液中Na₂ O與SiO₂ 之比率。將除了浸漬液之SiO₂ /Na₂ O比率與濃度外的所有實驗條件保持固定。在表7所顯示之條件組下進行實驗：

將經浸漬之樣本在105℃窯乾燥達20小時及注意到乾的經浸漬之樣本的質量增加。結果表示樣本之質量百分率變化隨SiO₂ /Na₂ O比率減少而減少。在不限制本發明下，這可能是由於氧化鈉的量增加造成浸漬液之pH增加，導致二氧化矽之黏聚與聚合。

然後如上述使在105℃爐乾燥達20小時之木材樣本經受酸消化及測定含二氧化矽率。將各木材樣本切成4等分，及將外部件命名E(E1與E2)而將兩個內部件命名I(I1與I2)。圖12a與12b顯示樣本的外部件與內部件之平均值。圖12a顯示在10%二氧化矽下經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量增加(%)，及圖12b顯示在15%二氧化矽下經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量增加(%)。紅色實線表示質量百分率隨SiO₂ /Na₂ O比率減少而減少之傾向。

圖13a與13b顯示在經浸漬10%二氧化矽(圖13a)與15%二氧化矽(圖13b)之木材樣本的外部件與內部件中之平均二氧化矽殘留值。圖13a與13b表示在所有木材樣本中液體浸滲不均勻並顯示在內部段與外部段之間的高離勢。然而，對兩種浸漬液濃度(10% SiO₂ 與15% SiO₂ )而言，浸漬法似乎受SiO₂ /Na₂ O比率變化影響。上述實驗證實控制用於溶液浸滲的壓力設定同時也選擇所使用之適當SiO₂ /Na₂ O比率的重要性。在經浸漬矽酸鈉溶液之木材樣本中的 SiO₂ 固定

遵循多個策略以研究在經由加熱與化學方法(降低pH)將二氧化矽固定在經浸漬之木材樣本中。當曝露於濕度狀態時木材耐久性與所使用之化學品的水溶性息息相關。矽酸鈉在水中高度可溶，這使其對具高濕度之戶外應用較不具吸引力。

在熱處理中，使結合水與矽酸鹽解離並使橋氧原子數減少，使二氧化矽的平衡向較不溶於水的形式偏移。對三種不同熱處理法進行研究：1)用水蒸氣熱處理，2)用熱空氣熱處理，及3)用熱水熱處理。在1)用水蒸氣熱處理中，在三種不同溫度50℃、100℃、與150℃下用飽和水蒸氣處理經浸漬10%濃度矽酸鈉鹽的樣本達2小時，及消化樣本以測定含二氧化矽率。在2)用熱空氣熱處理中，在50℃、100℃、與150℃下使經浸漬之樣本經受空氣加熱達2小時及進行進一步分析。在3)用熱水熱處理中，在50℃、100℃、與150℃下使經浸漬之樣本與水反應達2小時及進行進一步分析以測定經處理之樣本中的含二氧化矽率。

也對兩種不同pH處理進行研究：1)氣態二氧化碳(CO₂ )，其中使經處理之樣本經受三種不同壓力的二氧化碳(3巴、6巴、與12巴)，及2)經二氧化碳酸化之水，其中在反應器中將經處理之樣本浸入水中，及在3巴、6巴、與12巴下使反應器的壓力提高至所欲值達2小時。

對上述所有處理而言，在下列條件下浸漬木材樣本：

壓力(巴):		12
浸漬時間(小時):		3
SiO2 濃度:		10%
比率(SiO2 /Na2 O):		2.85
溫度:		50℃

在為此目的而調節之10升反應器中製備七十二個樣本。利用透過圍繞反應器的外夾套而循環之飽和蒸氣來控制反應器中的溫度。使由矽酸鈉浸滲入木材基質獲得之樣本經受上述熱處理與pH處理。

然後使經處理之樣本經受酸消化以測定含二氧化矽率。

為了評估將SiO₂ 固定於經浸漬矽酸鈉之木材樣本中，在各浸取循環之前與之後使用酸消化法測定矽酸鈉的可浸取性及測定含二氧化矽率。 熱處理 1. 用熱空氣處理之樣本

在50℃、100℃、與150℃下使經浸漬之樣本經受空氣加熱達2小時及分析。圖14顯示樣本之重量百分率隨浸取時間而減少的結果。

在圖14中，質量滯留百分率隨時間增加而減少。在100℃殘留之質量比在50℃殘留的多，這表明質量滯留在較高溫度下更好。然而，在150℃下，殘留質量較少。

據觀察，在浸取法期間，樣本釋放有色物質，這可能是由於木質素與/或半纖維素連同二氧化矽與氫氧化鈉浸出，導致質量減輕更多。因此，可以推斷在較低溫度下(50℃與100℃)，木質素與半纖維素的損失不顯著。

為了測定在實驗期間所浸出之矽酸鈉的量，如上述，在浸取試驗之前與之後使用酸消化法測定樣本中含二氧化矽率。圖15顯示在不同溫度下用乾空氣處理之樣本的浸取試驗之前(藍棒)與之後(橙棒)，經浸漬之木材樣本中的二氧化矽(SiO₂ )質量百分率。SiO₂ 質量百分率未顯著改變。這也表示在浸取法期間觀測到之樣本的質量減輕不是由於二氧化矽，而是可能由於木質素、半纖維素、與氫氧化鈉(NaOH)的損失，該氫氧化鈉係由於水與存在於矽酸鈉中的氧化鈉(Na₂ O)之間的反應而形成。 2. 用熱水處理之樣本

在用熱水熱處理中，在50℃、100℃、與150℃下使經浸漬之樣本與水反應達2小時及進行進一步分析以測定經處理之樣本中的含二氧化矽率。圖16顯示在浸取實驗期間經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率減少。

