乙酰化的木材的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及乙?；哪静模唧w而言，本發(fā)明涉及乙?；哪静募澳静募Ｋ鲆阴；哪静木哂校篴)徑向收縮率R2/R1為0.27至0.64，其中R2是乙?；蟮膹较蚴湛s，R1是乙?；暗氖湛s，以及;b)徑向收縮率T2/T1為0.26至0.48，其中T2為乙酰化之后的徑向收縮，T1為乙酰化之前的徑向收縮。本發(fā)明在商業(yè)規(guī)格的木材件的乙?；鲜翘貏e有價(jià)值的，產(chǎn)生具有均勻并且可預(yù)測(cè)的性能的乙酰化的木材。
【專利說(shuō)明】乙?；哪静?br> [0001]本申請(qǐng)發(fā)明是申請(qǐng)日為2008年12月19日、申請(qǐng)?zhí)枮?00810190821.0、發(fā)明名稱為“木材乙酰化的方法及其產(chǎn)物”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及木材組分的改性，特別是通過乙?；瘜?duì)實(shí)心的(solid)、非耐久的木材品種的改性，以改善期望的特性，例如耐久性，尺寸穩(wěn)定性，紫外光穩(wěn)定性以及導(dǎo)熱性。通常認(rèn)為非耐久的木材品種是來(lái)自針葉樹的軟木和如在BRE耐久性等級(jí)4和5中所述的非耐久的硬木(見下文)。
【背景技術(shù)】
[0003]將實(shí)心的軟木、實(shí)心的非耐久的硬木以及木飾面板(下文總稱為木材)進(jìn)行乙?；囊嫣幰呀?jīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行了廣泛的研究并在學(xué)術(shù)和行業(yè)出版物上都有文獻(xiàn)記載。廣義上，木材的乙酰化使得木材組分中的羥基轉(zhuǎn)化為乙?；?。因而該化學(xué)改性具有使親水性的羥基轉(zhuǎn)化為疏水性的乙?；男Ч?。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)主要集中在小件木材的耐久性和尺寸穩(wěn)定性的改善上，主要是為了實(shí)驗(yàn)室研究，幾乎沒有商業(yè)意義。耐久性實(shí)質(zhì)上是木材對(duì)自然腐爛過程的耐性，例如由真菌引起的那些，而尺寸穩(wěn)定性可描述為當(dāng)木材受到在干燥之前由水或者濕氣的潤(rùn)濕的循環(huán)時(shí)溶脹和收縮的降低。
[0005]在早期的木材乙?；闹髦?Forest Products Journal, 1964年2月，第6頁(yè)，Goldstein, Dreher and Cramer),乙酸酐被溶解于稀釋劑如二甲苯和甲苯中，以有助于在美國(guó)西部黃松、糖楓和白櫟中的滲透。該技術(shù)在木材的商業(yè)上使用規(guī)格(size)的適用性并未被闡明，其中橫紋的滲透性在耐久性和尺寸穩(wěn)定性方面是必要的。此外，副產(chǎn)物料流是乙酸酐、乙酸和二甲苯的難以分離的共混物的混合物。
[0006]在歐洲專利213 252中所述的方法主要涉及木材纖維和碎片的乙?；巧虡I(yè)規(guī)格的木材。所給出的實(shí)心木材的實(shí)施例是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模將該方法應(yīng)用于非常小的件上。
[0007]歐洲專利680810試圖闡明對(duì)商業(yè)尺寸的實(shí)心木材的乙?；?，但是這樣做依賴于在不能有效控制在木材中產(chǎn)生的反應(yīng)熱的情況下被乙酸酐的浸潰。因此木材中的溫度可升高到可導(dǎo)致內(nèi)部裂紋和焦化的程度，顯著地降低乙?；哪静牡膹?qiáng)度。EP680810也依賴于用蒸汽對(duì)乙?；哪静倪M(jìn)行后處理的特性步驟。 申請(qǐng)人:已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這在去除剩余的乙酸方面大部分是無(wú)效的。
