專利名稱：包含合歡木的木質(zhì)復(fù)合材料的制作方法
包含合歡木的木質(zhì)復(fù)合材料
背景技術(shù)：
木材是用來制造門和其它建筑構(gòu)件的常用材料。即使是在今天，開發(fā)出了 一些新的復(fù)合材料之后，木材由于具有極佳的強度和剛性、宜人的美觀性、良 好的絕緣性和便于加工性，仍然是最廣泛應(yīng)用的建筑材料之一。
但是，近年來，隨著處女林和原始森林逐漸耗盡，實木用材的供應(yīng)在減少， 從而使得其成本顯著升高。用這些材料制造門是特別昂貴的，這是由于通常只 有不到一半的采伐的用材木轉(zhuǎn)化為天然的實木木材，余下的部分都作為碎料拋 棄了。
因此，由于高級用材木的成本以及對保護(hù)自然資源的強調(diào)，人們已經(jīng)開發(fā) 出了基于木材的替代品來替換天然實木木材，以便更高效地利用采伐的木材和
減少作為碎料拋棄的木材量。例如膠合板、碎料板和定向木條板(oriented strand board)( "OSB")之類的基于木材的復(fù)合材料替代品可用來替代天然實木木材， 近75年來它們已經(jīng)在許多建筑應(yīng)用中用來代替天然實木木材。這些基于木材的 復(fù)合材料不僅能夠更高效地提供用材木，而且還可以由較低品質(zhì)的木材種類， 甚至從木材廢料形成這些復(fù)合材料。
但是木質(zhì)復(fù)合板的缺點在于，它們具有極高的密度；例如用山楊木制造的 OSB的密度至少約為38磅/英尺Y'pcf")，松木制造的OSB的密度通常大于42pcf。 這不僅使得OSB之類的木質(zhì)復(fù)合材料在住宅建筑之類的常規(guī)OSB應(yīng)用中對安裝 工人來說過于沉重，而且還使得它們無法用于某些用途，例如無法用于旅行車 ("RV")。具體來說，由于OSB之類的木質(zhì)復(fù)合材料的重量會降低可安裝用具 和其它康樂設(shè)備的能力，因此經(jīng)常無法用于制造旅行車("RV")。但是它們的 高密度還帶來了更多的重要缺陷。例如OSB材料的重量經(jīng)常成為材料運輸和分 銷的限制因素。例如，運輸OSB材料的卡車拖車必須在拖車上留下未裝填的空 間，這是由于已經(jīng)達(dá)到了拖車可達(dá)到的最大重量。
盡管這些基于木材的復(fù)合材料的性能特征(例如強度和絕緣性)與天然實木 木材相近，或者優(yōu)于天然實木木材，但是一些使用者抱怨在某些高濕度環(huán)境下， 例如室外壁板，當(dāng)水分滲透入復(fù)合材料邊緣使其膨脹的時候，復(fù)合材料的邊緣
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會發(fā)生膨脹和開裂。
基于上文，人們一直需要具有至少能與實木木材相比的性能，而且比常規(guī) 的OSB材料輕(密度小)的木質(zhì)復(fù)合材料。另外，該木質(zhì)復(fù)合材料還一定程度地 結(jié)合一些纖維，這些纖維來自比木質(zhì)復(fù)合材料常用樹種生長更快的樹種
發(fā)明概述
本發(fā)明涉及包含合歡木木條的木質(zhì)復(fù)合板。
本發(fā)明涉及包含合歡木木條的木質(zhì)復(fù)合板，該復(fù)合板包含約1-IOO重量%的合歡木木條；約0-99重量％的其他樹種的木條；和約1-20重量％的聚合 物粘合劑；其中，木質(zhì)復(fù)合板的密度約為23-48磅/英尺3。
發(fā)明詳述
除非有另外說明，本文所用的所有分?jǐn)?shù)、百分?jǐn)?shù)和比值均以重量為基準(zhǔn)計。 本文所引用的所有文獻(xiàn)都參考結(jié)合入本文中。
在本文中，"木材"表示一種細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其包括由木質(zhì)素聚合物結(jié)合在一 起的纖維素和半纖維素纖維組成的細(xì)胞壁。還應(yīng)注意術(shù)語"木材"通常包括木 質(zhì)纖維材料。
