【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可模塑的和模塑的基于纤维素的结构材料以及用于其形成的系统和方法和其用途
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年4月22日提交的专利技术名称为“可模塑的结构化的基于植物的材料和其制备、折叠和切割的方法”的美国临时申请No.63/013,955的优先权，该临时申请通过引用整体并入本文。
[0003]本公开一般地涉及加工天然存在的基于纤维素的材料，更具体地，涉及形成和使用纤维植物材料以制造可模塑件和模塑结构材料。
技术实现思路
[0004]所公开主题的实施方案提供了一种“自上而下”的方法，该方法可以将木材或其他纤维植物材料(例如，竹子)加工成任意三维(3
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D)形状，同时显著提高其机械强度。在一些实施方案中，对天然植物材料进行一种或多种化学处理以从其中去除至少一些木质素(例如，部分地脱木质素)，从而软化天然植物材料。对部分地脱木质素的植物材料进行的后续干燥导致植物微结构的导管和纤维收缩。在一些实施方案中，干燥之后在流体(例如，水)中“冲击”材料以选择性地打开导管。该快速的“流体
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冲击”过程形成了独特的部分打开、皱缩的单元壁结构，为压缩提供空间以及耐受高应变的能力，使材料易于折叠和模塑。或者，在一些实施方案中，材料仅被部分干燥，使得导管保持基本上打开，从而允许折叠和模塑材料。然后可以通过进一步干燥去除残留的流体(例如，水分含量为15wt％或更少)将使用这些可模塑植物材料可以实现的不同形状和结构设定到位，从而形成刚性3
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D模塑...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.方法，包括：(a)通过对天然木材件进行一种或多种化学处理以从其中去除至少一些木质素同时保留所述天然木材件的微结构来生产部分地脱木质素的木材件，所述微结构包括基于纤维素的纵向单元，其沿着与所述天然木材的纵向生长方向基本上平行的延伸方向延伸；(b)干燥所述部分地脱木质素的木材件以从其中去除水分，使得所述基于纤维素的纵向单元中的至少一些的腔塌陷并且使得经干燥的件具有小于或等于15wt％的水分含量；(c)对部分地脱木质素的木材的经干燥的件进行流体冲击处理以得到再水合的部分地脱木质素的木材件，所述流体冲击处理包括将经干燥的件暴露于水分，再水合的件具有至少35wt％的水分含量；和(d)将再水合的部分地脱木质素的木材件由基本上平坦的平面构型形成为非平面三维构型，其中横截面尺寸小于第一尺寸的部分地脱木质素的木材的再水合件中的第一基于纤维素的纵向单元的腔基本上塌陷，并且横截面尺寸大于第一尺寸的部分地脱木质素的木材的再水合件中的第二基于纤维素的纵向单元的腔至少部分地打开。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然木材件沿垂直于所述延伸方向的方向的厚度为10mm或更小。3.根据权利要求1所述的方法，其中在(d)期间所述再水合件的水分含量为至少50wt％。4.方法，包括：(a)通过对天然木材件进行一种或多种化学处理以从其中去除至少一些木质素同时保留所述天然木材件的微结构来生产部分地脱木质素的木材件，所述微结构包括基于纤维素的纵向单元，其沿着与所述天然木材的纵向生长方向基本上平行的延伸方向延伸；(b)部分地干燥所述部分地脱木质素的木材件以从其中去除一些水分，经部分干燥的部分地脱木质素的木材件具有至少35wt％的水分含量；和(c)将经部分干燥的部分地脱木质素的木材件由基本上平坦的平面构型形成为非平面三维构型，其中横截面尺寸小于第一尺寸的经部分干燥的部分地脱木质素的木材件中的第一基于纤维素的纵向单元的腔基本上塌陷，并且横截面尺寸大于第一尺寸的经部分干燥的部分地脱木质素的木材件中的第二基于纤维素的纵向单元的腔至少部分地打开。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述天然木材件沿垂直于所述延伸方向的方向的厚度为0.1mm至10mm，包括端值。6.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中所述形成为非平面三维构型包括折叠所述件、弯曲所述件或其任意组合。7.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，进一步包括，在形成为非平面三维构型之后：(e)干燥所述件以去除其中的水分，从而设定所述件的形状并形成具有非平面三维构型的部分地脱木质素的木材的刚性单片件，其中所述刚性单片件具有小于或等于15wt％的水分含量。8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括，在(e)之前：
形成至少一个孔或开口，所述孔或开口延伸穿过具有至少35wt％的水分含量的部分地脱木质素的木材件的厚度，其中所述形成包括非机加工技术。9.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，进一步包括，在(a)之后和(b)之前：形成至少一个孔或开口，所述孔或开口延伸穿过所述部分地脱木质素的木材件的厚度，其中所述形成包括非机加工技术。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述形成至少一个孔或开口包括将针、钉子或其他尖头细长构件推入或插入到所述件中。11.根据权利要求7所述的方法，其中(e)的干燥包括暴露于空气或气流，暴露于停滞体积的空气或气体、暴露于真空、暴露于室温、加热至高于室温的温度，或其任意组合。12.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：在所述刚性单片件上形成保护层或涂层，所述保护层或涂层被构造成防止所述刚性单片件再水合。13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：将部分地脱木质素的木材的刚性单片件与一个或多个其它的部分地脱木质素的木材的刚性单片件组装在一起；将部分地脱木质素的木材的刚性单片件与一个或多个其它的木材件组装在一起；将部分地脱木质素的木材的刚性单片件与一个或多个其它的非木质材料件组装在一起以形成复合结构；或者以上的任意组合。14.根据权利要求1所述的方法，其中(c)的暴露于水分包括部分地或完全地浸入流体中、暴露于加湿环境中的流体蒸汽，或其任意组合。15.根据权利要求4所述的方法，其中在(c)期间部分地干燥的件的水分含量为至少50wt％。16.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中所述天然木材包括硬木，所述第一基于纤维素的纵向单元包括所述硬木的纤维或管胞，并且所述第二基于纤维素的纵向单元包括所述硬木的导管。17.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中所述天然木材包括软木，并且所述第一基于纤维素的纵向单元和所述第二基于纤维素的纵向单元包括管胞。18.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中对于所述第二基于纤维素的纵向单元的每个腔，在(b)的干燥之后其横截面尺寸小于在(a)之前天然木材中的其横截面尺寸。19.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中：(a)的进行一种或多种化学处理使得从天然木材中去除包括端值在内的0.1％至99％的木质素以产生部分地脱木质素的木材件；(a)的进行一种或多种化学处理使得从天然木材中去除包括端值在内的0.1％至99％的半纤维素以产生部分地脱木质素的木材件；或者以上的任意组合。20.根据权利要求19所述的方法，其中：
(a)的进行一种或多种化学处理使得从天然木材中去除50％或更少的木质素以产生部分地脱木质素的木材件；(a)的进行一种或多种化学处理使得从天然木材中去除50％或更少的半纤维素以产生部分地脱木质素的木材件；或者以上的任意组合。21.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中：(a)的进行一种或多种化学处理使得天然木材中的木质素含量降低不超过10％以产生部分地脱木质素的木材件；(a)的进行一种或多种化学处理使得天然木材中的半纤维素含量降低不超过10％以产生部分地脱木质素的木材件；或者以上的任意组合。22.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中：所述天然木材为硬木，(a)之后部分地脱木质素的木材件中木质素的量为至少10wt％；或者所述天然木材为软木，(a)之后部分地脱木质素的木材件中木质素的量为至少12.5wt％。23.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中所述一种或多种化学处理中的至少一种包括部分地或完全地浸入一种或多种化学溶液中。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述一种或多种化学溶液包括碱性溶液。25.根据权利要求23所述的方法，其中所述一种或多种化学溶液包括氢氧化钠(NaOH)、氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钾(KOH)、亚硫酸钠(Na2SO3)、硫酸钠(Na2SO4)、硫化钠(Na2S)、Na
n
S，其中n为整数、尿素(CH4N2O)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、二氧化硫(SO2)、蒽醌(C
14
H8O2)、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)、丁醇(C4H9OH)、甲酸(CH2O2)、过氧化氢(H2O2)、乙酸(CH3COOH)、丁酸(C4H8O2)、过氧甲酸(CH2O3)、过氧乙酸(C2H4O3)、氨水(NH3)、甲苯磺酸(p
‑
TsOH)、次氯酸钠(NaClO)、亚氯酸钠(NaClO2)、二氧化氯(ClO2)、氯气(Cl2)、或上述的任意组合。26.根据权利要求23所述的方法，其中所述一种或多种化学溶液包括NaOH和Na2SO3的沸腾溶液。27.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，进一步包括，在(a)之前使用辊切技术切割天然木材的基本上圆柱形部分以形成作为薄木片的天然木材件。28.通过权利要求1至27中任一项所述的方法形成的可模塑木材结构。29.通过权利要求1至27中任一项所述的方法形成的刚性模塑木材结构。30.结构材料，包括：至少两个部分地脱木质素的木材的干燥单片件，每个干燥单片件被形成为具有通过在其中多次折叠或弯曲形成的重复波状构型，所述波状构型具有含至少一个峰和至少一个谷的重复图案，每个干燥单片件具有小于或等于15wt％的水分含量；和第一支撑板和第二支撑板，其连接至所述至少两个干燥单片件。31.根据权利要求30所述的结构材料，其中所述波状构型中的折叠或弯曲围绕平行于第一方向的相应轴线，并且所述支撑板相对于第一方向设置在所述干燥单片件的相对侧上以将单片件夹在其间，并且所述结构材料具有蜂窝构型。
32.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中所述至少两个干燥单片件中相邻单片件的相对表面联接在一起。33.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中每个干燥单片件具有小于1.5g/cm3的密度、至少为140MPa的拉伸强度、至少为40MPa的抗压强度、至少115MPa/(g/cm3)的比拉伸强度，或以上的任意组合。34.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中所述结构材料具有至少3MPa的抗压强度、至少为30MPa/(g/cm3)的比抗压强度，或以上的任意组合。35.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中每个干燥单片件具有多个峰和谷。36.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中每个干燥单片件与所述第一支撑板和所述第二支撑板两者相接触。37.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中支撑板中的一个或两个包括另一部分地脱木质素的天然木材的干燥件，其具有基本上平坦的平面构型。38.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中所述第一支撑板和所述第二支撑板中的一个或两者由一种或多种非木质材料形成。39.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，其中所述结构材料被密封以防止水分渗入所述至少两个干燥单片件。40.根据权利要求30或权利要求31所述的结构材料，进一步包括：在所述至少两个干燥单片件的外表面上形成的保护层或涂层，其中，所述至少两个干燥单片件被保护层或涂层密封以防止水分渗入。41.根据权利要求30所述的结构材料，进一步包括：第三支撑板，其中所述波状构型中的折叠或弯曲围绕平行于第一方向的相应轴线，所述第一支撑板和所述第二支撑板相对于基本上垂直于第一方向的第二方向设置在第一个干燥单片件的相对侧，并且所述第二支撑板和所述第三支撑板相对于第二方向设置在第二个干燥单片件的相对侧。42.根据权利要求41所述的结构材料，其中第一个干燥单片件的波状构型的峰部在侧视图中与第二个干燥单片件的波状构型的相对应的峰部基本上对齐。43.根据权利要求41所述的结构材料，其中所述第一个干燥单片件的波状构型的峰部在侧视图中与所述第二个干燥单片件的波状构型的相对应谷部基本上对齐。44.根据权利要求30、31和41中任一项所述的结构材料，其中部分地脱木质素的木材的每个干燥单片件的微结构具有基本上塌陷的木材的基于纤维素的纵向单元，每个纵向单元沿着与天然木材的纵向生长方向基本上平行的延伸方向延伸。45.根据权利要求30、31和41中任一项所述的结构材料，其中在部分地脱木质素的木材的每个单片件中形成塌陷的纵向单元的壁的纤维素纳米纤维基本上平行于所述延伸方向延伸。46.根据权利要求30、31和41中任一项所述的结构材料，其中用于所述至少两个干燥单片件的木材包括硬木或软木。
47.根据权利要求30、31和41中任一项所述的结构材料，其中：至少两个部分地脱木质素的木材的干燥单片件中的每一个通过将相应天然木材件中的木质素含量降低包括端值在内的0.1％至99％来生产；至少两个部分地脱木质素的木材的干燥单片件中的每一个通过将相应天然木材件中的半纤维素含量降低包括端值在内的0.1％至99％来生产；或者以上的任意组合。48.根据权利要求30、31和41中任一项所述的结构材料，其中：至少两个部分地脱木质素的木材的干燥单片件中的每一个通过将相应天然木材件中的木质素含量降低50％或更少来生产；至少两个部分地脱木质素的木材的干燥单片件中的每一个通过将相应天然木材件中的半纤维素含量降低50％或更少来生产；或者以上的任意组合。49.根据权利要求30、31和41中任一项所述的结构材料，其中：至少两个部分地脱木质素的木材的干燥单片件中的每一个通过将相应天然木材件中的木质...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，肖少良，胡良兵，陈朝吉，
申请(专利权)人：马里兰大学派克分院，
类型：发明
国别省市：
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