专利名称：纤维素和木质素纤维素结构材料以及用于制造该材料的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及纤维素和木质素纤维素结构材料，例如木材和木纤维基复合材料，以 及用于制造这样的材料的系统和方法。
背景技术：
木材是存在于诸如乔木和灌木的木本植物的茎中的纤维组织。根据University of Minnesota Extension的文章，木材一般由纤维素(大约50%)、半纤维素(大约 15 % -25 % )和木质素(大约 15 % -30 % )组成。(http://www. extension, umn. edu/ distribution/naturalresources/components/6413chl. html.)木材用于很多种的应用，例如作为建筑材料(包括构架木材、装饰木制品、地板 等)，用于船中、牙签、枪托、橱柜、家具、运动器材以及编织和针织机的部件。此外，许多产品 是通过将木材或木纤维加工成其它材料而制成的。例如，许多产品是通过将木纤维分散在 树脂基体中而制成的，包括复合建筑材料，如梁、刨花板、复合地板材料和用作木材替代品 的许多其它产品。其它产品是由粘合在一起的木材层制成的，例如层板和胶合木层压板如 胶合板。与诸如金属、塑料和混凝土的其它材料相比，木材有许多优点。例如，树木是一种 可再生资源，其栽培抵消了碳排放并且保护了野生动物的栖息地。此外，木材具有许多应用 所需的美学品质，如地板和家具，并且具有良好的强度重量比和良好的弹性(例如与金属 或混凝土相比)。木材还通常展现出良好的热、声和电绝缘性能。不同类型的木材展现出不同的机械和美学特性，并具有不同的成本。例如，不同类 型的木材展现出远远不同的强度、硬度和挠曲特性。具有较低弯曲模量的较软的木材通常 可以以较低的成本获得，而且在一些情况下可以具有理想的美学特性，但由于其机械性能 而不适合于某些用途。
发明内容
本申请的许多实施方案使用NaturalForce 化学(Natural Force Chemistry) Natural Force 化学方法使用物理力的受控的应用和操控，例如粒子束、重力、光等，以产 生预期的结构和化学分子改变。在优选的实施方案中，Natural Force 化学方法在没有化 学或微生物的情况下改变分子结构。通过施加自然的工艺，新的有用物质可以在没有有害 环境干扰的条件下产生。本发明至少在部分程度上基于如下发现用合适剂量的电离辐射照射纤维素或木 质素纤维素材料，例如木材或木纤维(单独或在复合材料中或在含纤维的组合物中)，有利 地影响该材料的物理性能，例如提高木材或纤维的至少纤维素部分的分子量和交联程度。 结果，可以有利地改变纤维素和木质素纤维素材料的机械和/或其它性能。例如，木材和含 有木纤维的复合材料的弯曲模量和其它强度/硬度性质可以通过用电离辐射照射来提高。
3该模量的提高改善材料的强度重量比，从而使得更薄更轻的结构构件能够在给定的应用中 使用。在复合材料的情况下，由该复合材料制成的部件的性能可相当于或优于完全由塑料 形成的类似部件的性能，可以大量节省成本。改变的其它性能将在下面讨论，包括木材或纤 维的杀菌以抑制真菌生长以及导致的劣化。一方面，本发明在于经照射的照射木材的淬火方法，该经照射的木材包括已用至 少0. IMRad的具有至少IMeV能量的辐射照射过的木材照射，该木材在照射前具有小于约35 重量％的水分含量，并且该照射将该木材的纤维素组分的分子量从第一分子量提高到比第 一分子量高至少约10%的相对更高的第二分子量。另一方面，本发明在于如下方法用至少0. IMRad的具有至少IMeV能量的辐射照 射具有小于约35重量％的水分含量的木材，以将该木材的纤维素组分的分子量从第一分 子量提高到比第一分子量高至少约10%的相对更高的第二分子量，然后将经照射的木材淬 火。