强韧结构木质材料及其制造方法和用途技术

一种超强韧致密化木质结构，由以下方法形成：对纤维素基天然木质材料进行从其中部分地去除木质素的化学处理。经处理的木材保留了天然木材的管腔，其中，细胞壁的纤维素纳米纤维排列整齐。然后，在与管腔延伸方向交叉的方向上按压经处理的木材，使得管腔塌陷以及木材内的任何残余液体被去除。结果是，细胞壁交错在一起，相邻的纤维素纳米纤维之间形成氢键，从而提供了木材的强度和韧性等力学性能。通过进一步改良、操纵或加工致密化木材，它可适合于各种应用。各种应用。各种应用。

【技术实现步骤摘要】
强韧结构木质材料及其制造方法和用途
[0001]本申请是申请号为201880037695.7的中国专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2017年4月10提交的美国临时专利申请62/483,828和2018 年2月7日提交的美国临时专利申请62/627,6000的权益，其在此通过引用 整体并入本文。


[0004]本专利技术一般涉及天然木质结构，更具体地涉及对天然木材进行化学处 理和按压，以具有增强的强度和韧性，以及包含该强韧木质材料的结构和 装置。

技术实现思路

[0005]所公开主题的实施方案提供了一种强韧木质结构，其是通过化学处理 纤维素基天然木质材料以从其中部分去除木质素形成的。经处理的木材保 留了天然木材的管腔(lumina)，其中，细胞壁的纤维素纳米纤维排列整齐。 然后，在与管腔延伸方向(例如，具有与管腔延伸的方向垂直的力分量) 交叉的方向上按压经处理的木材，使得管腔塌陷，并且木材内的任何残余 液体被去除。结果是，细胞壁交错在一起，相邻的纤维素纳米纤维之间形 成有氢键，从而提高了木材的强度和韧性等力学性能。通过进一步改良、 操纵或加工被按压的经化学处理的木材，它可适合于各种结构应用。
[0006]在一个或多个实施方案中，一种结构，包括：第一天然木材片，所述 第一天然木材片已被化学处理以从其中部分去除木质素，同时又基本上保 留了纤维素基管腔的结构，然后再在与管腔延伸方向交叉的第一方向上进 行按压，使得所述管腔至少部分塌陷。
[0007]在一个或多个实施方案中，一种方法，包括用化学溶液处理天然木材 片以便部分除去其中的木质素，同时保留了纤维素基管腔的结构，所述管 腔在第一方向延伸。所述方法还可包括：处理后，在与第一方向交叉的第 二方向上按压经化学处理的木材为时第一时间，使得管腔至少部分塌陷。
[0008]在一个或多个实施方案中，一种结构，包括致密化木材片，其中，管 腔完全塌陷，在截面视图中，管腔的细胞壁之间无任何空隙。
[0009]在一个或多个实施方案中，一种层压板，包括多个致密化木材片。在 横截面视图中，每个致密化木材片可具有至少部分塌陷的管腔。所述管腔 在各个延伸方向上延伸。至少一些所述致密化木材片的延伸方向彼此相交。 所述层压板中的多个致密化木材片连接在一起。
[0010]当结合附图考虑时，所公开主题的实施方案的目的和优点通过以下描 述将变得显而易见。
附图说明
[0011]下文将参考附图来描述实施方案，附图不一定是按比例绘制的。在适 用的情况下，为了辅助说明和描述基本特征，可以简化或不说明一些元件。 在所有附图中，相同的参
考数字表示相同的元件。
[0012]图1是根据所公开主题的一个或多个实施方案的制造强韧木质结构的 示例性流程图。
[0013]图2A是根据所公开主题的一个或多个实施方案的经化学处理以从其 中部分地除去木质素的天然木材片的简化示意图。
[0014]图2B是根据所公开主题的一个或多个实施方案的按压后的图2A的经 化学处理的木材的简化示意图。
[0015]图3A是未去除任何木质素情况下的天然木材片的简化图。
[0016]图3B是按压后的图3A的天然木材的简化图。
[0017]图3C是未去除任何木质素的天然木材在与树木生长方向垂直的方向 上的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0018]图3D是未去除任何木质素的天然木材在与树木生长方向平行的方向 上的纵截面的SEM图像。
[0019]图3E是按压后的天然木材在与树木生长方垂直的方向上的横截面的 SEM图像。
[0020]图3F是按压后的天然木材在与树木生长方向平行的方向上的纵向截 面的SEM图像。
[0021]图4A是根据所公开主题的一个或多个实施方式的经化学处理以从其 中部分去除木质素的天然木材片的简化图。
[0022]图4B是根据所公开主题的一个或多个实施方式的图4A的经化学处理 的木材在按压后的简化图。
