改性木材和透明木材复合材料以及用于其形成和使用的系统和方法技术方案

在一些实施方案中，材料包括用折射率匹配聚合物渗透的化学改性木材的连续块。连续块具有对光基本透明的第一部分和半透明或不透明的第二部分。第一部分可以具有比第二部分低的木质素含量。或者，第一部分的发色团状态可以与处于其天然状态的木材的发色团状态不同，而第二部分中的木质素可以保持处于其天然状态的木材的发色团状态。在一些实施方案中，材料包括经化学改性的木材部分，使得处于其天然状态的木材中的木质素的发色团被改变或去除，并且该部分保留了处于其天然状态的木材的木质素的至少70％。还公开了形成这种材料的方法。素的至少70％。还公开了形成这种材料的方法。素的至少70％。还公开了形成这种材料的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改性木材和透明木材复合材料以及用于其形成和使用的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年7月10日提交的专利技术名称为“图案化的、透明木材和木材复合结构及其制造和使用方法(Patterned,Transparent Wood and Wood Composite Structures and Methods of Making and Using the Same)”的第63/050484号美国临时申请和2021年1月7日提交的专利技术名称为“图案化的、透明木材和木材复合结构及其制造和使用方法(Patterned,Transparent Wood and Wood Composite Structures and Methods of Making and Using the Same)”的第63/134936号美国临时申请的优先权，两者通过引用整体并入本文。


[0003]本公开一般涉及天然木材的加工，更具体地，涉及改性木材和/或透明木材复合材料的形成和使用。

技术实现思路

[0004]所公开主题的实施方案提供了改性木材和透明木材复合材料及其形成和使用方法。在一些实施方案中，对连续木块进行化学处理，使得其中的天然部分经历不同程度的木质素去除。例如，连续木块可以是软木，并且在化学处理之后，其早材部分可以脱木质素，而其晚材部分可以保留大量的木质素。随后用折射率匹配聚合物渗透经化学处理的木块将脱木质素部分转变为基本透明，而其他部分对于可见光光谱中的波长保持不透明或半透明。因此，所得木材复合材料可以呈现出由透明的早材部分和半透明或不透明的晚材部分的排列所限定的天然图案。
[0005]在一些实施方案中，对连续木块进行UV辅助光催化氧化处理，以原位改性其中的木质素，从而将木材的颜色转变为白色。例如，可以用液体氧化剂(例如，过氧化氢)渗透连续的木块，然后随后暴露于UV辐射，以使得从中去除木块内木质素的发色团，同时另外将木质素保留在木材的微观结构内。在一些实施方案中，将液体氧化剂施加到木块的表面和/或将木块暴露于UV光可以形成图案，其将原位改性限制在木块的特定部分。随后用折射率匹配聚合物渗透木块将原位改性部分转变为基本透明，而其他部分对于可见光光谱中的波长保持不透明或半透明。由此，所得木材复合材料可以呈现出由氧化剂和UV光的应用所限定的预定图案，而与木材中的任何根本的天然图案无关。
[0006]在一个代表性实施方案中，材料包括用聚合物渗透的化学改性木材的连续块。化学改性木材可以保持木材处于其天然状态的基于纤维素的微观结构。聚合物可以具有与纤维素的折射率基本上匹配的折射率，并填充微观结构内的开放空间。连续块可以具有第一部分和与第一部分相邻的第二部分。第一部分和第二部分中的至少一个已经被化学改性，使得第一部分的木质素特征不同于第二部分的木质素特征。第一部分可以对波长为600nm的光基本透明，第二部分可以对波长为600nm的光半透明或不透明。
[0007]在另一个代表性实施方案中，材料包括化学改性木材的部分，使得天然状态下木材内木质素的发色团被改变或去除。该部分可以保留木材处于其天然状态的木质素的至少70％。该部分还可以保留木材处于其天然状态的基于纤维素的微观结构。
[0008]在另一个代表性实施方案中，一种方法包括对连续木块进行第一时间化学处理，以便从连续块内的第一部分和第二部分中去除木质素，同时基本上保持木材的基于纤维素的微观结构。第一部分可以与第二部分相邻。可以将第一时间选择为使得第一部分中木材的木质素的至少90％被去除，而第二部分中的木质素的少于75％(例如，不超过65％，或不超过50％)被去除。该方法还可以包括用聚合物渗透连续块，以填充第一部分和第二部分的保留的基于纤维素的微观结构内的开放空间。聚合物可以具有与纤维素的折射率基本匹配的折射率。在渗透之后，第一部分可以对波长为600nm的光基本透明，和第二部分可以对波长为600nm的光半透明。