另一方面，本发明在于木材的处理方法，该方法包括用电离辐射照射具有第一分 子量和小于约35重量％的水分含量的未处理木材，以将该木材的纤维素组分的分子量提 高到相对更高的第二分子量。一些实施方案包括一个或多个以下特征。木材可以多次照射。辐射的能量可以为 至少lMeV。该方法可以进一步包括将电离辐射的剂量控制为至少0. lOMRad。电离辐射的 剂量可以控制在约0. 25至约2. 5MRad的水平。照射可以包括用伽马射线和/或电子束射 线照射。电子束中的电子可以具有至少1. 25MeV的能量，例如从约2. 5MeV至约7. 5MeV。该 方法可以进一步包括将经照射的材料淬火，在一些情况下在气体的存在下进行，选择该气 体以与经照射材料中存在的游离基反应。分子量的提高可以为至少10%，例如至少50%。另一方面，本发明在于复合材料的制造方法，该方法包括将基体材料与经照射的 纤维材料组合，所述经照射的纤维材料通过照射包括第一纤维素和/或木质素纤维素材料 的纤维材料从而提供第二纤维素和/或木质素纤维素材料而制备，所述第一纤维素和/或 木质素纤维素材料具有第一分子量，所述第二纤维素和/或木质素纤维素材料具有比第一 分子量高的第二分子量。一些实施方案可以包括一个或更多上述特征和/或以下特征。该基体材料可以包 括树脂。该纤维材料可以包括木纤维、木屑和/或木材颗粒。该纤维材料可以在将基体材 料与该纤维材料组合之前、过程中或之后照射。该方法可以进一步包括将基体材料固化，例 如在照射步骤过程中。照射也可以在固化后进行。一些实施方案包括用涂料或染料对经照射的木材进行表面处理。其它实施方案可 以包括向经照射的木材的接枝点上接枝接枝剂，该木材已在选定条件下照射，以官能化该 木材来提供多个接枝点。该接枝剂可以包括反应性染料。在一些情况下，木材与接枝剂作 为组合进行照射，以使得接枝剂结合到木材的纤维素或木质素纤维素材料上。该接枝剂可 以共价结合到纤维素或木质素纤维素材料上。经照射和淬火的木材可以用于层压板中。在一些情况下，经照射的木材通过引导带正电的离子入射到该木材上而照射，该 带正电的离子通过如下方式形成形成多个带负电的离子，将带负电的离子加速到第一能 量，从至少一些带负电的离子中去除多个电子以形成带正电的离子，并将该带正电的离子 加速到第二能量。
在一些情况下，经照射的木材通过将该木材暴露于经加速的带电粒子而照射，所 述经加速的带电粒子通过如下方式形成产生多个带电粒子，并通过引导每个该带电粒子 多次通过包含依时电场的加速器腔，或者引导该带电粒子通过包含不同电势的多个电极的 加速腔，或者引导该带电粒子通过包含多个波导(其中各个波导包含电磁场)的加速器而 将该多个带电粒子加速。另外一个方面，本发明的方法包括照射已注入包含木质素的液体的木材。已用本文所述的任何方法照射的木材可以用于建筑材料(包括构架木材、装饰木 制品、地板等)，木材制成的产品如船、牙签、枪托、橱柜、家具、运动器材以及编织和针织机 的部件，以及由粘合在一起的木材层制成的产品如层板、镶木地板以及胶合木层压板如胶 合板和叠层梁。层压板的照射可以发生在进行层压之前或之后。纤维素或木质素纤维素材料可以选自废纸、木材、刨花板、锯末、青贮饲料、草、稻 壳、甘蔗渣、棉、黄麻、大麻、亚麻(flax)、竹、剑麻、马尼拉麻、玉米芯、玉米秆、柳枝稷、苜蓿、 干草、稻壳、椰毛、棉、海草、藻类及其混合物。本文所用的术语“未处理的木材”指的是处于其收获或收获并干燥的自然状态的 木材。这一词组不包括已经用树脂或并非天然存在于木材中的其它材料浸渍过的实木。