[0023]图4C是根据所公开主题的一个或多个实施方式的经化学处理的木材 被按压后在垂直于树木生长方向的方向上的横截面的SEM图像。
[0024]图4D是根据所公开主题的一个或多个实施方式的经化学处理的木材 被按压后在与树木生长方向平行的方向上的纵截面的SEM图像。
[0025]图4E是根据所公开主题的一个或多个实施方式的图4D的区域410的 放大SEM图像。
[0026]图4F是示出根据所公开主题的一个或多个实施方式的经化学处理的 木材的交错的细胞壁的纤维素纳米纤维之间的氢键的示意图。
[0027]图5A是根据所公开主题的一个或多个实施方式的被按压的、经化学处 理的木材的所得密度值随木质素含量变化的图。
[0028]图5B是根据所公开主题的一个或多个实施方式的针对不同木质素含 量的被按压的、经化学处理的木材的应力
‑
应变曲线图。
[0029]图5C是经过化学处理以去除所有木质素后的被按压木材在与树木生 长方向平行的方向上的纵向截面的SEM图像。
[0030]图6A是根据所公开主题的一个或多个实施方式的被涂覆的被按压、经 化学处理的木材片的简化图。
[0031]图6B是各种结构材料的最大工作温度与拉伸强度的曲线图。
[0032]图7A是根据所公开主题的一个或多个实施方式的经化学处理的其表 面具有多个纳米粒子的木材的简化图。
[0033]图7B是根据所公开主题的一个或多个实施方式的图7C的木材在按压 后的简化图。
[0034]图7C是根据所公开主题的一个或多个实施方式的经化学处理的具有 纳米颗粒的木材的管腔内表面在按压前的SEM图像。
[0035]图7D是根据所公开主题的一个或多个实施方式的图7C的区域720的 放大SEM图像。
[0036]图8A是根据所公开主题的一个或多个实施方式的形成强韧木材的示 例性工艺的简化示意图。
[0037]图8B是根据本公开主题的一个或多个实施方式的采用旋转切割形成 强韧木材的示例性工艺的简化示意图。
[0038]图8C是根据所公开主题的一个或多个实施方式的由天然木材的空心 柱体形成强韧木材的示例性工艺的简化示意图。
[0039]图8D是根据所公开主题的一个或多个实施方式的由天然木材的实心 柱体形成强韧木材的示例性工艺的简化示意图。
[0040]图8E是根据本公开主题的一个或多个实施方式的由天然木材的实心 柱体形成强韧木材的另一示例性工艺的简化示意图。
[0041]图9A是根据所公开主题的一个或多个实施方式的用于弯曲被按压的、 经化学处理的木材的装置的简化示意图。
[0042]图9B是根据本公开主题的一个或多个实施方式的被按压的经化学处 理的木材的示例性弯曲件的图像。
[0043]图9C是根据本公开主题的一个或多个实施方式的被按压的经化学处 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构，其包括：纤维植物的化学改性的致密片，其中由以其原生状态的纤维植物的纤维素基的微结构限定的管腔在所述纤维植物的化学改性的致密片中塌陷，和其中，从所述纤维植物的化学改性的致密片的纤维素基的微结构至少部分地去除存在于以其原生状态的纤维植物中的木质素。2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述纤维植物是硬木、软木或竹子。3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述纤维植物的化学改性的致密片的密度为1.16
‑
1.30g/cm3。4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述片基本由化学改性的致密的纤维植物组成。5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述纤维植物的化学改性的致密片具有至少350MPa的拉伸强度和1.20
‑
1.30g/cm3的密度。6.根据权利要求1所述的结构，其中，氢键将所述纤维植物的化学改性的致密化片中的塌陷的管腔的相对部分连接在一起。7.根据权利要求1所述的结构，其中：所述纤维植物的化学改性的致密片已被化学处理从而是疏水的或耐候或耐盐水；和/或所述结构还包括在所述纤维植物的化学改性的致密片的一个或多个外表面上的疏水性涂料或耐火涂层。8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述纤维植物的化学改性的致密片中的纤维素纳米纤维基本平行于所述塌陷的管腔的延伸方向排列。9.根据权利要求1所述的结构，其还包括在所述纤维植物的化学改性的致密片中的塌陷的管腔内加入的非原生的疏水纳米颗粒。10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述纤维植物的化学改性的致密片保留存在于以其原生状态的纤维植物中的至少5％的木质素。11.根据权利要求10所述的结构，其中，所述纤维植物的化学改性的致密片保留存在于以其原生状态的纤维植物中的至少55％的木质素。12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述纤维植物的化学改性的致密片保留存在于以其原生状态的纤维植物中的至少90％的木质素。13.根据权利要求1所述的结构，其中，所述纤维植物的化学改性的致密片的木质素含量为5
