專利名稱：木質纖維素材料的處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種處理木質纖維素材料的方法，以生產一些有用的最終產品，包括諸如面板的復合產品。
背景技術：
已知通過應用熱和壓力而化學性地將天然糖轉化成粘接劑和填充劑，可以由含有纖維素質材料的廢品生產復合產品。這些方法已經應用了許多年，一種已知的方法通常被稱為“爆炸式水解”。這種方法在于將待處理材料放入嚴格密閉的容器中，將高壓蒸汽通入容器一定時間，然后打開容器使材料從容器中爆炸出來。具體地，爆炸過程會影響半纖維素，該半纖維素是木料的非結構性組分。在爆炸過程中，半纖維素最初被斷裂成為單糖，其在爆炸過程中與其它產品進一步轉化，以形成粘合產品的樹脂材料。
現有技術1926年授予美國的William H Mason的美國專利US 1,578,609描述了分解木質纖維素材料的方法和裝置。該方法在于將木料切削成小片，將它們放置在密閉高壓室中(通常稱為“噴槍”(“gun”))，并且利用蒸汽、壓縮空氣等使所述材料受壓。在充足時間后使氣體穿透木料并且在木材中建立壓力和溫度平衡之后，將尺寸相對小的出口閥打開以使所述材料通過閥的開口強制性地從室中排出。一旦木材碎料排出，它們會逐漸地分解。
描述于美國專利US 1,578,609的這種方法隨后成為已知的“爆炸式水解”，并且該方法在美國專利US 2,303,345(Mason and Boehm)的說明書中對這種方法進行了進一步論述，該專利描述了用于由木質纖維素材料制造產品的方法在噴槍中使用高壓蒸汽以從木質纖維素中分離木質素，以及使半纖維素水解成水溶性材料。
美國專利US 2,303,345所公開的方法即通常所說的“Masonite”方法的缺點在于它產生了水溶性的粘合劑，以致于用Masonite方法形成的粘合鍵傾向于液化，致使后來產品質量劣化。
美國專利US 5,017,319(Shen)公開了一種將半纖維素材料轉化為熱固性防水粘合劑的方法。該方法在于將含有至少10％半纖維素的木質纖維素材料與高壓蒸汽接觸，以使半纖維素分解并水解成為樹脂材料而半纖維素不會明顯碳化。然后相對于一表面將所述材料加熱和加壓，以將所述材料熱固化和粘合到該表面上。
Rafferty和Scott的美國專利US 5,328,562描述了用于制備木質纖維素產品的方法和裝置，由此在第一區(qū)域將木質纖維素材料水解，將產品從第一區(qū)域移到第二區(qū)域，在足夠的壓力下將來自第一區(qū)域的過熱蒸汽混合物引入第二區(qū)域以干燥水解產品。該說明書提及一種連續(xù)能量再循環(huán)系統，因此該方法中的能量浪費最小。
另外已知的是，通過爆炸過程形成的產品的質量主要取決于在爆炸過程中產生的粘合性聚合物在所述材料中擴散程度的好壞以及所述材料被壓實的程度。在該過程中溫度非常重要，因為如果溫度太高，則會發(fā)生天然糖的降解，并且這將產生水并降低表面涂覆的效率和粘合劑的效率，導致防水性更弱且更低的產品。如果溫度太低，則會發(fā)生粘合劑聚合物的分散效果變差，從而將導致可能不具備所需質量的產品。因此，該過程的水含量控制對于優(yōu)良的過程性能是極其重要的。
另外，屬于已脫除水的糖類的呋喃和羥甲基呋喃通常存在于處理過的產品中是已知的。這種情況可在有極少自由水和需要水的反應發(fā)生的高溫下出現，例如當木質素斷裂時。呋喃是活性的并且容易參與木質素再聚合過程，即使是少量的也會有助于在處理過的產品中將大分子聯接在一起。因而有必要非常嚴格地控制濕含量以生產合格產品。
發(fā)明目的本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的過程，其中木質纖維素材料可轉化為一種能形成產品的材料，當與由先前已知的爆炸過程生產的類似產品相比較時，該產品展現出更好的質量。