[0009]在另一个代表性实施方案中，一种方法包括将第一体积的液体氧化剂施加到连续木块的一部分的外表面，并且在施加期间或之后，将连续木块的该部分暴露于紫外线(UV)辐射。在液体氧化剂的存在下，所述部分内的木质素的发色团可以通过UV暴露原位化学氧化和去除。在暴露之后，施加前该部分中木质素的至少70％被保留。在暴露之后，该部分还可以保持施加前木材的基于纤维素的微观结构。
[0010]在另一个代表性实施方案中，一种方法包括光催化氧化连续木块的一部分，以便原位化学改性该部分内的天然木质素，以去除其发色团，同时保留其本体芳族骨架。
[0011]本公开的各种创新中的任意一种都可以组合使用或单独使用。提供该
技术实现思路
是为了以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在下文的专利技术详述中进一步描述。本
技术实现思路
无意于指定所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也无意于用于限制所要求保护主题的范围。通过参考附图进行的如下详细描述，所公开技术的前述及其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
[0012]下文将参考附图描述实施方案，附图并非必然按比例绘制。在适用的情况下，可以简化或以其他方式不示出一些元件，以辅助说明和描述根本特征。在全部附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0013]图1A是根据所公开主题的一个或多个实施方案用于形成改性木材或透明木材复合材料的通用制造方法的简化工艺流程图。
[0014]图1B
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1D是根据所公开主题的一个或多个实施方案用于形成改性木材或透明木材复合材料的替选子例行程序的简化工艺流程图。
[0015]图2A示出根据所公开主题的一个或多个实施方案可用于形成改性木材或透明木材复合材料的天然木材的径向、纵向和旋转切割件。
[0016]图2B是示出包括基于纤维素的纵向单元的天然木材的微观结构的简化截面图。
[0017]图2C是加工前具有不同部分的天然木材的连续件的照片。
[0018]图2D是示出天然木材中不同的早材部分和晚材部分的简化示意图。
[0019]图2E是天然木材中早材部分和晚材部分沿垂直于纵向木材生长方向的方向上的横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0020]图3A是根据所公开主题的一个或多个实施方案的简化示意图，其示出在化学脱木质素和聚合物渗透之后木材复合材料连续件中的不同早材部分和晚材部分。
[0021]图3B是在化学脱木质素和聚合物渗透之后透明木材复合材料中的早材和晚材部分沿垂直于纵向木材生长方向的方向上的横截面的SEM图像。
[0022]图3C是加工后的天然图案化透明木材复合材料的连续件的照片。
[0023]图4A
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4B分别示出根据所公开主题的一个或多个实施方案用于形成天然图案化透明木材复合材料的示例性批量制造设施和示例性连续或半连续制造设施。
[0024]图4C是根据所公开主题的一个或多个实施方案可用于制造设施中的示例性四分之一切片切割布置的透视图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种材料，包括：用聚合物渗透的化学改性木材的连续块，所述化学改性木材保留处于其天然状态的木材的基于纤维素的微观结构，所述聚合物具有基本上与纤维素的折射率匹配的折射率，并填充所述微观结构内的开放空间，其中所述连续块具有第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分；所述第一部分和所述第二部分中的至少一个已经被化学改性，使得所述第一部分的木质素特征不同于所述第二部分的木质素特征；所述第一部分对于波长为600nm的光是基本上透明的，并且所述第二部分对于波长为600nm的光是半透明或不透明的。2.根据权利要求1所述的材料，其中所述木质素特征是木质素含量，并且所述第一部分具有比所述第二部分更低的木质素含量。3.根据权利要求1所述的材料，其中处于其天然状态的木材是软木。4.根据权利要求1所述的材料，其中所述第一部分对于可见光光谱中的光是基本上是透明的，和所述第二部分对于可见光光谱中的光是半透明或不透明的。5.