木材复合面板产品的木质素强化粘附性制造技术

提供了一种用木质素改性木质纤维素材料并且将木质素和异氰酸酯或其他木材胶粘剂掺入木材产品组合物中的方法，并且公开了其组合物、制备和用于结合木材产品的应用。所述组合物包含衍生自多种天然资源的木质素、含有两个或更多个异氰酸酯官能团的异氰酸酯化合物、或其他木材胶粘剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】木材复合面板产品的木质素强化粘附性相关申请的交叉引用本申请要求2017年10月2日提交的美国临时申请序列号62/566,776的优先权，将其内容通过引用以其整体并入本文。
其为一种用木质素改性木质纤维素材料并且将木质素和异氰酸酯木材胶粘剂掺入木材产品组合物中的方法。
技术介绍
复合木材产品是通常用于构造墙壁、地板、屋顶、门、橱柜、家具和建筑模制品的结构或非结构面板。最常见的木材复合面板产品包括：胶合板、定向刨花板(OSB)、颗粒板(PB)、和不同密度的纤维板[低密度纤维板(LDF)、中密度纤维板(MDF)和高密度纤维板(HDF)]。当前使用的主要木材胶粘剂为：甲醛基树脂，诸如脲-甲醛(UF)、三聚氰胺-甲醛(MF)、三聚氰胺-脲-甲醛(MUF)间苯二酚-甲醛(RF)、苯酚-间苯二酚-甲醛(PRF)和苯酚-甲醛(PF)树脂，以及无甲醛树脂，诸如聚合物亚甲基二苯基二异氰酸酯(pMDI)。用于木材应用的甲醛基树脂是热固型树脂。固化之前，它们在树脂体系中含有一定的游离甲醛含量。固化之后，所述游离甲醛中的大部分与树脂体系的其他组分反应或从面板蒸发。因此，面板中捕获仅少量的游离甲醛。固化之后，PF、RF、PRF和MF的结构十分稳定。这些固化树脂中不再产生游离甲醛，并且从面板的游离甲醛释放随时间降低。然而，由于固化UF的化学结构在高湿度条件下不稳定，因此固化UF在此类条件下产生游离甲醛。用于大多数木材复合面板产品(例如，OSB、PB和MDF)的树脂体系通常包括树脂(例如，UF、PF、pMDI等)和蜡。蜡在木材复合材料中的作用是降低木材复合面板的吸水率并且改进尺寸稳定性。然而，蜡无助于结合。相反，如果它存在于木材配料颗粒之间，则它会削弱结合。每种类型的木材复合面板对所施用的树脂具有不同要求。对于OSB面板的制造，树脂粘度应低于500cps，通常为150-300cps。对于PB板和MDF板的制造，树脂粘度应小于1000cps。如果树脂粘度高，则需要采取某些措施来调节树脂施用系统以确保树脂施用均匀并且良好地分布在木材配料的表面上。木材由三个主要组分构成：纤维素(约40％-50％)、半纤维素(约20％-30％)和木质素(约20％-30％)。木质素是所有木质纤维素材料(包括木材)中非常重要的组分。作为大分子，木质素是多酚且无定形的，对木材的天然特性有很大贡献。可想象地，如果可以将另外的木质素含量引入木材，则可以显著地改变或增强木材特性，这将导致新的或改进的木材产品以及各种经济和环境效益。关于木质素可以如何强化木材复合面板的粘附性，可以做出若干种假设：1)掺入此类产品中的木质素有助于在面板制造过程的热处理步骤期间产生木质纤维素材料之间的强物理相互作用，从而导致木质纤维素材料之间的粘附性，以及2)木质素经由不同的机制(例如，化学反应)与不同的树脂体系(例如，异氰酸酯、酚醛树脂、和/或脲-甲醛树脂与蜡)缔合以强化木质纤维素材料之间的粘附性。上述第一种假设可以基于以下来证明。通常，在木材复合面板的制造过程中，树脂化木质纤维素材料(木材配料)的水分含量为约6％-15％、优选8％-12％。此外，压制温度为约180℃-225℃。当将另外的木质素以基于干木材重量约0wt％-10wt％或优选0.25wt％-3wt％的剂量掺入木质纤维素材料中时，预期此木质素与水分子缔合(例如，通过离子基团的水合或氢键键合)以形成某种木质素-水络合物。如本领域中已知的，软木木质素的玻璃化转变温度在呈干形式时为约140℃-170℃，而硬木木质素的玻璃化转变温度在呈干形式时为约110℃-140℃。玻璃化转变温度Tg是聚合物从刚性塑料(低于Tg)变为柔性橡胶状材料(高于Tg)时的温度。