[发明专利]纤维素和木质素纤维素结构材料以及用于制造该材料的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及纤维素和木质素纤维素结构材料，例如木材和木纤维基复合材料，以及用于制造这样的材料的系统和方法。

背景技术

木材是存在于诸如乔木和灌木的木本植物的茎中的纤维组织。根据University of Minnesota Extension的文章，木材一般由纤维素(大约50％)、半纤维素(大约15％-25％)和木质素(大约15％-30％)组成。(http://www.extension.umn.edu/distribution/naturalresources/components/6413chl.html.)

木材用于很多种的应用，例如作为建筑材料(包括构架木材、装饰木制品、地板等)，用于船中、牙签、枪托、橱柜、家具、运动器材以及编织和针织机的部件。此外，许多产品是通过将木材或木纤维加工成其它材料而制成的。例如，许多产品是通过将木纤维分散在树脂基体中而制成的，包括复合建筑材料，如梁、刨花板、复合地板材料和用作木材替代品的许多其它产品。其它产品是由粘合在一起的木材层制成的，例如层板和胶合木层压板如胶合板。

与诸如金属、塑料和混凝土的其它材料相比，木材有许多优点。例如，树木是一种可再生资源，其栽培抵消了碳排放并且保护了野生动物的栖息地。此外，木材具有许多应用所需的美学品质，如地板和家具，并且具有良好的强度重量比和良好的弹性(例如与金属或混凝土相比)。木材还通常展现出良好的热、声和电绝缘性能。

不同类型的木材展现出不同的机械和美学特性，并具有不同的成本。例如，不同类型的木材展现出远远不同的强度、硬度和挠曲特性。具有较低弯曲模量的较软的木材通常可以以较低的成本获得，而且在一些情况下可以具有理想的美学特性，但由于其机械性能而不适合于某些用途。

发明内容

本申请的许多实施方案使用Natural Force^TM化学(Natural Force^TM Chemistry)。Natural Force^TM化学方法使用物理力的受控的应用和操控，例如粒子束、重力、光等，以产生预期的结构和化学分子改变。在优选的实施方案中，Natural Force^TM化学方法在没有化学或微生物的情况下改变分子结构。通过施加自然的工艺，新的有用物质可以在没有有害环境干扰的条件下产生。

本发明至少在部分程度上基于如下发现：用合适剂量的电离辐射照射纤维素或木质素纤维素材料，例如木材或木纤维(单独或在复合材料中或在含纤维的组合物中)，有利地影响该材料的物理性能，例如提高木材或纤维的至少纤维素部分的分子量和交联程度。结果，可以有利地改变纤维素和木质素纤维素材料的机械和/或其它性能。例如，木材和含有木纤维的复合材料的弯曲模量和其它强度/硬度性质可以通过用电离辐射照射来提高。该模量的提高改善材料的强度重量比，从而使得更薄更轻的结构构件能够在给定的应用中使用。在复合材料的情况下，由该复合材料制成的部件的性能可相当于或优于完全由塑料形成的类似部件的性能，可以大量节省成本。改变的其它性能将在下面讨论，包括木材或纤维的杀菌以抑制真菌生长以及导致的劣化。

一方面，本发明在于经照射的照射木材的淬火方法，该经照射的木材包括已用至少0.1MRad的具有至少1MeV能量的辐射照射过的木材照射，该木材在照射前具有小于约35重量％的水分含量，并且该照射将该木材的纤维素组分的分子量从第一分子量提高到比第一分子量高至少约10％的相对更高的第二分子量。

另一方面，本发明在于如下方法：用至少0.1MRad的具有至少1MeV能量的辐射照射具有小于约35重量％的水分含量的木材，以将该木材的纤维素组分的分子量从第一分子量提高到比第一分子量高至少约10％的相对更高的第二分子量，然后将经照射的木材淬火。

另一方面，本发明在于木材的处理方法，该方法包括用电离辐射照射具有第一分子量和小于约35重量％的水分含量的未处理木材，以将该木材的纤维素组分的分子量提高到相对更高的第二分子量。