根据权利要求1所述的材料，其中所述第一部分对于波长为600nm的光具有至少85％的透光度，所述第二部分对于波长为600nm的光具有小于或等于60％的透光度。6.根据权利要求1所述的材料，其中所述第一部分中的木质素去除程度大于所述第二部分中的木质素去除程度。7.根据权利要求6所述的材料，其中所述第一部分具有不超过10％的处于其天然状态的木材的木质素，所述第二部分具有至少25％的处于其天然状态的木材的木质素。8.根据权利要求6所述的材料，其中所述第一部分的木质素含量小于或等于3wt％。9.根据权利要求6所述的材料，其中所述第一部分的木质素含量小于或等于1wt％。10.根据权利要求6所述的材料，其中所述第二部分的木质素含量大于或等于7.5wt％。11.根据权利要求6所述的材料，其中所述第二部分的木质素含量大于或等于12.5wt％。12.根据权利要求1所述的材料，其中所述第一部分具有至少90％的处于其天然状态的木材的木质素被化学改性去除，和所述第二部分具有不超过75％的处于其天然状态的木材的木质素被化学改性去除。13.根据权利要求12所述的材料，其中所述第二部分具有不超过65％的处于其天然状态的木材的木质素被化学改性去除。14.根据权利要求1所述的材料，其中所述连续木块对于波长在包括端值在内的200
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400nm之间的光具有不超过20％的透光度。15.根据权利要求1所述的材料，其中连续木块对于波长为600nm的光呈现出至少50％的雾度。16.根据权利要求15所述的材料，其中所述连续木块对于波长在包括端值在内的400
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600nm之间的光呈现出至少65％的雾度。17.根据权利要求1所述的材料，其中所述第一部分对应于处于其天然状态的木材的早材区域，和所述第二部分对应于处于其天然状态的木材的晚材区域。18.根据权利要求1所述的材料，其中：
所述第一部分具有第一密度，并且所述第一部分中的基于纤维素的微观结构具有由第一细胞壁限定的第一管腔，所述第一管腔具有第一平均横截面尺寸，和所述第一细胞壁具有第一平均厚度；所述第二部分具有第二密度，并且所述第二部分中的基于纤维素的微观结构具有由第二细胞壁限定的第二管腔，所述第二管腔具有第二平均横截面尺寸，和所述第二细胞壁具有第二平均厚度；并且所述第二密度大于所述第一密度，所述第一平均横截面尺寸大于所述第二平均横截面尺寸，所述第一平均厚度小于所述第二平均厚度，或前述的任意组合。19.根据权利要求1所述的材料，其中所述基于纤维素的微观结构具有由细胞壁限定的管腔，所述管腔沿处于其天然状态下的木材的纵向生长方向延伸，形成细胞壁的纤维素纳米纤维也沿所述纵向生长方向延伸并且基本上垂直于处于其天然状态下的木材的径向。20.根据权利要求19所述的材料，其中连续块的基本上沿径向方向的拉伸强度为处于其天然状态的木材的拉伸强度的至少三倍。21.根据权利要求19所述的材料，其中连续块的基本上沿径向方向的拉伸强度为至少20MPa。22.根据权利要求19所述的材料，其中连续块的基本上沿纵向生长方向的拉伸强度为至少60MPa。23.根据权利要求19所述的材料，其中连续块的基本上沿纵向生长方向的拉伸强度为至少80MPa。24.根据权利要求1所述的材料，其中所述木质素特征包括木质素的发色团状态，所述第一部分具有与处于其天然状态下的木材的发色团状态不同的发色团状态，所述第二部分中的木质素保持处于其天然状态的木材的发色团状态。25.根据权利要求24所述的材料，其中改变的发色团状态包括通过氧化从木质素中去除发色团。26.根据权利要求24所述的材料，其中处于其天然状态的木材是硬木或软木。27.根据权利要求24所述的材料，其中所述第一部分对于可见光光谱中的光基本上是透明的，和所述第二部分对于可见光光谱中的光是不透明的。28.根据权利要求27所述的材料，其中所述第一部分对于波长为600nm的光具有至少80％的透光度，所述第二部分对于波长为600nm的光具有小于或等于50％的透光度。29.根据权利要求27所述的材料，其中所述第一部分对于包括端值在内的400
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800nm范围内的光具有90％或更大的透光度。30.根据权利要求24所述的材料，其中所述第一部分和所述第二部分两者具有至少70％的处于其天然状态下的木材的木质素。31.根据权利要求24所述的材料，其中所述第二部分的木质素含量大于所述第一部分的木质素含量。32.根据权利要求24所述的材料，其中所述第一部分的木质素含量、所述第二部分的木质素含量、或所述第一部分和所述第二部分两者的木质素含量为至少15wt％。33.根据权利要求24所述的材料，其中所述第一部分和所述第二部分具有不超过30％的处于其天然状态的木材的木质素被化学改性去除。