如还已知的，当木质素呈湿形式和/或存在其他木材组分(例如，纤维素、半纤维素)时，玻璃化转变温度显著降低多达100℃。因此，通过这种机制(所添加的木质素以及在木质纤维素材料中的木质素的并行软化)，预期在木材复合材料的制造过程中，所添加的木质素可以与木质纤维素材料中的木质素建立强的物理相互作用，因为后者由约20wt％-30wt％的木质素构成。结果，预期在面板制造过程中在木质纤维素材料和木质素之间形成强的粘附性，因为湿木质素所暴露的温度与湿木质素的玻璃化转变温度在相同的范围内(压板温度可能大于180℃，而木质纤维素材料的芯温度通常高于130℃或140℃)。在面板冷却之后，预期木质素凝固(刚性塑料形式)，从而在木质纤维素材料(例如，所使用的木材颗粒)之间产生永久粘附性。上述第二种假设可以基于以下来证明。根据所使用的树脂体系(例如，异氰酸酯树脂、酚醛树脂、脲甲醛树脂与蜡)，木质素将通过不同的机制来强化木质纤维素材料之间的粘附性。例如，下面讨论三种不同树脂体系的情况。A)异氰酸酯树脂体系(通常为pMDI加蜡)当异氰酸酯、特别是pMDI(NCO含量为按重量计约30％)用于木质纤维素材料面板制造中时，基于木质纤维素材料的干重，pMDI的剂量为小于5wt％并且最通常为2wt％-3wt％。如果例如在这种胶粘剂体系中，其具有3wt％的木质素、3wt％的pMDI和8wt％的水分(基于压制前木质纤维素材料的干重)，则木质素、pMDI和水的重量比率将是3∶3∶8。官能团摩尔比率将不同于重量比率。木质素的羟基含量通常在200与300mgKOH/g之间。这意味着100克木质素含有0.356-0.534摩尔的可与异氰酸酯中的NCO基团反应的羟基。pMDI通常含有30wt％的NCO含量，在100gpMDI中产生0.714摩尔NCO基团。100g水中的羟基含量将为11.11摩尔。因此，在木质素∶pMDI∶水的重量比率为3∶3∶8的情况下，木质素中的OH∶pMDI中的NCO基团∶水中的OH基团将为0.356-0.534∶0.714∶(11.11x8/3)＝0.356-0.534∶0.714∶29.629＝1.0-1.5∶2.0∶83。如从这些相对摩尔比率看出，水中的-OH(羟基)基团比木质素中的-OH基团高得多。在25℃非催化条件下异氰酸酯与“OH”基团的相对反应性如下：对于伯羟基(RCH2-OH)为100，对于水(HOH)为100，对于羧酸羟基(RCOOH)为40，对于仲羟基(RR'CH-OH)为30，并且对于叔羟基(RR'R”C-OH)为0.5。异氰酸酯与胺和衍生物的相对反应性如下：对于伯脂族胺(R-NH2)为100,000，对于仲脂族胺(RR'NH)为20,000-50,000，对于伯芳族胺(Ar-NH)为200-300，对于脲(R-NH-CO-NH-R)为15，对于氨基甲酸酯(R-NH-CO-O-R)为0.3，并且对于酰胺(RCO-NH2)为0.1。如果假设所有的OH(羟基)基团都是伯羟基(木质素不是这种情况)，则木质素中的-OH基团与异氰酸酯中的NCO基团的反应性将类似于在类似浓度下在水中的-OH与异氰酸酯中的NCO基团。由于木质素中的-OH、pMDI中的NCO和水中的-OH的官能团摩尔比率为1.0-1.5∶2.0∶83.1，因此人们可能期望与pMDI中的NCO基团反应的来自水的OH基团比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生产木材产品的方法，其包括：/na)将木材材料与木质素、异氰酸酯或其他胶粘剂和部分蜡或无蜡共混，产生树脂化材料；/nb)从所述树脂化材料形成垫；以及/nc)在升高的温度下压缩或模制所述垫，产生木材产品。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171002 US 62/566,7761.一种生产木材产品的方法，其包括：
a)将木材材料与木质素、异氰酸酯或其他胶粘剂和部分蜡或无蜡共混，产生树脂化材料；
b)从所述树脂化材料形成垫；以及
c)在升高的温度下压缩或模制所述垫，产生木材产品。