"木質(zhì)復(fù)合材料"表示包含木材和一種或多種木質(zhì)復(fù)合添加劑(例如粘合劑 或蠟)的復(fù)合材料。所述木材通常為薄板、小片、木條、薄片、顆粒和碎片。木 質(zhì)復(fù)合材料的非限制性例子包括定向木條板("OSB")、刨花板，碎料板，木屑 板，中密度纖維板，膠合板，平行木條木材(parallel strand lumber),定向木條木 材(oriented strand lumber)和層疊木條木材(laminated strand lumber)。木質(zhì)復(fù)合材 料的通常特征是，它們是由用聚合物樹脂和其它特殊的添加劑結(jié)合在一起的木 片(strand)和層疊薄板組成的復(fù)合材料。在本文中，"小片"、"木條"、"碎 片"、"顆粒"和"薄片"被認(rèn)為是互相等同的，且可以互相交換使用。木質(zhì) 復(fù)合材料的非排他性描述可參見Supplement Volume to the Kirk-Rothmer Encyclopedia of Chemical Technology,第765-810頁，第六版。
本發(fā)明涉及包含合歡木木條的木質(zhì)復(fù)合板。所使用的合歡木相對于木質(zhì)復(fù) 合板中常用的其它木材具有許多優(yōu)點。最主要的優(yōu)點是合歡木比其它類似的樹 種生長得快得多。另外，合歡木具有極佳的強度/重量比致密程度遠(yuǎn)小于其它 的木材合歡樹是一類快速生長的開花的樹種，原生長于伊朗、日本和亞洲的其他 地方，但目前廣泛生長在美國的南部和西部。公知的物種包括合歡(A.
Julibrissin), var. rosea, 南洋楹(paraserianthes Fakcateria)， 三角龍舌 蘭(A. lophantha)，山槐(A. Kalkom)和闊莢合歡(A. Lebbek)。合歡通常稱作 含荊樹(Mimosa )或合歡(Silk Tree),高度可達(dá)到30-40英尺，甚至達(dá)80英 尺。這種植物的樹葉為羽狀，類似于蕨類植物，其復(fù)葉在夜間收攏。在整個夏 季都開出5英寸至8英寸的絨毛簇狀粉紅色花朵，對蜂鳥很有吸引力。
合歡的各種紅玫瑰樹種生長的高度僅有15-20英尺，具有較小的簇狀深粉 色花朵；該樹種也略微更耐寒。三角龍舌蘭的硬度為次高。該樹種可以生長至 10-12英尺高，但是，通過在春天，在新生長期開始之前進(jìn)行修剪，能夠使植 株保持較小。合歡樹物種的密度比南方黃松(美國長葉松)的密度小約三分之
在本發(fā)明中，優(yōu)選合歡在采伐和隨后制成木條之前的樹齡達(dá)到約6年。
根據(jù)本發(fā)明制造的板或板材可以制成各種不同的材料形式，例如木材或木 質(zhì)復(fù)合材料，例如為定向木條板("OSB")。除了合歡樹以外，木質(zhì)復(fù)合物或 OSB板材還可單獨結(jié)合或混合結(jié)合來自其它樹種木材的木條，包括天然形成的 硬木或軟木。除了合歡樹以外適用的其他樹種包括松樹，例如火炬松、弗吉 尼亞松(Virginpine)、濕地松、短葉松和長葉松，以及白楊或其他類似于山楊木 的硬木樹種。本發(fā)明的木板包含約1-100重量％的合歡木，優(yōu)選約1-99重量％， 較優(yōu)選約50-95重量％ ，更優(yōu)選約70-90重量％ 。此外，所述木板還包括約0-99 重量％的其他樹種的木條，優(yōu)選約1-99重量％。
通常，將木材原料(原始森林或再生林)切割成所需尺寸和形狀的木條、薄 片或小片，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的。這些木條優(yōu)選長度超過2英寸, 寬度大于0.3英寸，厚度小于0.5英寸。盡管不希望被理論所限，但是我們認(rèn)為， 較長的木條(即長度大于約6英寸)，通過使其更好地排列便而提高最終產(chǎn)品的機(jī) 械強度。還已知，為了獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)選木均勻?qū)挾鹊哪緱l。均勻的 木條幾何形狀使得制造者可以對各種尺寸木條的制造工藝優(yōu)化。例如，如果所 有的木條都是4X1英寸，則可以優(yōu)化定向器，使這些木條排列成單層。如果添 加長1英寸、寬0.25英寸的木條，則其中的一些木條可能會滑動通過定向器的旁 路。交叉定向的木條會降低產(chǎn)品的整體機(jī)械強度/剛性。