本文所用的术语“纤维材料”包括纤维素和木质素纤维素纤维材料，如木纤维、颗 粒和碎屑以及来自其它纤维素材料如玉米秆和大麻的纤维。该纤维材料可以是自然状态的 和/或加工过的，如经过脱木素。下列美国专利申请的每个的全部公开内容通过引用纳入本文全部于2008年4 月30日提交的美国临时申请第61/049，391号、第61/049，394号、第61/049，395号、第 61/049，404 号、第 61/049，405 号、第 61/049，406 号、第 61/049，407 号、第 61/049，413 号、 第61/049，415号和第61/049，419号；全部于2008年6月18日提交的美国临时申请第 61/073，432 号、第 61/073，436 号、第 61/073，496 号、第 61/073，530 号、第 61/073，665 号 和第61/073，674号；于2008年10月20日提交的美国临时申请第61/106，861号；全部于 2008年12月19日提交的美国临时申请第61/139,3 号和第61/139，453号；以及全部于 2009年4月3日提交的美国专利申请第12/417, 707号、第12/417, 720号、第12/417,840 号、第 12/417，699 号、第 12/417，731 号、第 12/417，900 号、第 12/417，880 号、第 12/417，723 号、第 12/417，786 号和第 12/417，904 号。在本文公开的任何方法中，辐射可以由坑室中的设备施加。除非另有说明，本文所用的全部技术和科学术语与本发明所属领域的技术人员同 样理解的含义相同。尽管类似于或等同于本文所述的方法和材料可以用于本发明的实践或 测试，适合的方法及材料说明如下。全部的出版物、专利申请、专利和本文提及的其它文献 其全部通过引用纳入本文。在冲突的情况下，本说明书(包括定义)优先。另外，材料、方 法和实例只为了说明而非为了限制。本发明的其它特征和优点在下列详细说明和权利要求中是显而易见的。
图1是木材加工系统的图示。图2是木材复合材料制造系统的图示。
图3是说明改变纤维材料的分子和/或超分子结构的示意图。图4是伽马射线照射器的透视剖示图。图5是图4的区域R的放大的透视图。图6是DC加速器的示意图。图7是场电离源的示意图。图8是静电离子分离器的示意图。图9是场电离发生器的示意图。图10是热离子发射源的示意图。图11是微波放电离子源的示意图。图12是循环加速器的示意图。图13是静电加速器的示意图。图14是动态线性加速器的示意图。图15是van de Graaff加速器的示意图。图16是折叠式串列式加速器的示意图。
具体实施例方式如上所述，本发明部分地基于如下发现通过以合适的水平照射纤维材料，即纤维 素和木质素纤维素材料，可以改变纤维材料的至少纤维素部分的分子结构。例如，分子结构 的改变可以包括纤维素部分的相区尺寸、平均分子量、平均结晶度、表面积、聚合、孔隙率、 支化和接枝中任意一个或多个的改变。分子结构的这些改变可以反过来导致纤维材料所表 现的物理特征的有利的改变。此外，可以有利地改变纤维材料的官能团。美国专利No. 7，307，108、7，074，918、6，448，307、6，258，876、6，207，729、 5，973，035和5，952，105以及多件专利申请(包括提交于2006年3月23日的“FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, " PCT/US2006/010648,以及 “FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES, ”美国专利申请公开No. 2007/0045456)中记载了多种纤维素和木质素纤维素 材料、它们的用途以及应用。上述文献在此通过引用全部纳入本文。纤维素或木质素纤维素 材料可以包括例如废纸、木材、碎料板、锯屑、青贮饲料、草、稻壳、甘蔗渣、棉、黄麻、大麻、亚 麻(flax)、竹子、剑麻、马尼拉麻、稻草、玉米芯、玉米秆、柳枝稷、苜蓿、干草、稻壳、椰毛、棉、 海草、藻类及其混合物。在一些情况下，纤维素或木质素纤维素材料包括压缩的纤维素或木 质素纤维素材料，如压缩的草、稻草或干草。这种压缩的材料可用于例如作为建筑材料。相对较低剂量的辐射可以交联、接枝或以其它方式提高纤维素或木质素纤维素材 料(如纤维素)的分子量。在一些实施方案中，木材的初始数均分子量(照射之前)为约 200，000 至约 3，200，000，例如约 250，000 至约 1，000，000 或约 250，000 至约 700，000。在 一些实施方案中，木纤维或颗粒的初始数均分子量(照射之前)为约20，000至约100，000， 例如约25，000至约500，000。照射后的数均分子量比初始数均分子量大，例如大至少约 10%、25%、50%、75%、100%、150%、200%、300%或高达 500%。例如，如果初始数均分子 量在约20，000至约1，000, 000范围内，照射后的数均分子量在一些情况下为约40，000至 约 2，000，000。正如将在下面进一步详细讨论的，交联、接枝或以其它方式提高天然或合成纤维素材料的分子量可以通过选择所用的辐射的类型和/或施加的辐射剂量以受控的和预定 的方式进行，从而为特定应用提供所需性能如强度。该新方法可以用于通过以选定的次数和受控的剂量施加电离辐射来有利地改变 木材、木纤维或含有木纤维的复合材料的各种性能。例如，用辐射处理松木可以产生相对更 高强度的结构材料。具有提高的分子量的木纤维可用于制造复合材料，如纤维-树脂复合材料，其具 有改善的机械性能如耐磨性、抗压强度、抗折强度、冲击强度、弯曲强度、拉伸模量、弯曲模 量和断裂伸长率。交联、接枝或以其它方式提高选定材料的分子量，相对于未处理的材料， 可以改善该材料的热稳定性。提高选定材料的热稳定性使其能够在更高的温度加工而不劣 化。此外，用辐射处理纤维素材料能为该材料消毒，这会降低木材或复合材料促进真菌、霉 菌、霉病、微生物、昆虫等如树皮甲虫、线虫等的生长的趋势。电离辐射也可用于控制纤维材料的官能化，即该材料上或该材料中存在的官能团。电离辐射可在木材制造或铣削过程的任何所需的阶段施加以提高木材的分子量。 例如，参见图1，辐射可施加于原木、锯材，或在修边、修整或其它进一步的工艺之后。在某些 情况下，需要照射由木材形成的最终产品，例如棒球棒、枪托、家具物品或地板材料。在这一 最后阶段的照射使木材能够在相对软的状态下被铣削或以其它方式加工成所需的形状，并 随后照射以提高其硬度和其它机械性能。在其它情况下，可能需要较早照射木材，例如为了 提高木材的模量，使其足够能承受进一步的加工而不破裂或损坏。木材可以在干燥步骤如 窑炉或空气干燥之前或之后照射。在照射期间通常优选木材处于相对干燥的状态下。用电离辐射处理之后，第二纤维素和/或木质素纤维素材料可以例如通过压缩成 型、注塑成型或挤压与诸如树脂的材料结合并形成复合材料。在例如WO 2006/102543中描 述了形成树脂-纤维复合材料。复合材料一旦形成，可以照射它们以进一步提高该复合材 料中含碳水化合物材料的分子量。或者，包含具有第一分子量的第一纤维素和/或木质素纤维素材料的纤维材料， 可以与诸如树脂的材料结合以提供复合材料，然后可以将该复合材料用电离辐射照射，从 而提供具有比第一分子量高的第二分子量的第二纤维素和/或木质素纤维素材料。例如， 参见图2，辐射可施加于原木；剥皮之后；切削到所需的纤维颗粒尺寸之后；与树脂混合之 后，成型步骤如挤压、配板或成型之前或之后；固化之后或固化过程中以影响或增强固化； 或者任何进一步的加工步骤期间或之后。值得注意的是，剥皮过程中所得的树皮如果需要 可用于形成纸浆，例如使用我们2008年4月30日提交的申请USSN 61/049，391中描述的 方法。有利地，照射可造成树脂和纤维材料之间在接枝点的结合，对该复合材料的物理 特性产生协同效应。这种结合可以通过照射造成的纤维材料官能化而增强。在一些实施方案中，树脂为可交联树脂，并因此，当含碳水化合物材料分子量提高 时该树脂交联，这可以提供协同效应来为复合材料提供最大机械性能。例如，这种复合材料 可以具有优异的低温性能，例如具有降低的在低温下破裂和/或开裂的趋势，例如温度低 于0°c，如低于-10°c、-20°c、-40°c、-50°c、-60°C或甚至低于-100°C，和/或在高温下优 异性能，例如能够在相对较高温度下保持其有利的机械性能，例如温度高于ioo°c，如高于125°C、150°C、200°C、250°C、300 V、400 V或甚至高于500 V。此外，这种复合材料可以具有 优异的耐化学性能，例如在诸如烃类溶剂的溶剂中的耐膨胀性，对例如强酸、强碱、强氧化 剂(如氯或漂白剂)或还原剂(例如活泼金属如钾和钠)的化学腐蚀的耐性。在一些实施方案中，树脂或其它基体材料在照射过程中不交联。在一些实施方案 中，当含碳水化合物材料在该基体内时，施加额外的辐射以进一步提高该含碳水化合物材 料的分子量。在一些实施方案中，辐射造成在基质与该含碳水化合物材料之间形成键。在一些实施方案中，在生产过程中的多于一个点上施加辐射。例如，第一剂量的辐 射可以在木纤维与树脂基体混合之前施加到木纤维以改善其可加工性，而第二剂量可施加 到纤维/树脂混合物以改善该复合材料的机械性能。作为另一个例子，第一剂量的辐射可 施加于诸如原木或木梁、板或片的木材原料，从而为进一步加工而改善其性能，而第二剂量 的辐射可施加于由该木材原料制成的诸如棒球棒、枪托或家具的产品，以改善其最终性能。照射以影响材料的官能团在用一种或多种电离辐射(例如光子辐射(例如X射线或Y射线)、电子束辐射 或者用带正电或负电的比电子重的粒子(例如质子或碳离子)的照射)处理后，本文中所 述的任何含碳水化合物材料或混合物发生电离；即它们以可检测(例如用电子自旋共振光 谱仪)的水平包含游离基。在电离之后，可以使离子化的任何材料淬火以降低离子化材料 中的游离基的水平，例如使得游离基不再可用电子自旋共振光谱仪检测到。例如，可以通过 向离子化材料施加足够的压力和/或将离子化材料与和游离基反应(淬火)的流体例如气 体或液体接触而将游离基淬火。可以使用多种气体(例如氮气或氧气)或者液体以至少帮 助游离基的淬火，以及将离子化材料用期望的官能团官能化。因而，照射然后淬火可以用于 提供具有期望的官能团的材料，所述官能团包括例如以下的一种或多种醛基、烯醇基、亚 硝基、腈基、硝基、酮基、氨基、烷基氨基、烷基、氯代烷基、氯氟烷基和/或羧酸基团。这些基 团提高它们所存在的材料区域的亲水性。在一些实施方案中，在诸如涂布和压光的处理步 骤之前或之后对材料照射并淬火，以影响材料表面中和/或表面上的官能团，从而影响材 料的性能例如材料表面对漆、粘合剂、涂料等的吸收性。在复合材料的情况下，官能团可以 使得经照射的纤维材料更容易分散于树脂或其它基体材料中。图3说明了通过用电离辐射例如用足够能量的电子或离子将材料电离而对纤维 材料进行预处理，以提供第一水平的游离基，从而改变纤维材料例如木材、木纤维或木材颗 粒的分子和/或超分子结构。如图3所示，如果离子化材料保持在大气中，它将被氧化，例 如通过与大气氧的反应生成羧酸基团。