2.根据权利要求1所述的方法，其中首先将所述木材材料和木质素在共混器中共混，产生木材材料-木质素混合物；使所述木材材料-木质素混合物流入蒸煮器中，压缩所述木材材料-木质素混合物；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。


3.根据权利要求1所述的方法，其包括通过塞式螺杆将所述木质素掺入所述木材材料中，产生木材材料-木质素混合物；使所述木材材料-木质素混合物流入蒸煮器中，压缩所述木材材料-木质素混合物；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。


4.根据权利要求1所述的方法，其中使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中，其中掺入所述木质素，产生压缩木材材料-木质素混合物；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。


5.根据权利要求1所述的方法，其中使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料；将所述木质素掺入所述压缩木材材料中，产生压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。


6.根据权利要求1所述的方法，其中使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料；精制所述压缩木材材料，产生精制纤维；将所述木质素通过吹制线掺入所述精制纤维中，产生精制纤维-木质素混合物，将所述精制纤维-木质素混合物与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。


7.根据权利要求1所述的方法，其中使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料；精制所述压缩木材材料，产生精制纤维；将所述精制纤维共混到所述异氰酸酯和部分蜡或无蜡中，产生精制纤维-异氰酸酯的混合物；将所述精制纤维-异氰酸酯混合物干燥；以及将木质素共混到所述精制纤维-异氰酸酯混合物中，产生所述树脂化材料。


8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其中所述压力蒸汽的温度在130℃-190℃之间。


9.根据权利要求2-8中任一项所述的方法，其中所述木材材料是木材碎屑或木材锯屑。


10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述木材产品是绝缘板和/或模制产品。


11.根据权利要求2-9中任一项所述的方法，其中所述木材产品是低密度绝缘板、中密度纤维板(MDF)、高密度纤维板(HDF)、纤维基绝缘板、纸产品、或非木材木质纤维素板。


12.根据权利要求1所述的方法，其中所述木材产品是颗粒板(PB)、定向刨花板(OSB)、树皮板、或非木材木质纤维素板。


13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述木质素呈粉末形式或呈悬浮液。


14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述木质素是硫酸盐木质素、苏打木质素、水解木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂木质素、二噁烷酸解木质素、碾磨木材木质素、或克拉松木质素。


15.根据权利要求1所述的方法，其中所述木材材料呈木材颗粒的形式，并且所述木材胶粘剂是脲-甲醛树脂或苯酚-甲醛树脂或异氰酸酯树脂以生产颗粒板。


16.根据权利要求1所述的方法，其中所述木材材料呈木条的形式，其中所述单独的条带是约2.0-2.5cmx10-15cm，并且所述木材胶粘剂是苯酚-甲醛树脂或异氰酸酯树脂以生产OSB面板。


17.一种生产木材产品的方法，其包括：
a)在共混器中将木材碎屑与木质素共混，产生木材碎屑-木质素混合物；
b)使所述木材碎屑-木质素混合物流过塞式螺杆，压缩所述木材碎屑-木质素混合物；
c)使所述压缩木材碎屑-木质素混合物流入蒸煮器中；
d)通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材碎屑-木质素混合物；
e)精制所述压缩木材碎屑-木质素混合物，产生精制纤维；
f)向所述精制纤维中添加异氰酸酯和部分蜡或无蜡，产生异氰酸酯-精制纤维的混合物；
g)将所述异氰酸酯-精制纤维的混合物干燥，产生干树脂化纤维；

【专利技术属性】
技术研发人员：章耀林，L·库伊斯奈，M·帕列奥洛古，S·帕拉迪斯博伊斯，S·雷蒙德，M·W·冯，Z·黄，
申请(专利权)人：FP创新研究所，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA