專(zhuān)利名稱(chēng)：：含泡桐的木質(zhì)復(fù)合材料的制作方法含泡桐的木質(zhì)復(fù)合材料
背景技術(shù)：
：木材是用來(lái)建造門(mén)和其他建筑構(gòu)件的普通材料。即使現(xiàn)在，在開(kāi)發(fā)了幾種新型的復(fù)合材料之后，木材仍是最廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料之一，原因是木材具有優(yōu)良的強(qiáng)度和剛性，令人愉悅的美觀，良好的絕緣性質(zhì)以及易加工性。然而，近年來(lái)，因?yàn)殚L(zhǎng)期生長(zhǎng)的原始森林的逐漸消耗，實(shí)木材料的成本隨其供應(yīng)緊縮而顯著提高。由這種材料制造的門(mén)特別貴，因?yàn)榭撤サ哪静闹型ǔＶ挥胁坏揭话氤蔀樘烊坏膶?shí)木木材，其余的都作為廢料丟棄。因此，由于高級(jí)木材的成本以及對(duì)保存天然資源的重點(diǎn)關(guān)注，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于木材的替代品，以代替天然實(shí)木木材，這些替代品能更有效地利用砍伐的木材并減少作為廢料丟棄的木材量。膠合板，特別是碎料板和定向纖維(orientedstrandboard,"0SB")是天然實(shí)木木材的基于木材的復(fù)合材料的替代品的例子，在過(guò)去的七十五年中，這些復(fù)合材料在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用取代了天然實(shí)木木材。這些基于木材的復(fù)合材料不僅能更有效地使用木材的可利用的供應(yīng)資源，而且也可以由低級(jí)木種甚至是木材廢料形成。但是，雖然這些基于木材的復(fù)合材料的性能特性如強(qiáng)度和絕緣性質(zhì)能和天然實(shí)木木材相當(dāng)或甚至更好，但是一些用戶(hù)抱怨在一些高度潮濕環(huán)境，如外墻板，復(fù)合材料的邊緣因水滲入材料邊緣使其膨脹而遭受溶脹和開(kāi)裂。為防止這種損害，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)，如在木材的邊緣固定金屬或聚合物的模制品，或者在復(fù)合材料易受影響的邊緣施涂聚合物涂層或膜層。這些技術(shù)能有效解決邊緣的溶脹和開(kāi)裂問(wèn)題，但是存在大大增加材料成本以及用來(lái)制備材料的制造工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。在上述
背景技術(shù)：
的情況下，存在對(duì)能克服這些不足的木質(zhì)復(fù)合材料的需求。特別是這種木質(zhì)復(fù)合材料的性能應(yīng)優(yōu)于或類(lèi)似于實(shí)木木材的性能，同時(shí)比常規(guī)OSB材料更輕(密度更低)，具有良好的表面光潔度，因而可消除壓制后的砂磨步驟，并具有優(yōu)良的耐邊緣溶脹性和抵抗其他這類(lèi)與潮濕相關(guān)的缺陷的能力。此外，這種木質(zhì)復(fù)合材料中一定程度地加入從某些樹(shù)種砍伐的纖維，這些樹(shù)種的生長(zhǎng)比常規(guī)用于木質(zhì)復(fù)合材料的那些樹(shù)種要快。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種木質(zhì)復(fù)合材料，該復(fù)合材料包含上表面層和下表面層以及芯層；其中，芯層含有至少約70重量％泡桐木片(strand);表面層含有至少約70重量％的其他高密度的非泡桐木的木片。發(fā)明詳述除非另外規(guī)定，本文采用的所有份、百分比和比率均以重量表示。本文引用的所有文件均納入本文作參考。本文采用的"木材"是指一種纖維素結(jié)構(gòu)，其具有通過(guò)木質(zhì)素聚合物結(jié)合到一起的纖維素和半纖維素纖維組成的細(xì)胞壁。還應(yīng)指出術(shù)語(yǔ)"木材"一般包括木質(zhì)纖維素材料。"木質(zhì)復(fù)合材料"指一種含有木材和一種或多種木質(zhì)復(fù)合材料的添加劑，如粘合劑或蠟的復(fù)合材料。木材通常為薄板、薄片、木片、片(wafer)、顆粒和碎片形式。木質(zhì)復(fù)合材料的非限制性例子包括定向纖維板("OSB")、木屑板(waferboard)、碎料板、碎木膠合板、中密度纖維板、膠合板、平行纖維木材(parallelstrandlumber)、定向纖維木材(orientedstrandlumber)和層疊纖維木材(laminatedstrandlumber)。木質(zhì)復(fù)合材料的共有特性是它們是由用聚合物樹(shù)脂和其它特殊的添加劑結(jié)合在一起的木片(strand)和層疊薄板(plyveneer)組成的復(fù)合材料。在本文中，"薄片"、"木片"、"碎片"、"顆粒"和"片"被認(rèn)為是互相等價(jià)的，且可以互相交換使用。木質(zhì)復(fù)合材料的非排它性描述可以參見(jiàn)《可克歐詩(shī)瑪化學(xué)技術(shù)百科全書(shū)(Kirk-OthmerEncyclopediaofChemicalTechnology)》的增補(bǔ)巻，第765-810，第6版。本發(fā)明涉及包含泡桐木片的木質(zhì)復(fù)合材料(特別是木復(fù)合板和片)。作為材料的泡桐相對(duì)于木質(zhì)復(fù)合材料中常用的其它木材具有許多優(yōu)點(diǎn)。最值得注意的是是泡桐比其它類(lèi)似的樹(shù)種生長(zhǎng)得快得多。另外，泡桐受高濕環(huán)境的影響較少。此外，泡桐具有極佳的強(qiáng)度/重量比，致密程度遠(yuǎn)小于其它的木材。泡桐之類(lèi)的快速生長(zhǎng)的樹(shù)種的一個(gè)缺陷在于，它們會(huì)得到較低密度的木材，幼齡木材的百分率高。在特定的種類(lèi)中，幼齡木材與成熟木材相比，更不希望前者用于木質(zhì)復(fù)合材料，這是由于幼齡木材強(qiáng)度低。由于密度與剛性和強(qiáng)度有關(guān)，所以泡桐之類(lèi)的低密度種類(lèi)往往在木質(zhì)復(fù)合材料中的使用價(jià)值較低。例如，特定尺寸的泡桐木材的強(qiáng)度比不上相同尺寸的其它木材，因此必須通過(guò)將泡桐切成較厚的片，或者與其它木材結(jié)合使用，才能獲得更好的或類(lèi)似的強(qiáng)度性能。以下的泡桐樹(shù)是中國(guó)大陸當(dāng)?shù)氐臉?shù)種(以下樹(shù)種.A不到)例如毛泡桐(Pauh)wniatomentosa)和蘭考泡樸ij(Paulowniaelongata)、臺(tái)灣泡樸l](Paulowniakawakamii)、「'l花泡桐(Paulowniafortunei)、川泡樸'〗(Paulowniafargesii)、揪葉泡樸'〗(Paul()wnJacatalpiiblia)、鄂川泡桐(Paulowniaalbiphloea),l國(guó)付方泡樸'(Paul(畫(huà)iaaustralis)和f灣泡樸'〗(Paulowniataiwaniana)。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)人們(特別是日本人)已經(jīng)將泡桐樹(shù)用于裝飾用途以及某些建筑應(yīng)用。這是一種吸引人的樹(shù)，會(huì)在春天開(kāi)放長(zhǎng)的毛地黃狀的花，具有大的柔軟的葉片。這種樹(shù)通常幾乎沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)地生長(zhǎng)在受干擾區(qū)，在美國(guó)大部分地區(qū)，例如在礦場(chǎng)、廢棄的荒地、路塹和林業(yè)種植園都可發(fā)現(xiàn)。實(shí)際上，泡桐的快速生長(zhǎng)情況意味著，種植園中生長(zhǎng)的泡桐樹(shù)可以在少至2-3年內(nèi)達(dá)到可以采伐用于木質(zhì)復(fù)合材料的尺寸。根據(jù)本發(fā)明制造的板或板材可以各種不同的材料(例如木材或木質(zhì)復(fù)合材料)，如定向纖維板("OSB")的形式制成。