切割木條之后，在烘箱中對其進(jìn)行干燥，至水分含量約為1-20%,優(yōu)選
2-18%,更優(yōu)選約為5-12%,然后用一種或多種聚合物熱固性粘合劑樹脂、蠟和 其它添加劑進(jìn)行涂覆。施涂于木材的粘合劑樹脂和其它各種添加劑在本文中稱 為涂層，即使所述粘合劑和添加劑可能為小顆粒形式(例如霧化顆?；蚬腆w顆 粒)，沒有在木材上形成連續(xù)的涂層，也可以稱為涂層。通常采用一種或多種噴 灑、摻混或混合技術(shù)，將粘合劑、蠟和任意其它的添加劑施涂于木材，優(yōu)選的 技術(shù)是，當(dāng)木條在轉(zhuǎn)筒混合器中翻滾時，將蠟、樹脂和其它添加劑噴涂到木條 上。
用需要的涂層和化學(xué)處理劑進(jìn)行涂覆和處理之后，使用這些經(jīng)過涂覆的木 條形成多層墊料。在形成多層墊料的常規(guī)方法中，以兩層或多層、優(yōu)選三層的 系列將經(jīng)過涂覆的木材依次鋪展在傳送帶上。這些木條在傳送帶上定位成交替 層，其中相鄰層中的"木條" 一般為互相垂直定向。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以 理解，在本方法制造的產(chǎn)品中，木條可以全部沿相同的方向定向，或者為沒有 具體排列的隨機(jī)取向。
可以使用各種聚合樹脂，優(yōu)選是熱固性樹脂作為木片或木條的粘合劑。合 適的聚合物粘合劑包括異氰酸酯樹脂、脲醛樹脂、酚醛樹脂、三聚氰胺-脲醛樹 脂("MUF")以及它們的共聚物。異氰酸酯是優(yōu)選的粘合劑，優(yōu)選的述異氰酸 酯選自二苯基甲烷-p,p'-二異氰酸酯種類的聚合物，其中的NCO-官能團(tuán)能與其 它有機(jī)基團(tuán)反應(yīng)，生成聚合物基團(tuán)(例如聚脲，-NCON-和聚氨酯，-NCOO-)。優(yōu) 選4,4-二苯基甲烷二異氰酸酯("MDI")。合適的商用pMDI產(chǎn)品是購自美國猶 他州鹽湖城Huntsman的Rubinate 1840，以及購自美國賓夕法尼亞州匹茲堡 Bayer Corporation, North America的Mondur 541 pMDI。合適的商用MUF粘合 劑是購自Dynea公司的LS 2358和LS 2250產(chǎn)品。
粘合劑濃度優(yōu)選約為1.5-20重量％,更優(yōu)選約為2-10重量％。通常使用蠟添 加劑來提供OSB板材的抗水分滲透能力。優(yōu)選的蠟是軟蠟(slack wax)或乳蠟。 蠟的加載量優(yōu)選約為0.5-2.5重量％。
在根據(jù)上述方法形成多層墊料之后，使用熱壓機(jī)進(jìn)行壓制，使木材熔合在 一起，形成各種厚度和尺寸的固結(jié)OSB板材。較佳的是，本發(fā)明的板在約 100-26(TC的溫度下壓制2-10分鐘。提高木質(zhì)復(fù)合材料中合歡木木條的濃度導(dǎo) 致的一種具體結(jié)果是，使該木質(zhì)復(fù)合材料變得不那么致密。例如，用松木制造 的OSB板的密度通常約為42磅/英尺s，而至少部分是由合歡木木條制造的OSB 板的密度為28-38磅/英尺3。當(dāng)然，在100%為非-合歡木木條和100%合歡木木
條的范圍中，混合木質(zhì)復(fù)合材料中使用的合歡木木條的份數(shù)越高，則板或板材
的密度越小。所述板的厚度應(yīng)約為0.6厘米(約1/4英寸)至大約10.2厘米(約4 英寸)。
下面將結(jié)合以下具體的非限制性實施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。 實施例
根據(jù)本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)制造了木質(zhì)復(fù)合板，以確定根據(jù)本發(fā)明制造的結(jié)合 有合歡木的木板的優(yōu)良木材性能特征。