[0008]國(guó)際專利公開W02005/077626幾乎僅僅涉及用于爐干木材的乙?；?，所述爐干木材意味著幾乎不含痕量的水分。盡管該方法可應(yīng)用于在所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)中所使用的短長(zhǎng)度的木材，但爐干木材在商業(yè)上基本上是不為人所知的，主要是由于商業(yè)長(zhǎng)度、如2至4米的苛刻干燥所導(dǎo)致的損害。對(duì)商業(yè)木材規(guī)格的木材、典型地含有12-20%水分的木材應(yīng)用過熱的乙?；黧w，導(dǎo)致熱的迅速產(chǎn)生，進(jìn)一步增加了乙?；黧w的高溫并驅(qū)使木材內(nèi)部的總溫度達(dá)到可導(dǎo)致木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生裂紋和焦化的程度。[0009]現(xiàn)有技術(shù)普遍的特定缺陷是所謂的“包封處理(envelope treatment)”。這在ICC評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)于2005年3月I日出版的文獻(xiàn)號(hào)為AC297的“乙?；哪静姆栏w系驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(Acceptance Criteria for Acetylated Wood Preservative Systems)，，中進(jìn)行了說(shuō)明。包封處理就是在木材接近其表面處的乙酰化，使得內(nèi)部木材為無(wú)效程度的乙?；幕蛘吒緵]有乙?；?。當(dāng)對(duì)乙?；M(jìn)行刨削、成型(profiling)或橫割時(shí)，無(wú)效深度的乙?；静目芍苯颖┞队跐駳?。乙?；哪静脑试S濕氣出入整個(gè)橫截面。在適當(dāng)乙酰化的部位，水分遇到保護(hù)的細(xì)胞壁而不能用來(lái)維持真菌的生長(zhǎng)。在差地乙?；蛘呶匆阴；牟课?，水分附著于細(xì)胞壁上，在那里它有助于木腐菌的生長(zhǎng)。水分到達(dá)這樣的部位的凈結(jié)果是木材由內(nèi)向外腐爛。
[0010]其他常用的木材防腐處理包括鉻化砷酸銅(CCA)、季銅鹽、五氯苯酚和木餾油的使用，但與乙?；煌@些處理在環(huán)境溫度下進(jìn)行且不包括放熱反應(yīng)。
[0011]關(guān)于木材乙酰化的公開出版物通常涉及的是基礎(chǔ)化學(xué)和所獲得的木材的性能。這些出版物上對(duì)于在木材的乙酰化反應(yīng)中怎樣實(shí)現(xiàn)體積效率幾乎沒有提供指導(dǎo)，對(duì)怎樣引發(fā)該反應(yīng)沒有提供指導(dǎo)，除了通過原始的加熱，對(duì)于怎樣消除由放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱幾乎沒有提供指導(dǎo)，并且沒有指導(dǎo)如何對(duì)于在反應(yīng)器中堆疊的多種木材件周圍的溫度進(jìn)行描繪(profile)以使得在每一件和貫穿每一件以及對(duì)于反應(yīng)器中的每一件獲得均勻的乙酰化。
[0012]在文獻(xiàn)和早期的專利文件中出現(xiàn)的許多著作僅僅涉及小木材規(guī)格的、實(shí)驗(yàn)室制備的木材樣品的耐久性和尺寸穩(wěn)定性。這些研究對(duì)于當(dāng)對(duì)較大木材規(guī)格、如通常用于建筑業(yè)和商業(yè)的木材規(guī)格進(jìn)行乙?；瘯r(shí)這些所期望的性能的引入、實(shí)現(xiàn)，基本沒有進(jìn)行記載。
[0013]因此，所要解決的技術(shù)問題是通過僅僅使用垂直于紋理所實(shí)現(xiàn)的滲透和反應(yīng)熱的管理而實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)格的木材件被乙酸酐均勻滲透。不能對(duì)木材內(nèi)、尤其是芯處的熱進(jìn)行管理，將至少引起乙酰化的木材的強(qiáng)度降低或部分乙?；Ｔ谧顗牡那闆r下，由于未釋放的反應(yīng)熱，其導(dǎo)致木材完全焦化。不僅必須在各個(gè)木材件的整個(gè)橫截面上均勻施加熱管理，而且必須對(duì)各個(gè)木材件的整體長(zhǎng)度均勻施加，并且對(duì)在反應(yīng)器中的每一件等同施加。