最初，殘留質量百分率以實質上相同之速率減少直到10小時為止(出現差異)。在150℃下質量減輕比在50℃與100℃更少。大部分質量減輕是在50℃。這可能是由於在熱水處理法期間已經從樣本萃取出大部分可萃取物及在浸取法期間只浸出一小部分的餘留可萃取物，這導致樣本質量隨時間逐漸減少。在50℃、100℃、與150℃下殘留質量百分率高於圖14顯示的熱空氣熱處理結果。

圖17顯示在不同溫度下用熱水處理之樣本的浸取試驗之前(藍棒)與之後(橙棒)，經浸漬之木材樣本中殘留的二氧化矽(SiO₂ )質量百分率。在所有情況下，經浸漬之樣本中SiO₂ 質量百分率變化類似。

監測在各浸取循環後浸出液的pH。在初期循環期間浸出液的pH非常高(與矽酸鈉溶液相同數量級)，並且隨浸取時間增加而逐漸減少。 3. 用水蒸氣處理之樣本

圖18顯示用50℃、100℃、與150℃飽和水蒸氣處理的經浸漬矽酸鈉之樣本的浸取試驗之結果。經浸漬之木材樣本的質量減輕在用100℃水蒸氣處理之木材樣本為最少而在150℃為較高。在圖18中樣本的質量減輕之傾向類似於在圖14中所觀測到的。

圖19顯示在不同溫度下在經飽和水蒸氣處理之樣本的浸取試驗之前(藍棒)與之後(橙棒)，經浸漬之樣本中的二氧化矽之質量百分率變化。在不同溫度下在浸取之前與之後的質量實質上相同。 在加壓下利用氣態 CO₂ 改變 pH 處理的樣本 1. 在沒有水情況下在加壓下用氣態CO₂ 處理之樣本

在這些試驗中，在3巴、6巴、與12巴的加壓下用氣態二氧化碳處理經浸漬之樣本。圖20顯示在浸取試驗期間，隨時間推移的在不同壓力下用氣態二氧化碳處理的經浸漬矽酸鈉之木材樣本的殘留質量百分率。浸取試驗包含將尺寸2×2×2 cm的經熱處理之樣本放入600 ml燒杯中的330 ml蒸餾水中，攪拌8小時。然後在60℃乾燥樣本達16小時。對各樣本進行四個浸取循環。

如圖20顯示，在浸取試驗期間增加處理壓力使樣本之質量減輕減少。這表示隨著增加處理壓力，更多二氧化碳氣體浸滲木材樣本並與已經在木材中的矽酸鈉溶液反應。

如上文所討論，二氧化碳使經浸漬之木材的pH從在浸漬後的約11降低至在CO₂ 處理後的約9。這是由於二氧化碳與水反應以形成弱酸之碳酸(H₂ CO₃ )。碳酸進一步與矽酸鈉(Na₂ SO₃ )反應，產生二氧化矽(SiO₂ )與碳酸鈉(Na₂ CO₃ )。也可能產生碳酸氫鈉(NaHCO₃ )，但由於蒸餾水所產生之pH 5.1的中度酸性環境，更可能形成碳酸鈉。這些反應可實現在浸漬期間矽酸鈉更佳地黏著於木材之細胞壁，避免矽酸鈉從木材漏出。

如上述試驗所表示，樣本之質量變化不是由於經浸出的二氧化矽，而可能是由於高溫下木質素損失與鈉化合物損失。在這種情況下，在浸取法期間樣本之質量減輕可能是由於未反應的氫氧化鈉與碳酸鈉的損失，其在室溫下在水中具有低溶解度。

也測定經浸取與未經浸取之樣本的含二氧化矽率。圖21顯示在不同壓力下用氣態二氧化碳處理之樣本的浸取試驗之前(藍棒)與之後(橙棒)，經浸漬之木材中的二氧化矽之質量百分率。

圖21符合利用浸取經熱處理的樣本之試驗的結果，經浸漬之木材樣本的含二氧化矽率在本質上沒有由於浸取所造成之變化。 2. 在加壓下在CO₂ 環境中用水處理之樣本

將經浸漬之木材樣本浸入浸漬槽內的水中，然後在不同壓力下用氣態二氧化碳處理。圖22總結在這些試驗中所獲得之結果，其顯示在浸取試驗期間殘留的經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率。

當在6巴與12巴下將經浸漬之樣本浸入水中時在質量變化上似乎沒有很大差異。這可能是由於等量的碳酸鈉形成與/或碳酸鈉連同氫氧化鈉之浸出速率相似。在3巴壓力下用水處理之樣本的質量變化遠大於在6巴與12巴下的，這可能是由於易溶於水且可能易於浸出之碳酸鈉與氫氧化鈉沒有形成。

也測定經浸取與未經浸取之樣本的含二氧化矽率。圖23顯示結果，其表示在浸取之前與之後的含二氧化矽率實質上相同。 固定策略之比較

呈現在將矽酸鈉固定於木材樣本內的處理策略之間的比較。

使經熱處理之樣本經受酸消化。比較用50℃、100℃、150℃乾空氣熱處理之樣本的結果與用150℃水蒸氣熱處理之樣本的結果以測定熱處理在含二氧化矽率的效應。下表8顯示結果：

根據上述方法進行浸取實驗。圖24顯示在50℃、100℃、150℃的乾空氣及在150℃的水蒸氣下製備的經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率減少。圖24顯示在各16小時乾燥法後木材樣本的重量百分率減少。

圖24顯示所有熱處理策略的經浸漬之樣本的質量隨時間增加而減少。100℃乾空氣具有最大殘留質量，接著是50℃乾空氣、150℃蒸氣、與150℃乾空氣。浸取試驗結果顯示用100℃乾空氣熱處理產生比用50℃乾空氣處理之樣本更佳的結果。這可能是由於在較高的空氣溫度移除較多的水，因此由於沒有橋氧導致較多的矽酸鹽沉澱。