本發(fā)明的又一目的是提供一種過程，其中多種木質纖維素材料可被處理成合格材料，由所述合格材料可制成諸如板材和面板的復合產品，所述木質纖維素材料例如農業(yè)廢料包括但不局限于谷草、鋸屑、木屑、為小顆粒形式的廢木材、樹皮、報紙以及其它紙張和紙板箱。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明提供一種處理木質纖維素材料的方法，包括如下步驟(a)提供至少一種木質纖維素材料，每種材料均具有可在水熱壓力容器中進行處理的顆粒尺寸；(b)在流動空氣中干燥所述材料直至濕含量為木質纖維素材料總質量的11％-25％，干燥材料的濕含量按如下計算在靜止空氣中在86.5℃±1℃下將獲得的材料進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯；(c)按不多于2倍自由流動材料被處理的方式，將所述材料裝填入水熱壓力容器中；(d)在壓力容器中低于65巴的壓力下，用蒸汽處理裝填的材料最多10分鐘；(e)使溫度和壓力恢復到環(huán)境條件；(f)干燥該產品直到該產品的濕含量最大為10wt％，干燥材料的濕含量按如下計算在靜止空氣中在86.5℃±1℃下將獲得的材料進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯。
優(yōu)選地，在被裝填到水熱壓力容器之前，將待處理材料的尺寸降低至長度最大為40mm、寬度不超過6mm以及厚度不超過6mm的范圍。
優(yōu)選地，未處理的木質纖維素材料的顆粒尺寸的厚度為不大于5mm。
優(yōu)選地，流動空氣的溫度低于90℃。
優(yōu)選地，流動空氣的溫度為高于55℃并低于90℃。
優(yōu)選地，流動空氣的溫度為55℃-75℃的范圍。
優(yōu)選地，干燥材料的濕含量按如下計算在靜止空氣中86.5℃±1℃下將獲得的材料進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯。
優(yōu)選地，將材料干燥至濕含量不低于11wt％。
優(yōu)選地，使用快速、低溫干燥器。
優(yōu)選地，在干燥材料之后，按不多于1.5倍的自由流動材料被處理的方式將它們裝填入壓力容器中。
優(yōu)選地，在壓力容器中使裝填的材料經受干燥蒸汽或至多為5℃過熱的蒸汽的處理。
優(yōu)選地，在壓力容器中于32-45巴壓力下，用蒸汽處理所裝填的材料最多10分鐘的時間。
優(yōu)選地，用蒸汽處理所裝填的材料的時間段為30-100秒。
優(yōu)選地，所述溫度和壓力在約2秒內恢復到環(huán)境條件。
優(yōu)選地，接著將經處理的材料在低于90℃的流動空氣中干燥至3％的濕含量，干燥材料的濕含量按如下計算將獲得的材料在靜止空氣中在86.5℃±1℃下進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯。
優(yōu)選地，流動空氣的溫度為55℃-75℃。
優(yōu)選地，在一定溫度和壓力以及制備具有所需性能的產品所必須的時間段內，壓制和固化通過本方法所生產的產品。
優(yōu)選地，在壓制和固化步驟中溫度為60℃-200℃。
本發(fā)明的優(yōu)選方式描述可被處理的木質纖維素材料的范圍很廣。在這些可被處理的材料中有Pinus radiata鋸屑，以及來自各類Cupressus macrocarpa、Pinus radiata、Eucalyptus sp和Acacia sp的混合鋸屑。其它材料例如為Rimu(Dacrydiumcupressum)和Red Beech(Nothofagus sp)刨花和鋸屑、麥桿和燕麥秸糠。這些合適材料的例子不意味著限制，而只是作為指出一些可處理材料提供的。例如其它材料有樹皮和回收紙張可以使用。
將待處理材料粉碎至使所述材料在已知的水熱壓力容器中能被噴射的尺寸。在極為優(yōu)選的形式中，將所述材料粉碎成長度最大為40mm、寬度最大為6mm和高度最大為6mm的尺寸范圍。在更優(yōu)選的形式中，待處理材料的厚度不大于5mm。但應理解在特定情況下，處理比上述尺寸更大的材料也是可能的，并且本發(fā)明不局限于這些優(yōu)選的范圍。
在流動空氣中優(yōu)選在合適的溫度下優(yōu)選于旋風干燥器中干燥粉碎的材料。溫度選擇取決于待處理材料的特性，以使得所述材料在干燥過程中不被損壞。在特定條件下，優(yōu)選在空氣中在例如70℃下干燥所述材料，但通常發(fā)現干燥溫度最大為90℃是令人合格的，而在特定條件下可使用甚至更高的溫度。結合流動空氣的溫度來調節(jié)空氣速度以確保對干燥充分控制，以生產濕含量為11％-25％的干燥材料。已發(fā)現在很多情況下，最佳的濕含量應為大約16％。