[0014]木材耐久性通過保護(hù)細(xì)胞壁以免受真菌生長(zhǎng)而實(shí)現(xiàn)，這又要求將羥基轉(zhuǎn)化為乙?；?。這必須在跨越整個(gè)木材件以均勻的方式進(jìn)行的。
[0015]尺寸穩(wěn)定性通過使窯干木材溶脹回其原始體積而不超過細(xì)胞壁的彈性極限來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，這必須在跨越整個(gè)木材件均勻地進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]因此，本發(fā)明提供木材乙?；姆椒?，包括步驟:
[0017](a)在大氣壓下的反應(yīng)壓力容器中，將含水量為6%至20%重量的木材浸沒在10°C至120°C的溫度下的乙酰化流體中
[0018](b)增加容器中的壓力到2至20巴，保持10至300分鐘時(shí)間
[0019](c)從容器中去除過量的乙?；黧w
[0020](d)將惰性流體引入該容器中，循環(huán)并加熱該流體直到木材的內(nèi)部溫度開始顯示放熱，控制向木材的供熱直到放熱結(jié)束并維持木材的內(nèi)部溫度低于170°C，
[0021](e)將循環(huán)流體加熱到85°C至150°C的溫度，時(shí)間為10至30分鐘，以引發(fā)第二次放熱反應(yīng)，控制向木材的供熱直到該放熱結(jié)束并且維持木材的內(nèi)部溫度低于170°C，[0022](f)去除該循環(huán)流體并且使得乙?；哪静睦鋮s至環(huán)境溫度。
[0023]在(a)中，木材的含水量?jī)?yōu)選小于12%重量，且期望小于8%重量。乙?；黧w可以包含60%至95%體積的乙酸酐和5%至40%體積的乙酸。優(yōu)選地，該流體包含80%至92%體積的乙酸酐和8%至20%體積的乙酸。期望的是，該乙酰化流體的溫度為35°C至55°C。
[0024]在(b)中，優(yōu)選增加容器中的壓力到10至15巴、保持30至90分鐘，這取決于待處理的木材的滲透性和尺寸。優(yōu)選用氮?dú)饧訅?，但是其他惰性氣體，如二氧化碳也可以使用。
[0025]在(C)中，過量意思是指未浸潰木材的乙?；黧w。它可以通過用例如氮?dú)饧訅喝萜饕云仁沽黧w進(jìn)入到儲(chǔ)存容器中，或者通過將該流體泵送至外面同時(shí)維持容器中的氮?dú)鈮毫?，從而從壓力容器中去除?br> [0026]在(d)中，惰性流體一般為氣態(tài)氮、氣態(tài)二氧化碳或者是煙道氣，其被加熱到20°C至120°C的溫度。放熱的開始、持續(xù)以及完成通過置于木材中的熱電偶進(jìn)行測(cè)定和檢測(cè)。在某些情況下，該氣態(tài)流體、例如氮?dú)?，可以部分或者完全被乙酸酐?或乙酸所飽和。其可以是20%到完全飽和(100%)。
[0027]在(d)和(e)中，可能需要將循環(huán)流體進(jìn)行冷卻以避免木材的內(nèi)部溫度(通過熱電偶測(cè)定的)超過170°C，優(yōu)選不超過155°C。
[0028]在(e)中，優(yōu)選的循環(huán)流體溫度為100°C至135°C，并且優(yōu)選的時(shí)間為10至15分鐘。
[0029]在乙酰化的木材冷卻期間，可以例如通過在真空下蒸發(fā)而去除剩余的乙酸酐和乙
酸副產(chǎn)物。
[0030]在一些工藝條件下，優(yōu)選通過以下方式降低待乙?；哪静牡暮浚赐ㄟ^在乙?；黧w浸沒“干”木材之前首先將該木材引入至該壓力容器中，降低容器中的壓力，例如，到0.05至0.5巴下10至300分鐘，優(yōu)選30至120分鐘，這取決于該木材的滲透性。通過使該乙?；黧w進(jìn)入到該反應(yīng)容器中而方便地釋放真空。
[0031]本發(fā)明在商業(yè)規(guī)格的木材件的乙?；鲜翘貏e有價(jià)值的，產(chǎn)生具有均勻并且可預(yù)測(cè)的性能的乙?；哪静摹１景l(fā)明尤其可適用于將木材件乙?；皆谄鋷缀沃行奶幹辽?4%重量的乙酰基，所述幾何中心具有2至30厘米的寬度、2至16厘米的厚度以及1.5至6.0米的長(zhǎng)度。優(yōu)選，木材件具有2至10厘米的寬度、2至10厘米的厚度以及1.5至4.0米的長(zhǎng)度。