據觀察，在浸取法期間，樣本釋放有色物質。在浸取這些樣本期間所釋放之有色物質可能是木質素連同矽酸鈉，這表示稍微脫木質化。因此，樣本之總質量減少可能不代表在浸取法期間矽酸鈉損失。利用較高溫度(150℃)乾空氣與水蒸氣處理之樣本減輕更多質量且稍微脫木質化。

圖25與圖26分別呈現在浸取前經浸漬之樣本的熱處理與pH改變處理之間的一般比較，其中只呈現被注意到在浸取法期間樣本質量之損失最少的處理法。

圖25比較了在12巴下用二氧化碳氣體固定及在12巴下用二氧化碳與水固定的經浸取之樣本的質量。

在10小時後，當固定處理是在12巴的氣態二氧化碳時殘留更多質量。

圖26比較了在100℃的乾空氣之熱處理與在12巴的氣態二氧化碳。

利用在12巴的氣態二氧化碳之pH改變處理比利用100℃乾空氣的熱處理殘留更多質量。此傾向在更高壓力下會進一步增加。由於用於最初的浸漬處理與浸取法之水的pH(pH=5.1)，二氧化矽可能由於水的低pH而已經聚合及沉澱。

這些上述實驗之結果確定地表示發明人的獨特將加壓之CO₂ 用作為二氧化矽(SiO₂ )的主要固定方法對消除許多使用加壓處理木材改性法形式浸滲入木材之化學品常有的可能的浸取問題很有效。

下文細述之三個熱處理實驗推斷下列重要的發現，即，儘管熱空氣與熱水處理是部分有效的，但發明人將加壓之氣態CO₂ 用於固定更為優異，如下列氣態CO₂ 實驗部分的pH處理之樣本所述。實施例 2. 用於進一步改善木材保護性能之兩次浸漬法

在本實施例中，進行上文實施例1所述之木材樣本製備、浸漬法、與利用加壓之氣態CO₂ 的pH改變處理之固定作為第一階段。

下述第二階段中的方法包含在第一階段之CO₂ 固定步驟後使用較短持續期間的第二浸漬。在本第二階段中，將更高濃度之矽酸鈉溶液(即，比第一階段之浸漬液的矽酸鈉濃度更高之矽酸鈉濃度，例如10至15% SiO₂ )在約2至12巴之壓力與約20至70℃之溫度下施加於加壓處理器中的木材達約20至30分鐘的時間。本第二階段之目的係提供木材額外的表面保護，包括加入額外的防火層。

本第二浸漬顯示重量增加平均104%，比較第一階段浸漬法的98%，如下表9及圖27顯示。此額外的6%重量增加被認為對額外的木材保護性很重要。

重量增加之概念表示在製備加壓處理之木材的第一防護層-在浸漬後殘留越多化學品，木材就越有機會耐火、防白蟻侵害、防腐與耐腐朽性。將浸漬合併第二防護層-使木材中經浸滲之化學品固定或穩定化，以防止經浸滲之化學品浸出及與時間相關的木材降解。實施例所舉例說明之木材改性法使第一與第二防護層、整體化學品留存率及長期化學穩定性平衡，兩者在沒有強度下降下達到。當使用全永續化學改性法時，這是在木材中廣泛達到的臨界木材保護效果之獨特且重要的混合。

表9與圖27之結果表示兩次浸漬提供更好的防火性。利用CO₂ 固定而後第二浸漬處理提供額外的保護層以使木材較不易燃燒，如下表10所示。

在這種情況下，對傳統處理之木材(以磷酸鹽為基礎的處理液)與如上述利用本發明之兩次浸漬法處理的木材兩者施加E84 10分鐘燃燒試驗，及測量對應的火焰傳播。這些試驗係在經認可之ASTM Fire Testing Laboratory進行，其使用24’長Steiner隧道及應用E84試驗之標準燃燒技術。

所使用之樣本是2×4×8未處理的木材：2”×4”，8呎長#2未處理的木材，其被窯乾燥至約19%(KD19)。使此木材通過如上述兩次浸漬法，然後在傳統索米爾窯中使用最優乾燥時程乾燥。然後將這些製品單離、包裝與船運至ASTM試驗設施，其中使製品在製造的一週內燃燒。

最大火焰前緣是甲烷燃燒器所傳播沿著隧道之火焰的前進量之測量及測量木材抗火焰傳播的能力。自測量點起6.0 ft(及自燃燒器起10.5’)之指定範圍是不超過木材燃燒的產業標準，以獲得「A」類阻燃分級。

進行兩個試驗-一個是10分鐘燃燒(ASTM E84)及一個是30分鐘燃燒(ASTM E2768)。ASTM E-84：Standard Test Method for Surface Burning Characteristics of Building Materials。ASTM E2768：Standard Test Method for Extended Duration Surface Burning Characteristics of Building Materials(30 Minute Tunnel Test)。這些是滿足阻燃分級的全球標準之ASTM E119或UL 263的一部分。

表10及圖28顯示第一試驗的結果。

這裡可以清楚地看出，利用本發明之兩次浸漬法改性的木材導致相比利用傳統處理法製得之木材低170%的沿著隧道之火焰傳播(相比6’火焰傳播極限)。較低的火焰傳播直接對應於阻燃性及安全性。

用於測量木材之燃燒特性的更嚴密試驗係使用E2768試驗-利用相同Steiner隧道，但達30分鐘的時間。下表11及圖29顯示本試驗之結果。

本數據再次顯示在30分鐘試驗上，利用本發明之兩次浸漬法改性的木材相比傳統處理之製品的優異性能，及利用本發明之兩次浸漬法改性的木材滿足或超出指定「A」類阻燃標準的能力。在這種情況下，在30分鐘試驗上，相比6’限制改善350%。實施例 3. 相對強度特性