從馬來西亞獲得具有以下性質(zhì)的兩種合歡樹原木，BDH(胸徑)為IO. 2-12. 5 英寸，樹高為82.0-85.0英尺，樹齡9年，相對較直。對原木進(jìn)行檢測、卸載， 在到達(dá)實驗室后迅速切片(waferized)。切片機(jī)(waf eri z er)的刀突出部(knife projection)設(shè)定為0.035英寸。使用從普通OSB生產(chǎn)廠獲得的兩片新的南部黃松原 木作為對照，并進(jìn)行相同的測試過程。用實驗室干燥器對這些木片或木條進(jìn)行 干燥。當(dāng)使用液體酚醛(PF)樹脂時，目標(biāo)木片的水分含量約為4%,使用5%的 MDI樹脂時為5X。用實驗室振動篩對木片進(jìn)行篩分。將干燥后的木片與2%熔 融蠟和不同類型和含量的樹脂摻混，S卩，對于液體PF樹脂，樹脂含量為3%和6 %，對MDI樹脂為2.5X和5X。
對于所有試驗過程，液體PF樹脂是GP3121，而使用MDI Rubinate 1840 作為MDI樹脂。摻混后，在17X17英寸的定向成形盒中使木片形成三層交叉定 向的墊料。對于各組合，制成三個復(fù)樣。用2英寸X2英寸的實驗室熱壓機(jī)于 400。F對墊料進(jìn)行210秒的壓制。所有試驗都采用以下壓制條件目標(biāo)厚度 0.438英寸，壓板溫度400°F，壓制周期210秒，閉合時間20秒，脫氣時 間40-60秒。
包含合歡木的OSB的平均密度為33. 1磅/英尺3，包含南方黃松木的OSB 的平均密度為46. 7磅/英尺3。
對于合歡木，測得OSB的平行MOR為3850-5800 psi，對于南方黃松木， 測得OSB的平行MOR為6600-9100 psi，對于合歡木，測得的OSB的垂直MOR 為3400-4950 psi，對于南方黃松木，測得的OSB的垂直MOR為3100-5500 psi， 對于合歡木，測得的OSB的平行MOE為750, 000- 1,200, 000 psi，對于南方黃 松木，測得的OSB的平行MOE為1， 100， 000-1， 370， 000 psi,對和合歡木，測 得的OSB的垂直MOE為400， 000-690， 000 psi，對于南方黃松木，測得的OSB
的垂直M0E為350， 000-580， 000 psi。
因此，可以知道，包含合歡木的OSB的強度性能能與普通的松木OSB的強 度性能相當(dāng)。同時，含有合歡木的OSB的重量比松木OSB的重量輕得多。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，可以在不背離本發(fā)明的寬泛概念的前提下對上 述實施方式進(jìn)行改變。因此應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于所揭示的具體實施方式
，而 是包括所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的變化。
權(quán)利要求
1.一種木質(zhì)復(fù)合板，其包含合歡木木條。
2. 如權(quán)利要求l所述的木質(zhì)復(fù)合板，其特征在于，所述木質(zhì)復(fù)合板包含 約1-100重量％的合歡木木條。
3. 如權(quán)利要求l所述的木質(zhì)復(fù)合板，其特征在于，所述木質(zhì)復(fù)合板包含 約1-99重量％的合歡木木條，以及約99-1重量％的其他樹種的木條。
4. 如權(quán)利要求l所述的木質(zhì)復(fù)合板，其特征在于，所述木質(zhì)復(fù)合板的密 度約為28-38磅/英尺3。
5. 如權(quán)利要求l所述的木質(zhì)復(fù)合板，其特征在于，所述木質(zhì)復(fù)合板為定 向木條板的形式。
6. 如權(quán)利要求l所述的木質(zhì)復(fù)合板，其特征在于，所述木質(zhì)復(fù)合材料包 含約1-20重量％的聚合物粘合劑。
7. —種包含合歡樹木條的木質(zhì)復(fù)合板，該復(fù)合板包含 約1-99重量％的合歡木木條；約1-99重量％的其他樹種的木條；以及約1-20重量％的聚合物粘合劑；其中，木質(zhì)復(fù)合板的密度約為28-38磅/英尺3。
全文摘要
本文公開一種包含合歡木木條的木質(zhì)復(fù)合板。
文檔編號B32B21/00GK101360603SQ200680051483
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者N·奧 申請人:邱博工程木材有限公司