計算濕含量的一種優(yōu)選方法是在靜止空氣中在86.5℃±1℃下將材料進一步干燥至恒定質量，并且將該恒定質量與處理的材料的初始質量關聯。另外，該濕含量可獲得與其它揮發(fā)性組分損失相關的質量損失。也可使用本領域已知的計算和確定濕含量的其它方法。
接著，以優(yōu)選將最大為2倍但更優(yōu)選不超過1.5倍的自由流動材料裝填入反應器的方式，將所述材料裝填進水熱反應器中。然后，優(yōu)選在低于65巴以及優(yōu)選在32-45巴的壓力下，在所要求時間內將干燥蒸汽或至多為5℃過熱的蒸汽注入反應器，以實現對所述材料的合格處理。選擇壓力和溫度以確保所述材料不會燃燒并且不會過度損害它的物理性能例如氣味。處理的時間最大為10分鐘，盡管通常的時間為30-100秒。在某些情況下使用更大的壓力也是可能的。
在完成處理后，以保持過熱產生的速率降低壓力容器的壓力。這一時間可以變化，但優(yōu)選在低于約2秒內進行減壓。
針對最佳條件，用于水解的蒸汽應為100％干燥，但是在特定情況下蒸汽可為最大為5℃的稍微過熱，這有助于加速初始化學反應，并當壓力正增大至所需量時減少在反應容器中的縮聚。
蒸汽消耗將取決于
a.所需的化學反應；b.處理材料的設計最終用途；c.特定反應的時間和壓力；d.在增大所需壓力之前，所述材料在水熱反應器中的時間；e.被處理的木質纖維素材料的種類；f.裝填進反應器中的材料的溫度和濕含量。
優(yōu)選地，將材料從反應器中排出后，立即冷卻以阻止進一步的化學反應，接著優(yōu)選在第二旋風分離器中在低于90℃優(yōu)選高于55℃且更優(yōu)選低于75℃的溫度下，將產品在流動空氣中干燥。干燥材料濕含量優(yōu)選為1％-10％，更優(yōu)選為3％，如前所述，通過在靜止空氣中在86.5℃±1℃下干燥至恒定質量來計算濕含量。可用許多方法干燥水解的木質纖維素材料；例如，在美國專利US 5,236,132中公開了一種合適的干燥技術。
接著，儲存干燥材料用于后處理，例如注塑。如果使用所述材料形成面板等，在將提供所獲得的產品的所需特征和性能的溫度下，壓制和固化所述材料一段時間。在優(yōu)選形式中，所述溫度可以為40℃-200℃，但更優(yōu)選為60℃-200℃。壓力和時間曲線決定所得到產品的性能。這些性能可以從抗水性和致密性變化到非常高的密度和強度或具有低抗水性的相對多孔性。
因此，已發(fā)現可生產具有下列特征的面板密度400kg/m3-1800kg/m3。
厚度3mm至最大50mm，以及可能至多400mm或更高。
材料的耐濕性自低至完全。
機械性能類似于澳大利亞的HMR標準。


圖1給出了處理步驟的流程圖。
對于步驟(a)，可以使用寬范圍的顆粒形狀(例如薄片、碎片、條、球)，但總尺寸必須落入所述范圍內。如果待處理材料具有較大的顆粒尺寸，則蒸汽可能不會充分接觸顆粒。
在步驟(b)中，通過干燥調節(jié)濕含量。
步驟(c)可作為間歇或連續(xù)過程來進行。在該步驟中，通過蒸汽作用水解木質纖維素材料，當溫度和壓力降回環(huán)境條件時，木質纖維素為斷裂的碎片形式。
已成功地將干燥的、水解的木質纖維素材料處理成下列產品1.壓制和模塑以形成密度為400-1800kg/m3的壓實防水板。優(yōu)選地，壓制溫度保持為120℃-210℃，而由成品所需的密度來決定壓制時間。作為例子，對于密度為1600kg/m3，壓制時間約為240秒，而對于密度為600kg/m3，壓制時間是15分鐘。
2.注塑以形成實心形狀。
3.造粒以形成粒狀燃料。在這個例子中，初始材料可包括稻草、鋸屑、樹皮和城市木質纖維素廢料和/或它們的組合。獲得的燃料的熱量值與中等民用煤的熱量值類似。
已描述了實現本發(fā)明的優(yōu)選方法，對各種特征和項目的修改和改進，對本發(fā)明所涉及的領域的技術人員來說是顯而易見的，并且仍屬于本發(fā)明的整體構思范圍內?？梢岳斫獾氖牵景l(fā)明的范圍將覆蓋所有這些修改和改進。
權利要求