木材之相對強度特性變化特別是在至今被視為就強度需要作出妥協以達到對於火災危險所需要的安全性情況下很重要。傳統阻燃處理法(典型上以磷酸鹽為基礎)已被顯示使木材之強度特性(關於抗拉強度、MOR與MOE)減少。然而，如下表12與表13顯示，對根據本發明之實施方式(發明人的浸漬法)所述的改性法製得之木材樣本而言，強度特性沒有減少，而是實際穩定化及在某些情況下，相比未處理之SYP控制組顯著改善。

將樣本木材尺寸切成1吋寬乘一定尺寸的厚度(約1.5吋)。試驗所使用之跨距是28吋。試驗速度是每分鐘0.5吋且是在MTS 機電式通用測試框(具有2,000磅荷重元)上進行。利用ASTM D143-14測量強度特性，該ASTM D143-14是The Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber。參見圖31。

下表13顯示這些強度特性之相對改善，其係根據SYP控制組(未處理)樣本與典型傳統磷酸鹽處理之木材所測得。

以上數據顯示強度特性之顯著改善。特別地，利用發明人的浸漬法改性之木材樣本的MOE相對傳統FRT木材改善112%以上，及相對未處理之SYP控制組木材改善30%以上。這些結果表示FRT木材景觀的突破性典範轉移及將允許對發明人之全綠色優異強度阻燃木材製品在本發明所述之許多應用上的用法進行根本審查，以上兩者係關於取代傳統非永續處理FRT木材及將FRT木材用於額外的消防安全，其中在以前強度下降是被接受的妥協並且通常也是設計與成本挑戰之主要難題。

以上數據也總結於圖32a與32b。利用根據本發明之實施方式的方法改性的木材樣本相比未處理之SYP控制組木材樣本，在MOE及MOR特性的改善分別是平均+36.9%(MOE)及+4.0%(MOR)，其中抗拉強度在統計學上類似。

相比非永續處理之木材(傳統磷酸鹽處理之木材)，這些性能改善顯示MOE(+112%)及MOR(+18%)的顯著改善。此因素在有直接影響成本與設計變通性及用途之增加的強度與彈性改善之木建築業很顯著。

使用用於牆壁/地板環境與屋根構之構架的非永續處理/改性之南黃松，使用現今產業領先的非永續方法與配方及利用例如下列所定義之產業標準試驗來試驗這些樣本：ASTM D5664(ASTM D5664是Standard Test Method for Evaluating the Effects of Fire-Retardant Treatments and Elevated Temperatures on Strength Properties of Fire-Retardant Treated Lumber)及ASTM D6841(ASTM D6841是Standard Practice for Calculating Design Value Treatment Adjustment Factors for Fire-Retardant-Treated Lumber)，已知MOR與MOE之調整因素是約0.80至約0.95，相比南黃松(SYP)未處理控制組。在比較上，根據本發明之實施方式所述的改性法之發明人的改性木材之範圍預期是大約從1.05至大於1.40，相比南黃松(SYP)未處理控制組(由製備圖31與圖32a與32b顯示用於製備樣本的試驗數據衍生)。此結果是史無前例的並且與其他非永續改性木材製品及其製造/處理法，尤其是用於製備經阻燃處理(FRT)的木材者相反，其中在浸漬法期間機械強度特性通常減少。

此外，如傳統FRT木材處理的普遍公認的分析顯示，在曝露於自然元素(包括溫度、微生物與紫外線)後，隨時間推移，阻燃木材與其他非永續化學防腐劑處理之木材製品的強度特性有顯著損壞。因此，從FRT製品之明顯更大範圍的強度參數(比如MOE與MOR)開始，當用於曝露於降解元素的建築環境時，從全綠色高性能木材是現今FRT木材景觀之主要典範轉移可以看出，及建築師與建築商的設計與材料用法與成本降低蘊涵可以明顯給出這些結果。參見Winandy and Rowell, “Chemistry of Wood Strength” Handbook of wood chemistry and wood components, pages 303-347(CRC Press, Roca Raton, Florida, 2005)。實施例 4. 防腐性與耐腐朽性

根據本發明之實施方式所述之改性法的用矽酸鈉浸漬液製得之全綠色木材提供對腐敗與白蟻的有效屏障，同時也保留獲益於該改性法的耐火性與強度。為了支持這些發現，在使用適當物種之智利與烏拉圭的領先木材研究與開發及試驗設施中進行某些試驗。結果顯示利用矽酸鈉浸漬液的本發明之實施方式所述之改性法有效地保護木材免於黴菌降解，儘管矽酸鈉與硼酸鈉之組合提供最佳的防腐性與耐腐朽性。然而，當在浸漬液中與矽酸鈉混合時，不多於0.5重量%的對環境安全之硼濃度對抗黴菌侵害綽綽有餘。

根據利用矽酸鈉連同其他類型化學劑的本發明之實施方式所述之改性法製得木材樣本，及根據ASTM D1413-07 “Standard Test Method for Wood Preservatives by Laboratory Soil-Block Cultures ”來試驗。

此外，為了提供廣泛結果及提供控制措施，還根據European Standard EN 113 “Wood preservatives - Test method for determining the protective effectiveness against wood destroying basidiomycetes - Determination of the toxic values” 評估樣本。所有試驗係在Tacuarembó headquarters of the University of the Republic in Uruguay利用輻射松與火炬松的樣本進行。 根據標準D1413-07之防腐試驗結果