由于游离基可以在照射后“存活”一定的时间，例如 长于1天、5天、30天、3个月、6个月或者甚至长于1年，材料性质可以继续随着时间变化， 这在一些情况下是不希望的。通过电子自旋共振光谱检测经照射的样品中的游离基和这样的样品中的游离基 寿命在以下文献中讨论Bartolotta等人，Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471, UR Bartolotta ^X, Radiation Protection Dosimetry, Vo 1. 84, Nos. 1-4, PP. 293-296(1999)。如图3所示，可以将离子化材料淬火以使离子化材料官能化和/或稳定化。在一些实施方案中，淬火包括向离子化材料施加压力，例如通过材料的机械变形， 例如直接在一维、二维或三维上对材料进行机械压缩，或者向材料所浸没的流体施加压力，例如等静压(isostatic pressing)。在这样的情况下，材料自身的变形使得经常束缚在结 晶相区中的游离基足够接近，以便游离基可以复合或与另一基团反应。在一些情况下，压 力的施加与加热同时进行，例如热量足以将材料的温度提高到离子化材料的组分(例如木 质素、纤维素或半纤维素)的熔点或软化点以上。加热可以改善材料中的分子流动性，这 可以有助于游离基的淬火。当使用压力进行淬火时，压力可以大于约lOOOpsi，例如大于约 1250psi、1450psi、3625psi、5075psi、7250psi、10000psi，或者甚至大于 15000psi。在一些实施方案中，淬火包括使离子化材料与能够与游离基反应的流体如液体或 气体接触，例如气体，例如乙炔或乙炔在氮气中的混合物、乙烯、氯代乙烯或者氯氟代乙烯、 丙烯或者这些气体的混合物。在其它具体实施方案中，淬火包括使离子化材料与液体接触， 例如可溶解于离子化材料中或者至少能够渗透到离子化材料中并且与游离基反应的液体， 例如二烯，例如1，5_环辛二烯。在一些具体实施方案中，淬火包括使离子化材料与抗氧化 剂例如维生素E接触。如果需要，该材料可以包含分散于其中的抗氧化剂，并且淬火可以来 自于将分散于材料中的抗氧化剂与游离基接触。用于淬火的其它方法是可能的。例如，Muratoglu等人的美国专利申请公开 No. 2008/00677 和Muratoglu等人的美国专利No. 7，166，650中记载的用于淬火聚合物材 料中的游离基的任何方法可以用于淬火本文中记载的任何离子化材料，所述文献的全部内 容在此通过引用纳入本文中。此外，Muratoglu的任一文献中记载的任何淬火剂(在上述 Muratoglu的公开内容中称为“敏化剂”)和/或任何抗氧化剂可以用于淬火任何离子化材 料。可以通过使用重带电离子(例如本文中记载的任何较重离子)增强官能化。例如， 如果希望增强氧化，可以将带电氧离子用于照射。如果期望氮官能团，可以使用氮离子或者 包含氮的任何离子。类似地，如果期望硫或磷基团，可以在照射中使用硫或磷离子。在某些实施方案中，在淬火后，可以将本文中记载的任何经淬火的离子化材料用 一种或多种进一步的辐射剂量进行进一步处理，例如电离或非电离辐射、声处理、热解和氧 化，用于额外的分子和/或超分子结构改变。在一些实施方案中，在淬火之前在惰性气体例如氦或氩的保护下照射纤维材料。在一些情况下，材料可以在一种或多种附加的流体(例如气体和/或液体)的存 在下暴露于粒子束。在一种或多种附加的流体的存在下材料向粒子束的暴露可以提高处理 的效率。在一些实施方案中，材料在流体例如空气的存在下暴露于粒子束。在本文公开的 任何一种或多种加速器(或其它类型的加速器)中加速的粒子通过输出口(例如薄膜，例 如金属箔)耦合出加速器，通过流体占据的一定量的空间，然后入射到材料上。