34.根据权利要求24所述的材料，其中所述连续木块对于包括端值在内的200
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350nm的范围内的光具有不超过20％的透光度。35.根据权利要求24所述的材料，其中所述连续木块对于波长包括端值在内的200
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350nm之间的光具有至少80％的吸收率。36.根据权利要求24所述的材料，其中所述连续木块对于波长为600nm的光呈现出至少50％的雾度。37.根据权利要求24所述的材料，其中所述连续木块对于波长包括端值在内的400
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800nm之间的光呈现出至少65％的雾度。38.根据权利要求24所述的材料，其中所述第一部分和所述第二部分形成预定图案，所述预定图案独立于处于其天然状态下的木材的根本的基于纤维素的微观结构。39.根据权利要求24所述的材料，其中所述基于纤维素的微观结构具有由细胞壁限定的管腔，所述管腔沿处于其天然状态下的木材的纵向生长方向延伸，形成细胞壁的纤维素纳米纤维也沿所述纵向生长方向延伸并且基本上垂直于处于其天然状态的木材的径向。40.根据权利要求39所述的材料，其中：连续块基本上沿径向方向的拉伸强度为处于其天然状态下的木材的拉伸强度的至少40倍；连续块基本上沿纵向生长方向的拉伸强度为处于其天然状态下的木材的拉伸强度的至少1.5倍；连续块基本上沿径向方向的拉伸强度为至少25MPa；连续块基本上沿纵向生长方向的拉伸强度为至少40MPa；或前述的任意组合。41.一种材料，包括：化学改性木材的一部分，使得处于其天然状态的木材内木质素的发色团被改变或去除，其中所述部分保留至少70％的处于其天然状态的木材的木质素和处于其天然状态下的木材的基于纤维素的微观结构。42.根据权利要求41所述的材料，其中所述部分的木质素含量为至少15wt％。43.根据权利要求41所述的材料，其中所述部分具有至少80％的处于其天然状态下的木材的木质素。44.根据权利要求41所述的材料，其中：所述部分的三个正交尺寸中的每一个都大于或等于0.5mm；所述部分的三个正交尺寸中的每一个都大于或等于1cm；所述部分的三个正交尺寸中的至少两个大于或等于10cm；所述部分的三个正交尺寸中的至少一个大于或等于20cm；或前述的任意组合。45.根据权利要求41所述的材料，其中所述部分包括连续木块的整体。46.根据权利要求41所述的材料，其中：所述部分包括连续木块的第一部分；所述材料包括与所述第一部分相邻的所述连续木块的第二部分；并且
所述第二部分中的木质素保留处于其天然状态下的木材的发色团状态。47.根据权利要求46所述的材料，其中所述连续木块基本上由木材组成。48.根据权利要求41所述的材料，其中所述部分对于包括端值在内的400
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800nm范围内的波长的光具有90％或更大的反射率。49.根据权利要求41所述的材料，其中所述部分的颜色基本为白色。50.根据权利要求41所述的材料，其中所述部分还包括渗透基于纤维素的微观结构的聚合物，所述聚合物的折射率基本上与纤维素的折射率匹配，并填充所述微观结构内的开放空间，并且所述部分对于波长为600nm的光基本上是透明的。51.根据权利要求50所述的材料，其中所述部分对于可见光光谱内的光基本上是透明的。52.根据权利要求50所述的材料，其中所述部分具有：对于波长为600nm的光，至少80％的透光度；对于波长包括端值在内的400
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800nm范围内的光，90％或更大的透光度；对于波长包括端值在内的200
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350nm范围内的光，不超过20％的透光度；对于波长包括端值在内的200
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350nm范围内的光，至少80％的吸收率；对于波长为600nm的光，至少50％的雾度；对于波长包括端值在内的400...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡良兵，R，
申请(专利权)人：马里兰大学派克分院，
类型：发明
国别省市：