圖33顯示在標準化條件下曝露於乾腐菌(伏果乾腐菌(Serpula lacrymans ))的耐降解性之結果的彙總。觀測之彙總在下面列出： ˙矽酸鈉：經矽酸鈉處理的木材顯示重量減輕7.3%，這實質上少於顯示重量減輕19.7%的未處理的控制組樣本。這證實根據只用矽酸鈉的本發明之實施方式所述之改性法的浸漬有效地保護木材免於乾腐菌(伏果乾腐菌(Serpula lacrymans ))降解。 ˙矽酸鈉+生物油I與矽酸鈉+生物油II：將不同比例的生物油I(熱解松樹皮液之水相)與生物油II(熱解松樹皮液之油相)加入含有5.49% SiO₂ 的矽酸鈉溶液中。兩種藥劑所獲得的結果類似；沒有注意到抗黴性改善。實際上，注意到降解小幅增加。 ˙矽酸鈉+硼酸鈉：將不同比例的硼酸鈉加入含有5.49% SiO₂ 之矽酸鈉溶液中。此組合提供觀測到的重量減輕之最好結果。觀測到在0.6%與7%之間(平均值3.4%)的重量減輕。這顯示利用增加硼濃度使抗黴菌侵害性增加之傾向。重要的是，發明人推斷當與矽酸鈉一起使用時，不多於0.5%的對環境安全之硼濃度對抗黴菌侵害綽綽有餘。 ˙矽酸鈉+銅II鹽類：將不同比例的硫酸銅加入含有5.49% SiO₂ 之矽酸鈉溶液中。儘管已知銅0與銅1是有效防腐劑，但還是試驗銅II，因為其更易溶於水，因此假設木材浸滲應當更有效。結果顯示木材質量減輕稍微低於只用矽酸鈉浸漬時(分別是6.7%平均減輕對7.3%平均減輕)。兩個結果皆顯示優於顯示平均重量減輕19.7%的未處理的控制組樣本之改善。 ˙矽酸鈉+銅I鹽類：只有兩個試驗係利用一氧化二銅進行；一氧化二銅不溶於水且有名地難以達到有效率的滲透。結果並未顯示由這些樣本較大的重量減輕而證實大有可為。 根據標準EN 113之防腐試驗

表14舉例說明根據歐洲標準EN113試驗經受白腐菌與褐腐菌(分別是雲芝(Trametes versicolor )與深褐褶菌(Gloeophyllum separium ))的樣本之試驗結果。

除了火炬松與輻射松的控制組樣本之外，分別用如下三種溶液浸漬根據本發明之實施方式所述之改性法製得的三組試驗樣本：含有5.49% SiO₂ 沒有其他添加劑的矽酸鈉溶液、含有5.49% SiO₂ +0.6%生物油I(熱解松樹皮液之水相)的矽酸鈉溶液、及含有5.49% SiO₂ +0.4%硼酸鈉的矽酸鈉溶液。結果在下表14與表15中列出。

表14舉例說明發明人之木材改性處理提供抗白腐菌與褐腐菌腐朽的明顯利益。在白腐菌(雲芝(Trametes versicolor ))情況下，利用矽酸鈉浸漬液的本發明之改性法顯示相比分別顯示16.81%與19.98%的重量減輕的火炬松與輻射松的控制組，4.01%(沒有其他添加劑)、9.49%(有生物油I)、及5.92%(有硼酸鈉)的重量減輕。在褐腐菌(深褐褶菌(Gloeophyllum separium ))情況下，利用矽酸鈉浸漬液的本發明之改性法顯示相比分別顯示26.18%與30.37%的重量減輕的火炬松與輻射松的控制組，4.91%(沒有其他添加劑)、6.63%(有生物油I)、及4.12%(有硼酸鈉)的重量減輕。

表15舉例說明在兩個控制組情况下增加的利益。在77%至637%的範圍可以看出改善的重量減輕之三位數大改善，視處理液與比較控制變數而定。

圖34a至34e顯示用矽酸鈉處理液處理之樣本減慢黴菌腐朽及抑制細胞壁損壞。圖34a與34b分別顯示用發明人之方法(5.49% SiO₂₊ 0.6%生物油I)處理的樣本曝露於深褐褶菌(G. separium )的第1個月與第2個月，其中顯示細胞壁損害減慢，儘管此黴菌毒性增加及針葉樹木材使褐乾腐菌親和性增加。

在比較上，圖34c顯示從樣本中央取得之控制組樣本的截面及圖解細胞壁損壞及黴菌繁殖進展。

圖34d顯示用含有5.49% SiO₂₊ 0.4%濃度的硼酸鈉之矽酸鈉溶液處理的樣本。圖34e顯示用含有5.49% SiO₂ 沒有額外添加劑之矽酸鈉溶液處理的樣本。兩個樣本皆顯示減慢黴菌進展與細胞壁損壞的高級能力。實施例 5. 防白蟻性

白蟻(雖然在熱帶生態系是碳的必需回收者)是城市環境之重大結構害蟲。傳統白蟻治理大幅基於使用除生物劑，其不需要豐富的微生物知識。法律與社會經濟壓力迫使許多最有效的(但同等地環境危害性)毒劑離開市場。

初期環境持久性(長效性有機污染物POP)殺白蟻劑(有機氯類)是有效的並提供數十年的保護及通常是在建造前施用。然後這些被較沒效的用作為障礙之土壤殺白蟻劑與殺蟲劑替代，其採用從殺死在處理邊界附近的大部分白蟻族群至殺死某些族群範圍內，導致來自屍體恐怖之二次驅蟲性的方法。這些藥劑需要比有機氯類更頻繁地施用。加入額外的方法，包括物理障礙、生物防治、物理防治、及食餌引誘技術範圍。這些大多數有混合結果並繼續對環境產生負面影響。此外，用各種非永續化學品加壓處理建築木材成為另一種白蟻防治方法，並且有化學品最後浸出回到環境中並失去其效力因此需要當場額外處理的長期後果。參見Woodrow and Grace, “Termite Control from the Perspective of the Termite: a 21^st Century Approach,” ACS Symposium Series, Vol. 982, American Chemical Society(April 2, 2008)，以引用方式將其全部內容併入本案作為參考。