除了泡桐以外，這些OSB板材還可單獨(dú)或混合地加入來(lái)自其它合適種類(lèi)木材(包括天然存在的硬木或軟木種類(lèi))的木片，不管這些木材是干的(水分含量為2-12重量％)或者新鮮的(水分含量為30-200重量％)。除了泡桐以外的合適的木材種類(lèi)包括松木，例如火炬松、弗吉尼亞松、濕地松、短葉松和長(zhǎng)葉松，以及白楊木或與白楊木類(lèi)似的其它種類(lèi)的硬木。本發(fā)明中，泡桐木片集中在芯層中，其他木種的木片集中在表面層中，較好地，表面層含有小于15重量％泡桐，大于約85重量％的其他非泡桐木種的木片。較好地，芯層含有小于15重量％的其他木種和大于約85重量％的泡桐木片。關(guān)于提高泡桐木片在木質(zhì)復(fù)合材料中的濃度的一個(gè)具體結(jié)果是木質(zhì)復(fù)合材料的密度將會(huì)較低。例如，滿(mǎn)足PS-2標(biāo)準(zhǔn)并且不含任何泡桐木片的0SB的密度在約35-48磅/英尺"lbs/ft"范圍。對(duì)南方松該密度在40-48磅/英尺3范圍，對(duì)白楊木的密度在35-42磅/英尺3范圍。與之比較，完全由泡桐木片制造的符合PS-2標(biāo)準(zhǔn)的0SB板的密度在約20-40板/英尺3范圍。對(duì)不必滿(mǎn)足PS-2標(biāo)準(zhǔn)的其他應(yīng)用，制造的有用的木質(zhì)復(fù)合材料的密度可低至15板/英尺3，在這些其它應(yīng)用中，將泡桐與其他木種混合可能是合乎需要的。當(dāng)然，用于這些混合種類(lèi)的木質(zhì)復(fù)合材料中的泡桐木片的百分率越高，板或板材的密度就越低。板材的厚度應(yīng)約為0.6厘米(約1/4英寸)至約10.2厘米(約4英寸)。通常，將原木原料(新的或再生的)切成具有所需尺寸和形狀的木片、片或薄片，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的。這些木片優(yōu)選長(zhǎng)度大于2英寸，寬度大于0.3英寸，厚度小于0.25英寸。盡管不希望被理論所限，但是認(rèn)為木片越長(zhǎng)(即長(zhǎng)度約大于6英寸)，通過(guò)使其更好地對(duì)齊便可提高最終產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度。還已知為了獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)選木片具有均勻的寬度。均勻的木片幾何形狀使得制造者可以對(duì)各種尺寸木片的制造工藝優(yōu)化。例如，如果所有的木片尺寸為4X1英寸，則可使用定向機(jī)使這些木片在單獨(dú)的層中對(duì)齊的結(jié)果最佳。如果添加長(zhǎng)l英寸、寬0.25英寸的木片，一些這樣的木片可能會(huì)側(cè)向滑動(dòng)通過(guò)該定向機(jī)。橫向取向的木片降低產(chǎn)品的總體機(jī)械強(qiáng)度/剛性。切割木片之后，在烘箱中對(duì)其進(jìn)行干燥，使得水分含量約為1-20%,優(yōu)選2-18%,更優(yōu)選約為3-15%，然后涂覆一種或多種聚合熱固性粘合劑樹(shù)脂、蠟和其它添加劑。在本文中將施涂到木材上的粘合劑樹(shù)脂、蠟和其它各種添加劑稱(chēng)為涂層，但是所述粘合劑和添加劑可以為小顆粒的形式，例如霧化顆?；蚬腆w顆粒，它們并不在木材上形成連續(xù)的涂層。通常所述粘合劑、蠟和任意的其它添加劑是通過(guò)一種或多種噴涂、摻混或混合技術(shù)施涂到木材上的，優(yōu)選的技術(shù)是當(dāng)所述木片在轉(zhuǎn)鼓混合器中翻滾的時(shí)候，將蠟、樹(shù)脂和其它添加劑噴涂到木片上。涂覆了所需的涂層并用處理化學(xué)試劑處理過(guò)之后，使用這些涂覆過(guò)的木片形成多層墊。在一種用來(lái)形成多層墊的常規(guī)方法中，將涂覆過(guò)的木材以一系列的兩層或更多層、優(yōu)選三層鋪展在傳送帶上。這些木片作為交替的層位于傳送帶上，相鄰層中的"木片"的取向通常互相垂直。不過(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也可以理解，在本方法制造的產(chǎn)品中，木片可以全部沿相同的方向?qū)R，或者沒(méi)有特定的排列，隨機(jī)取向。可以使用各種聚合樹(shù)脂，優(yōu)選是熱固性樹(shù)脂作為木薄片或木片的粘合劑。合適的聚合物粘合劑包括異氰酸酯樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂("MUF")以及它們的共聚物。異氰酸酯是優(yōu)選的粘合劑，優(yōu)選的是所述異氰酸酯選自聚合物的二苯基甲垸-對(duì),對(duì)'-二異氰酸酯類(lèi)，其具有能與其它有機(jī)基團(tuán)反應(yīng)生成聚合物類(lèi)(例如聚脲、-NCON-和聚氨酯，NCOO-)的NCO-官能團(tuán)。優(yōu)選的是4，4-二苯基甲垸二異氰酸酯("MDI")。一種合適的工業(yè)pMDI產(chǎn)品是6購(gòu)自美國(guó)猶他州鹽湖城豪斯曼(Huntsman，SaltLakeCity,UT)的Rubinate1840，以及購(gòu)自美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡拜耳公司(BayerCorporation,NorthAmerica,ofPittsburgh,PA)的Mondur541pMDI。合適的工業(yè)MUF粘合劑是購(gòu)自丹尼公司(Dyneacorporation)的LS2358和LS2250產(chǎn)品。粘合劑濃度優(yōu)選約為1.5-20重量％，更優(yōu)選約為2-10重量％。通常使用蠟添加劑來(lái)提高OSB板材的抗水分滲透性。優(yōu)選的蠟是疏松石蠟或乳液蠟。蠟的加入量?jī)?yōu)選約為0.5-2.5重量％。在根據(jù)上述方法形成多層墊之后，使用熱壓機(jī)對(duì)它們進(jìn)行壓制，使木材熔合和結(jié)合在一起，形成各種厚度和尺寸的固結(jié)的OSB板材。較佳的是，本發(fā)明的板材約在100-260。C的溫度下壓制2-10分鐘。下面將結(jié)合以下具體的非限制性實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明制造了木質(zhì)復(fù)合板，以表明根據(jù)泡桐木片在芯層中的濃度制備的木板的優(yōu)良木材性能特征。獲得可使用的松樹(shù)原木和泡桐原木。然后將這些原木切割成長(zhǎng)1-6英寸、寬0.25-4英寸、厚約0.025英寸的木片，然后將這些木片放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)103°C的Griinberg強(qiáng)制空氣烘箱中干燥過(guò)夜(對(duì)泡桐)，或在常規(guī)的完全制造規(guī)模的干燥機(jī)中干燥(對(duì)松木)。然后將這些木片分類(lèi)并壓制成12種不同類(lèi)型的板，每塊板具有不同的木片組合，最終板密度如下表I<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(第5-8號(hào)板代表按照本發(fā)明制造的板材)。這些木片僅沿一個(gè)單獨(dú)的方向取向(即芯層按照與表面相同的方向取向)。上面實(shí)施例中的板含有5重量％MondurG541pMDI，該pMDI是購(gòu)自美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡拜耳公司(BayerCorporation,Pittsburgh,PA)(在此試驗(yàn)中未使用蠟)。然后將所述板材切割成更小的尺寸，根據(jù)ASTMD1037所述的方法測(cè)試一些不同的木質(zhì)復(fù)合材料的性能特征。這些性能特征包括沿平行方向和垂直方向的彈性模量("MOE"，度量板材剛性)；沿平行方向和垂直方向的斷裂模量("MOR"，度量板材強(qiáng)度)；24小時(shí)水浸泡水吸收；l英寸厚度溶脹和邊緣溶脹。測(cè)得的現(xiàn)有技術(shù)的板材和本發(fā)明的板材的性能特征都列于下表II。表II特征泡桐芯層/松木表面(本發(fā)明)混合泡桐和松樹(shù)木片泡桐表面/松木芯層MOE1，000,000925,000980,000MOR736569吸水性(24小時(shí),％厚度增加)24.5%29%31.50%l英寸厚度溶脹(24小時(shí)水浸泡，%厚度增加)18.5%19.5%23%邊緣膨脹(24小時(shí)水浸泡，%厚度增加)20%20.5%23.5%從表I可以看出，根據(jù)本發(fā)明制備的OSB板的性能特征明顯比其他板好。特別是根據(jù)本發(fā)明的OSB板的1英寸厚度溶脹和邊緣溶脹以及吸水性能比比較的板好得多，表明其在較高濕度環(huán)境下使用效果好得多。對(duì)于強(qiáng)度性質(zhì)，與比較板相比，根據(jù)本發(fā)明制造的板具有優(yōu)良的所有特征性能。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，可以在不背離本發(fā)明主要理念的前提下對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行改變。因此應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于所揭示的具體實(shí)施方式，而是包括所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的變化。8權(quán)利要求1.一種木質(zhì)復(fù)合材料，包括上表面層和下表面層以及芯層；其中，芯層包含至少約70重量％泡桐木片；表面層包含至少約70重量％的其他高密度的非泡桐木片。2.如權(quán)利要求l所述的木質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于，木質(zhì)復(fù)合板的密度約為20-50磅/英尺3。3.如權(quán)利要求1所述的木質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于，其他非泡桐的木片選自下組松木類(lèi)、白楊木類(lèi)、以及其他硬木和軟木種類(lèi)。4.如權(quán)利要求1所述的木質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于，木質(zhì)復(fù)合材料為定向纖維板。5.如權(quán)利要求1所述的木質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于，木質(zhì)復(fù)合材料包含約1-20重量％的聚合物粘合劑。6.—種木質(zhì)復(fù)合材料，包括上表面層和下表面層以及芯層；其中，芯層包含至少約70重量％泡桐木片；表面層包含至少約870重量％的木片，所述木片選自下組松木類(lèi)、白楊木類(lèi)、以及其他硬木種類(lèi)。7.如權(quán)利要求6所述的木質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于，木質(zhì)復(fù)合板的密度約為20-50磅/英尺3。8.如權(quán)利要求6所述的木質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于，木質(zhì)復(fù)合板為定向纖維板形式。9.如權(quán)利要求6所述的木質(zhì)復(fù)合材料，其特征在于，木質(zhì)復(fù)合板包含約1-20重量％的聚合物粘合劑。全文摘要公開(kāi)一種木質(zhì)復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括上表面層和下表面層以及芯層；其中，芯層包含至少約70重量％泡桐木片；表面層包含至少約70重量％的其他高密度的非泡桐的木片。文檔編號(hào)B32B21/13GK101535046SQ200780024042公開(kāi)日2009年9月16日申請(qǐng)日期2007年6月11日優(yōu)先權(quán)日2006年6月26日發(fā)明者E·N·羅森申請(qǐng)人:邱博工程木材有限公司