[发明专利]使亲水性聚合物生物材料增塑和致密化的方法以及亲水性聚合物生物材料

说明书

本发明涉及使亲水性聚合物生物材料增塑和致密化的方法，所述亲水性聚合物生物材料具有至少一个表面，所述方法包括以下步骤：使待压缩的亲水性聚合物生物材料的表面软化；通过在升高的温度下向所述亲水性聚合物生物材料的经软化的表面上施加升高的压力持续预定时间段来压缩亲水性聚合物生物材料；降低施加至亲水性聚合物生物材料的温度，以及之后降低施加至亲水性聚合物生物材料的压力；其中向待致密化的亲水性聚合物生物材料的所述表面添加增塑液体，增塑液体为基于非咪唑的离子液体(IL)、有机超强碱或深共融溶剂(DES)。

技术领域

本发明涉及使亲水性聚合物生物材料特别是低密度木种致密化的领域。

背景技术

近年来，木板的表面致密化已成为越来越受关注的主题。在表面正下方形成一层几毫米厚的致密化木材组织可以导致硬度提高两倍(Gong等，2010；Laine等，2013a)，并且为在高价值产品例如木地板或窗框中使用低密度木种开辟了新机会。

通常，致密化过程由以下三个阶段组成：使木材组织软化，然后实际压缩，最后使经压缩的木材固化以防止弹性回弹和水分引发的固定-恢复(set-recovery)(Sandberg等，2013)。在过去的几十年期间，已经研究了许多不同的致密化方法，以及致密化过程参数对木材特性的影响。首次发表的木材表面致密化的研究可能是由Tarkow等(1968)进行的。在1990年，Inoue等报道了一种涉及在木材表面切割凹槽以促进用水进行软化的相当复杂的技术。Pizzi等(2005)使用摩擦焊接设备进行表面致密化，并且Rautkari等(2009)采用了类似的原理，Rautkari等发现由摩擦焊接方法带来的致密化水平与硬度之间的正相关关系。最近，大多数研究使用具有冷却系统的间歇型热压机，其中水分和热的组合使木材增塑或者至少使木材软化足以使木材组织易于变形，并使木材表面致密化。Laine等(2013a)使用这种方法获得了近两倍的布氏硬度增加。通过在致密化之前使木材在沸水中软化实现了甚至更大的硬度增加(Lamason和Gong，2007)。

热压机中的表面致密化过程只需几分钟(Laine，2014)，因此原则上适合转化为工业过程(Neyses等，2016)。然而，阻碍经表面致密化的木材产品广泛商业化的主要障碍或许是弹性回弹，特别是经压缩的木材组织在暴露于水分之后的固定-恢复。通过引入冷却阶段以在压力释放之前使经致密化的木材的温度达到低于80℃，大大减少了在释放压缩力时立即发生的弹性回弹(Neyses，2016)。水分引发的固定-恢复可以通过化学改性、通过用树脂浸渍、或通过热-水-机械后处理来消除(Kutnar等，2015)。早在20世纪90年代初，Inoue等(1993)表明：固定-恢复实际上可以通过将经压缩的木材在200℃下后蒸汽处理1分钟或者在180℃下后蒸汽处理8分钟来消除。Navi和Heger(2004)报道了类似的结果。Kutnar等(2012)通过在170℃下在饱和蒸汽条件下在封闭系统中进行致密化过程几乎消除了固定-恢复。在另一些研究(Fang等，2006；Inoue等，2008；Gong等，2010)中观察到了类似的效果。Laine等(2012)表明：热后处理几乎消除了固定-恢复，尽管用几个小时的处理时间。另一些研究成功地采用主要通过使用常规粘合剂或树脂作为添加剂的浸渍处理来减少固定-恢复(Stamm，1964；Gabrielli和Kamke，2010；Pfriem等，2012；Khalil等，2014)。遗憾的是，这些既定方法要么非常耗时，要么难以转化为连续过程，同时它们经常引起环境问题。

描述弹性回弹和固定-恢复的潜在机理的主要理论之一由Navi和Sandberg(2012)提出并由Navi和Pizzi(2014)进一步描述，Navi和Pizzi提出固定-恢复是由于结晶纤维素的变形的弹性恢复，结晶纤维素被“冻结”在木质素和半纤维素的塑性变形基体内部。基体在其被致密化之后的重新软化(例如通过水分)导致结晶纤维素中弹性变形的恢复。我们的假设是，如果可以在致密化之前在初始增塑/软化阶段实现结晶纤维素的塑性变形，则将大大减少固定-恢复。然而，这难以用现有的使木材增塑/软化的方法(例如水分和热的组合，或用气态氨处理(Schuerch等，1966))来实现。

发明内容