發明人業已將其白蟻防治策略聚焦於木材中永續化學品的組合，其實現穩定的防白蟻性而不消除白蟻及不長期損害性浸出毒性化學品回到環境中。發明人業已能達到根據本發明之實施方式所述之改性法的兩個重要效果，藉以產生在木材本身之纖維素結構中的自然障礙，使得後來白蟻不要在上面覓食。此組合正是發明人之獨特有效抗白蟻的改性木材方法。

已進行下列實驗以評估本發明之方法在場域中抗白蟻的效力。

產生由SYP樁構成之白蟻試驗場。這些是18根2”×4”×18”，(一半用本發明之方法改性及一半未處理)，及18根1”×1”×18”，(一半用本發明之方法改性及一半未處理)，這是木材業實作分級標準樁方法。將這些樣本植入在Appling, GA的控制場域及每個月監測。從即日起，2”×4”樁是在地下達約12個月，及1”×1”樁是達約6個月。迄今，沒有白蟻侵害2×4或1×1改性樁樣本。如圖35顯示，在白蟻場域試驗場(1”×1”×18”樁)經過6個月後用本發明之方法處理之樣本顯示自從測量開始沒有任何白蟻侵害的證據。

沒有用其他方法阻止來自試驗場的白蟻群。實施例 6. TGA 試驗

本實施例使用TGA(熱成像分析)試驗以熱破壞八根根據本發明之實施方式所述之改性法製得的木材樣本及四根傳統處理的木材樣本。將2×4改性木材(根據本發明之實施方式的改性法)送至聲譽好的在北卡羅來納州的大學實驗室，其中TGA試驗係在木材上進行，相比控制組(未處理)SYP樣本，及傳統(以磷酸鹽為基礎)處理的木材。

數據係在表16與圖36A與36B呈現。

圖36A與36B顯示從發明人之改性木材樣本與傳統處理之木材樣本的表面與中心取得之樣本相比未處理之控制組的平均溫度記錄圖。對最外表面(圖36A)而言，發明人之改性木材樣本具有比傳統處理之樣本稍微高的殘留焦炭(37.1%對34.9%)，這表示稍微更好的防火性能。兩個處理皆表現得比未處理之控制組更好。從中心取得之樣本的殘留焦炭(圖36B)明顯不同，其中發明人的改性木材樣本表現得比傳統處理之樣本好得多(35.9%對18.7%殘留焦炭)。發明人的改性木材樣本的中心全部表現得比控制組更好，而傳統處理之樣本具有與控制組相似的表現。

這些結果顯示對從表面與中心取得之木材樣本而言，發明人之改性法使殘留焦炭增加，這是耐火性的早期指標。這些結果也顯示從中心取得並曝露於700℃氮氣氣氛或空氣的傳統處理之樣本比發明人的中心樣本更容易降解。因此，這些結果說明本改性法提供比傳統處理更好的滲入2×4樣本之浸漬。

[圖1]係顯示木材改性法之示範性實施的流程圖。

[圖2]顯示在各濃度下在105℃乾燥樣本達20小時後，二氧化矽濃度對殘留於經浸漬之木材樣本中的總二氧化矽(%)之效應。

[圖3]顯示經浸漬之木材樣本裁切為4等分。

[圖4]顯示經浸漬之木材樣本的重量增加。

[圖5]顯示在105℃乾燥樣本達20小時後，經浸漬之木材的總含二氧化矽率之增加。

[圖6a]顯示在浸漬液中在10%與15%含二氧化矽率下浸漬液的殘留(%)。[圖6b]顯示在浸漬液中在20%含二氧化矽率下浸漬液的殘留。

[圖7a]顯示在105℃乾燥木材樣本達18小時後，在浸漬液中在10%與15%含二氧化矽率下以重量計的浸漬液的殘留(%)。[圖7b]顯示在105℃乾燥木材樣本達18小時後，在浸漬液中在20%含二氧化矽率下浸漬液的殘留。

[圖8a與8b]顯示10%矽酸鈉(圖8a)與15%矽酸鈉(圖8b)在酸消化後所測得之沿著木材樣本的二氧化矽質量(%)。

[圖9]顯示20%矽酸鈉在酸消化後所測得之沿著木材樣本的二氧化矽質量(%)。

[圖10a與10b]顯示針對浸漬液中10%與15%矽酸鈉(圖10a)與20%矽酸鈉(圖10b)的殘留於經浸漬之木材樣本中的平均質量。

[圖11]顯示在0.5巴、10巴、15巴、與20巴的壓力下，在20℃下在15%二氧化矽濃度下在浸漬後在輻射松木材樣本中二氧化矽之平均殘留質量。

[圖12a與12b]顯示經浸漬之木材樣本的外部件與內部件之平均值。圖12a顯示在10%二氧化矽下經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量增加(%)，及圖12b顯示在15%二氧化矽下經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量增加(%)。

[圖13a與13b]顯示在經浸漬10%二氧化矽(圖13a)與15%二氧化矽(圖13b)之木材樣本的外部件與內部件中之平均二氧化矽殘留值。

[圖14]顯示當在50℃、100℃、與150℃使經浸漬之木材樣本經受空氣加熱達2小時的時候，經浸漬之木材樣本的重量百分率隨浸取時間而減少之結果。

[圖15]顯示在不同溫度用乾空氣處理之樣本的浸取試驗之前與之後，在經浸漬之木材樣本中二氧化矽(SiO₂ )的質量百分率。

[圖16]顯示當在50℃、100℃、與150℃使經浸漬之木材樣本與水反應達2小時的時候，在用熱水熱處理時，在浸取實驗期間，經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率減少。

[圖17]顯示在不同溫度用熱水處理之樣本的浸取試驗之前與之後，殘留於經浸漬之木材樣本中二氧化矽(SiO₂ )的質量百分率。

[圖18]顯示在50℃、100℃、與150℃用飽和水蒸氣處理之經浸漬矽酸鈉之木材樣本的浸取試驗之結果。

[圖19]顯示在不同溫度下用飽和水蒸氣處理之樣本的浸取試驗之前與之後，殘留於經浸漬之木材樣本中二氧化矽(SiO₂ )的質量百分率。

[圖20]顯示在浸取試驗期間，隨時間推移的在不同壓力下用氣態二氧化碳處理的經浸漬矽酸鈉之木材樣本的殘留質量百分率。

[圖21]顯示在不同壓力下用氣態二氧化碳處理之樣本的浸取試驗之前與之後，經浸漬之木材樣本中二氧化矽的質量百分率。

[圖22]顯示當在浸漬槽中將經浸漬之木材樣本浸入水中，然後在不同壓力下用氣態二氧化碳處理時，在浸取試驗期間殘留的經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率。

[圖23]顯示在浸漬槽中將樣本浸入水中，然後在不同壓力下用氣態二氧化碳處理的浸取試驗之前與之後，殘留於經浸漬之木材樣本中二氧化矽(SiO₂ )的質量百分率。

[圖24]顯示在50℃、100℃、150℃的乾空氣、與150℃的水蒸氣下所製得之經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率減少。

[圖25]比較了在12巴下用二氧化碳氣體固定之樣本及在12巴下用二氧化碳與水固定之樣本在浸取試驗期間殘留的經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率。

[圖26]比較了在100℃的乾空氣下熱處理之樣本及在12巴下用氣態二氧化碳處理之樣本在浸取試驗期間殘留的經浸漬矽酸鈉之木材樣本的質量百分率。

[圖27]顯示相比一次浸漬處理之結果，在第二浸漬處理後殘留於木材中矽酸鈉的重量增加。

[圖28]比較了利用本發明之兩次浸漬法改性的木材對傳統處理之木材的E84燃燒試驗之結果。

[圖29]比較了利用本發明之兩次浸漬法改性的木材對傳統處理之木材的E2768燃燒試驗之結果。

[圖30]係根據本發明之實施方式中所述的改性法製得之製品的建築應用之圖解。

[圖31]圖解根據ASTM D143-14之木材樣本製備。

[圖32a與32b]顯示利用本發明之方法改性的木材對傳統處理之木材對未處理之控制組的強度特性(圖32a)與相對強度特性(圖32b)。

[圖33]總結用矽酸鈉與各種其他化學劑處理之樣本的重量減輕。使樣本經受褐腐菌(伏果乾腐菌(Serpula lacrymans))之作用(標準D1413-07)。X軸是指平均重量減輕%，及Y軸是指特有化學處理(從上到下分別是：矽酸鈉、矽酸鈉+生物油I、矽酸鈉+生物油II、矽酸鈉+硼酸鈉、矽酸鈉+銅II、與矽酸鈉+銅I)的濃度。控制組對應於未處理之木材，如在所有圖表上右方垂直黑線所示，顯示19.7%平均重量減輕。

[圖34a至34e]係用下列含有矽酸鈉與其他化學劑之各種處理液培養真菌16週後的樣本截面之顯微照片：a)在20 µm的SiO₂ +生物油I；b)在50 µm的SiO₂ +生物油I；c)在100 µm的火炬松(Pinus taeda )控制組；d)在200 µm的SiO₂ +硼酸鈉；與e)在200 µm的SiO₂ 。

[圖35]係顯示操作員拿著在白蟻場域試驗場歷時6個月的利用本發明之方法處理的樣本之影像。1”×1”×18”樁顯示自從測量開始沒有任何白蟻侵害的證據。

[圖36A與36B]顯示從發明人的改性木材樣本與傳統處理之木材樣本的表面(圖36A)與中心(圖36B)取得之樣本相比未處理之控制組的平均溫度記錄圖。

Claims (30)