‑
16重量％，包括端点值。14.一种方法，包括：通过将纤维植物片浸渍于脱木质素溶液中对其进行化学改性，使得(i)由以其原生状态的纤维植物的纤维素基的微结构限定的并在第一方向延伸的管腔被基本保留，和(ii)存在于以其原生状态的纤维植物中的木质素的至少一些从所述纤维植物片的纤维素基的微结构去除；和在与所述第一方向交叉的第二方向上按压所述经化学改性的纤维植物片，使得被保留的管腔塌陷，从而形成纤维植物的化学改性的致密片。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述纤维植物是硬木、软木或竹子。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述按压后，所述纤维植物的化学改性的致密片的密度为1.16
‑
1.30g/cm3。17.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述按压后，所述纤维植物的化学改性的致密片具有至少350MPa的拉伸强度和1.20
‑
1.30g/cm3的密度。18.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述按压后，所述片基本由化学改性的致密的纤维植物组成。19.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述化学改性后，所述纤维植物片保留存在于以其原生状态的纤维植物中的至少5％的木质素。20.根据权利要求19所述的方法，其中，在所述化学改性后，所述纤维植物片保留存在于以其原生状态的纤维植物中的至少55％的木质素。21.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述化学改性后，所述纤维植物片保留存在于以其原生状态的纤维植物中的至少90％的木质素。22.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述化学改性后，所述纤维植物片的木质素含量为5
‑
16重量％，包括端点值。23.根据权利要求14所述的方法，其中，所述脱木质素溶液包括碱性溶液。24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述碱性溶液包括NaOH、NaHSO3、SO2、H2O、Na2SO3、蒽醌(AQ)、Na2S
n
，其中n是整数、CH3OH、C2H5OH、C4H9OH、HCOOH、NH3、p
‑
TsOH、NH3‑
H2O、H2O2、NaClO、NaClO2、CH3COOH(醋酸)、ClO2、和Cl2、或它们的任意组合。25.根据权利要求14所述的方法，其中，在真空下进行所述化学改性，使得所述脱木质素溶液渗透至所述纤维植物片的管腔中。26.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述按压后：木材的化学改性的致密片中的纤维素纳米纤维基本平行于所述塌陷的管腔的延伸方向排列；和氢键将木材的化学改性的致密片中的塌陷的管腔的相对部分连接在一起。27.根据权利要求14所述的方法，其还包括：在所述按压前，将非原生的疏水纳米颗粒沉积在所述管腔内或所述纤维素基的微结构的内表面上，其中，在所述按压后，所述非原生的疏水纳米颗粒被加入至塌陷的管腔中。28.根据权利要求14所述的方法，其还包括：在所述化学改性后，通过将木材片浸渍于二甲基二硫代氨基甲酸铜(CDDC)、铜氨(胺)季铵盐(ACQ)、铬化砷酸铜(CCA)、氨铜锌砷酸盐(ACZA)、环烷酸铜、酸性铬酸铜、柠檬酸铜、铜唑、8
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【专利技术属性】
技术研发人员：胡良兵，祝名伟，宋建伟，
申请(专利权)人：马里兰大学派克分院，
类型：发明
国别省市：