1.一種處理木質纖維素材料的方法，所述方法包括如下步驟(a)提供至少一種木質纖維素材料，每種材料均具有可在水熱壓力容器中進行處理的顆粒尺寸；(b)在流動空氣中干燥所述材料直至濕含量為木質纖維素材料的總質量的11％-25％，其中干燥材料的濕含量按如下計算通過在靜止空氣中在86.5℃±1℃下將獲得的材料進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯；(c)按不多于2倍自由流動材料被處理的方式，將所述材料裝填入水熱壓力容器中；(d)在壓力容器中于低于65巴的壓力下，用蒸汽處理裝填的材料最多10分鐘；(e)使溫度和壓力恢復到環(huán)境條件；(f)干燥該產品直至該產品的濕含量最大為10wt％，其中干燥材料的濕含量按如下計算通過在靜止空氣中在86.5℃±1℃下將獲得的材料進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯。
2.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中在被裝填到水熱壓力容器之前，將該待處理材料的尺寸降低至長度最大為40mm、寬度不超過6mm以及厚度不超過6mm的范圍。
3.如權利要求2所述的處理木質纖維素材料的方法，其中未處理的木質纖維素材料的顆粒尺寸的厚度不大于5mm。
4.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中流動空氣的溫度低于90℃。
5.如權利要求4所述的處理木質纖維素材料的方法，其中流動空氣的溫度為55℃-90℃。
6.如權利要求4所述的處理木質纖維素材料的方法，其中流動空氣的溫度為55℃-75℃。
7.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中干燥材料的濕含量按如下計算通過在靜止空氣中在86.5℃±1℃下將獲得的材料進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯。
8.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中將材料干燥至濕含量不低于11wt％。
9.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中使用快速、低溫干燥器。
10.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中在干燥材料之后，以不多于1.5倍自由流動材料被處理的方式將它們裝入壓力容器中。
11.如權利要求10所述的處理木質纖維素材料的方法，其中在壓力容器中，用干燥蒸汽或至多為5℃過熱的蒸汽來處理裝填的材料。
12.如權利要求10所述的處理木質纖維素材料的方法，其中在壓力容器中于32-45巴壓力下，用蒸汽處理所裝填的材料最多10分鐘的時間。
13.如權利要求10所述的處理木質纖維素材料的方法，其中用蒸汽處理所裝填的材料的時間段為30-100秒。
14.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中壓力在低于約2秒內恢復到環(huán)境壓力。
15.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中接著將處理過的材料在低于90℃的流動空氣中干燥至3％的濕含量，所述干燥材料的濕含量按如下計算通過將獲得的材料在靜止空氣中在86.5℃±1℃下進一步干燥至恒定質量，并將該恒定質量與木質纖維素材料的初始質量關聯。
16.如權利要求15所述的處理木質纖維素材料的方法，其中流動空氣的溫度為55℃-75℃。
17.如權利要求1所述的處理木質纖維素材料的方法，其中在一定溫度和壓力下將通過權利要求1的方法所生產的產品壓制并固化一定的時間長度，以生產具有所需性能的產品。
18.如權利要求17所述的處理木質纖維素材料的方法，其中在壓制和固化步驟中溫度為60℃-200℃。
19.通過前述權利要求任意一項的方法生產的產品。
全文摘要
一種處理木質纖維素材料的方法，包括以下步驟將所述材料粉碎至可在水熱壓力容器中處理的尺寸，在流動空氣中干燥所述材料以達到特定濕含量，將所述材料裝填進容器中并在壓力下在所述容器內對所述材料進行蒸汽處理，降低容器壓力從而使溫度和壓力恢復至環(huán)境條件，并將產品干燥至特定濕含量；如此形成的該產品可用于注塑或形成面板等。
文檔編號D21B1/36GK1575221SQ02821015
公開日2005年2月2日 申請日期2002年10月16日 優(yōu)先權日2001年11月6日
發(fā)明者A·J·拉弗爾迪 申請人:木質素技術發(fā)展有限公司