1. 一種改性木材之方法，其包含： 用包含鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的浸漬液在足以用該浸漬液之一或多種組分浸漬該木材的條件下處理該木材，其中在該鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽中SiO₂ 對鹼金屬(或鹼土金屬)氧化物之重量比是在從約2.0至約4.0範圍內；及 將氣態二氧化碳在無或有水存在下，在從約2至約12巴範圍內的壓力下加至經處理之木材，藉以降低該經處理之木材的pH至約11或以下，以使該木材中浸漬液之組分穩定化與/或固定， 其中該方法是綠色的、無毒的，因為是在殺蟲劑或除生物劑不存在下進行，或者因為是在不多於1重量%的浸漬液中對環境安全之硼濃度下進行。
2. 如請求項1之方法，其中該方法是綠色的、無毒的，因為是在殺蟲劑或除生物劑不存在下進行。
3. 如請求項1之方法，其中該鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽是矽酸鈉、矽酸鉀、或矽酸鈣。
4. 如請求項3之方法，其中在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.5至約3.5範圍內。
5. 如請求項4之方法，其中在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內。
6. 如請求項4之方法，其中在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約6重量%範圍內。
7. 如請求項1之方法，其另外包含，在該處理步驟前，利用乾燥該木材與/或對該木材施加真空方式前處理該木材以達到少於約20%的木材含水率之步驟。
8. 如請求項3之方法，其中該處理步驟中足以浸漬該木材的條件包含下列條件之二或更多者： 在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內； 在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.5至約3.5範圍內； 施加約4巴至約20巴之壓力； 在從約15至約100℃範圍內的溫度下處理該木材；及/或 處理該木材達從約2至約4小時的時間。
9. 如請求項8之方法，其中該處理步驟中足以浸漬該木材的條件包含： 在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約5重量%至約10重量%範圍內； 在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.8至約3.2範圍內； 施加約10巴至約20巴之壓力； 在從約50至約80℃範圍內的溫度下加熱該木材；及 處理該木材達從約2至約4小時的時間。
10. 如請求項8之方法，其中該處理步驟中足以浸漬該木材的條件包含： 在該浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約10重量%至約15重量%範圍內； 在該浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.8至約3.2範圍內； 施加約10巴至約20巴之壓力； 在從約20至約50℃範圍內的溫度下加熱該木材；及 處理該木材達從約2至約4小時的時間。
11. 如請求項1之方法，其中在從約6至約12巴範圍內的壓力下加入氣態二氧化碳達從約15至約60分鐘的時間以降低該經處理之木材的pH至約9或以下。
12. 如請求項1之方法，其另外包含，在該處理步驟後，對該經處理之木材施加真空以從該經處理之木材的表面移除殘留浸漬液及製備用於後處理步驟的該經處理之木材的步驟。
13. 如請求項1之方法，其另外包含，在該處理步驟後，在從約50至約100℃範圍內的溫度下加熱該經處理之木材，其中該加熱步驟包含用乾空氣、飽和水蒸氣、或熱水加熱該經處理之木材。
14. 如請求項13之方法，其中該加熱步驟有約2至約6日的持續期間並包含改變使溫度增加至經穩定化之乾燥溫度的速率與減少溫度的速率以達到所欲含水率目標。
15. 一種改性木材之方法，其包含： i)用包含鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的第一浸漬液在足以用該第一浸漬液之一或多種組分浸漬該木材的條件下處理該木材； ii)用包含鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽的第二浸漬液在高於該第一浸漬液之濃度的濃度下處理該木材達短於該處理步驟i)的時間； iii)進行下列後處理步驟的一或多者以使該木材中該第一與/或第二浸漬液之組分穩定化與/或固定： 將氣態二氧化碳在無或有水存在下，在從約2至約12巴範圍內的壓力下加至該經處理之木材，藉以降低該經處理之木材的pH至約11或以下，及/或 在從約50至約100℃範圍內的溫度下加熱該經處理之木材； 其中該後處理步驟iii)係在該處理步驟i)後、在該處理步驟ii)前、與/或在該處理步驟ii)後進行。
16. 如請求項15之方法，其中該處理步驟ii)包含下列條件： 該第二浸漬液包含約10至15重量%的濃度之鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽； 處理該木材達從約10至約30分鐘的時間； 施加約2至約12巴之壓力；及 在從約20至約70℃範圍內的溫度下處理該木材。
17. 如請求項15之方法，其中該方法是綠色的、無毒的，因為是在殺蟲劑或除生物劑不存在下進行，或者因為是在不多於1重量%的該第一或第二浸漬液中對環境安全之硼濃度下進行。
18. 如請求項15之方法，其中該鹼金屬(或鹼土金屬)矽酸鹽是矽酸鈉、矽酸鉀、或矽酸鈣。
19. 如請求項18之方法，其中在該第一與/或第二浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.5至約3.5範圍內。
20. 如請求項18之方法，其中在該第一浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內。
21. 如請求項18之方法，其中該處理步驟i)中足以浸漬該木材的條件包含下列條件之二或更多者： 在該第一浸漬液中SiO₂ 濃度是在從約3重量%至約15重量%範圍內； 在該第一浸漬液中該矽酸鈉的(SiO₂ )/(Na₂ O)之重量比是在從約2.5至約3.5範圍內； 施加約4巴至約20巴之壓力； 在從約15至約100℃範圍內的溫度下處理該木材；及/或 處理該木材達從約2至約4小時的時間。
22. 如請求項15之方法，其中該後處理步驟iii)包含將氣態二氧化碳在無或有水存在下，在從約2至約12巴範圍內的壓力下加至該經處理之木材，藉以降低該經處理之木材的pH至約11或以下。
23. 如請求項22之方法，其中在從約6至約12巴範圍內的壓力下加入氣態二氧化碳達從約15至約60分鐘的時間以降低該經處理之木材的pH至約9或以下。
24. 如請求項15之方法，其中該後處理步驟iii)包含在從約50至約100℃範圍內的溫度下加熱該經處理之木材，其中該加熱步驟包含用乾空氣、飽和水蒸氣、或熱水加熱該經處理之木材。
25. 一種木材(wood)，其係利用請求項1或15之方法來改性。
26. 如請求項25之經改性之木材，其中該木材是木材(lumber)、實心木板、木桿、層積材、單板層積材、合板、塑合板、或纖維板。
27. 如請求項25之經改性之木材，其中該經改性之木材是惰性的、防腐的、耐火的、防白蟻的、抗菌的、與/或抗黴的。
28. 如請求項27之經改性之木材，其中該經改性之木材具有相比未改性之木材改善的強度，其中彈性模數(MOE)增加至少35%與斷裂模數(MOR)增加至少4%，其係利用ASTM D143-14測得。
29. 如請求項27之經改性之木材，其中該經改性之木材具有相比傳統以磷酸鹽為基礎的浸漬法所處理之木材改善的強度，其中彈性模數(MOE)增加至少100%與斷裂模數(MOR)增加至少15%，其係利用ASTM D143-14測得。
30. 一種阻燃木材，其係利用如請求項1或15之方法改性，其中該經改性之阻燃木材符合A類阻燃分級，其係利用ASTM E84 10分鐘燃燒試驗與/或ASTM E2768 30分鐘燃燒試驗測得。

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