[0032]本發(fā)明的乙?；哪静牡闹匾奶匦栽谟?，它基本上保持其全部的原有強(qiáng)度和外觀。在現(xiàn)有技術(shù)中記載的木材乙?；に囍泄餐c(diǎn)是，導(dǎo)致處理過的木材具有變暗或者變色的表面，這可顯著地降低產(chǎn)品美學(xué)外觀。在本發(fā)明中，這樣的結(jié)果很少發(fā)生，并且即使其發(fā)生，也可通過刨削、砂光或者成型很容易地去除。已經(jīng)得到認(rèn)可的其他優(yōu)點(diǎn)為優(yōu)越的濕剛度(wet stiffness)、尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械可加工性。
[0033]在待乙?；哪静木哂懈叩乃?、低滲透性或者高密度的情況下，可能需要在第二次乙?；坝靡阴；黧w進(jìn)行第二次浸潰，以實(shí)現(xiàn)期望的乙?；?步驟(a)至(f)_第4頁(yè))。在這些情況下，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的部分乙?；哪静?仍舊被乙酸酐和乙酸部分地潤(rùn)濕)，已經(jīng)吸收了比預(yù)期的更多的乙酰化流體，并且在沒有促進(jìn)滲透或者充當(dāng)流體載體的烴稀釋劑的作用下也可這樣。[0034]本發(fā)明還提供具有獨(dú)特的、即迄今為止未知的或者未能得到的濕剛度(彈性模量)和濕強(qiáng)度(斷裂模量)的乙酰化的木材。在輻射松的情況下，發(fā)現(xiàn)未乙?；臉悠肪哂懈蓜偠?dry stiffness)約10540N/mm2、濕剛度約6760N/mm2,即干剛度損失36%,但是對(duì)于同樣的松，在乙?；?，對(duì)應(yīng)的剛度的結(jié)果為10602N/mm2和9690N/mm2，剛度損失少于10%，即
8.6% (參照 BS EN408:2006-British Standards Institute-BSI)0 此外，與未乙酸化的木材比較，乙?；哪静目删哂酗@著改善的在徑向和徑向收縮方面的尺寸穩(wěn)定性(木材的徑向和徑向收縮的測(cè)量方法在文獻(xiàn)中都有充分記載)。見下表1，其中在乙?；瘶悠分邪l(fā)生非常微小的收縮。
[0035]表1
【權(quán)利要求】
1.乙?；哪静?，具有: a)徑向收縮率R^R1為0.27至0.64，其中R2是乙?；蟮膹较蚴湛s，R1是乙?；暗氖湛s，以及， b)徑向收縮率IVT1為0.26至0.48，其中T2為乙?；蟮膹较蚴湛s，T1為乙?；暗膹较蚴湛s。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的乙酰化的木材，其中VR1的比為0.30至0.58，而且T2Zt1的比為0.29 至 0.44。
3.乙?；哪静?，具有在濕潤(rùn)之后的小于10%的干剛度損失。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的乙?；哪静模渲懈蓜偠葥p失不小于8.6%。
5.根據(jù)權(quán)利要I至4的任一項(xiàng)的乙酰化的木材件，其具有2至30厘米的寬度、2至16厘米的厚度以及1.5至6.0米的長(zhǎng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的木材件，其具有2至10厘米的寬度、2至10厘米的厚度以及1.5至4.0米的長(zhǎng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的任一項(xiàng)的乙酰化的木材，在其幾何中心處被乙酰化至14%至22%重量。
【文檔編號(hào)】B27K3/34GK103481342SQ201310224817
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2008年2月1日
【發(fā)明者】K·吉洛特拉 申請(qǐng)人:泰坦木業(yè)有限公司