除了直接处 理材料，一些粒子通过与流体粒子的相互作用而生成额外的化学物质(例如由空气的多种 组分如臭氧和氮氧化物生成的离子和/或游离基)。这些生成的化学物质也可以与该材料 相互作用，并且可以充当材料中的多种不同的化学键断裂反应的引发剂。例如，产生的任何 氧化剂可以将该材料氧化，这可以导致分子量降低。在某些实施方案中，附加的流体可以在 粒子束入射到材料上之前选择性地引入粒子束的路径中。如以上所讨论，粒子束的粒子与 引入的流体的粒子之间的反应可以生成额外的化学物质，该化学物质与材料反应并可以帮 助材料的官能化，和/或选择性地改变材料的某些性质。该一种或多种附加的流体可以从例如供应管导入粒子束的路径中。引入的流体的方向和流速可以根据期望的暴露速率和/ 或方向进行选择，以控制整个处理的效率，包括基于粒子的处理所产生的效果以及由于引 入的流体动态生成的物质与材料之间的相互作用而产生的效果。除了空气，可以引入离子 束中的示例性的流体包括氧气、氮气、一种或多种稀有气体、一种或多种卤素和氢气。可以通过例如选择电离粒子的特定类型和剂量而控制官能团的位置。例如，Y射 线往往影响材料中的分子的官能化，而电子束辐射往往优先影响表面的分子的官能化。在一些情况下，材料的官能化可以与照射同时发生，而不是作为独立的淬火步骤 的结果。在这种情况下，可以以多种方式影响官能团的类型和氧化程度，例如通过控制覆盖 待照射材料的气体，照射束穿过该气体。合适的气体包括氮气、氧气、空气、臭氧、二氧化氮、 二氧化硫和氯。在一些实施方案中，官能化导致在纤维材料中形成烯醇基团。这可以增强官能化 材料对墨水、粘合剂、涂料等的吸收性，并可以提供接枝点。冷却经照射的材料在用电离辐射对如上讨论的材料的处理过程中，尤其是在高剂量速率下，例如大 于 0. 15MRad 每秒的速率，例如 0. 25Mrad/s、0. 35Mrad/s,0. 5Mrad/s、0. 75Mrad/s 或者甚至 大于IMrad/秒，材料可以保留大量的热量以使得材料的温度升高。尽管在一些实施方案中 高温可以是有利的，例如当期望较快的反应速率时，但是有利的是控制该加热以便保持对 电离辐射引起的化学反应(例如交联、断链和/或接枝)的控制，从而保持对工艺的控制。例如，在一种方法中，将材料在第一温度下用电离辐射例如光子、电子或离子(例 如带单个或多个电荷的阳离子或阴离子)以足够的时间和/或足够的剂量进行照射，以将 材料升高到比第一温度高的第二温度。然后将经照射的材料冷却到第二温度以下的第三温 度。如果需要，经冷却的材料可以用辐射例如用电离辐射处理一次或多次。如果需要，可以 在每次辐射处理后和/或处理过程中将材料冷却。在一些情况下，冷却可以包括将材料与温度低于第一或第二温度的流体例如气体 接触，例如77K或约77K的气态氮。在一些实施方案中甚至可以使用水，例如温度低于标称 室温(例如25摄氏度)的水。辐射的类型可以通过以下手段提供辐射，例如1)重带电粒子，例如α粒子；2)电子，例如在 β衰变或电子束加速器中产生的电子；或者3)电磁辐射，例如、射线、X射线或紫外线。 不同形式的辐射通过辐射的能量所确定的特定相互作用将生物质离子化。重带电粒子主要通过库仑散射将物质离子化；此外，这些相互作用产生可以进一 步将物质离子化的高能电子。α粒子与氦原子核相同并且通过多种放射性原子核的α衰 变产生，所述放射性原子核为例如铋、釙、砹、氡、钫、镭、多种锕系元素例如锕、钍、铀、镎、 锔、锎、镅和钚的同位素。电子通过电子速度的变化产生的轫致辐射和库仑散射而相互作用。电子可以通过 发生β衰变的放射性原子核产生，所述放射性原子核例如为碘、铯、锝和铱的同位素。或 者，电子枪可以通过热离子发射而用作电子源。电磁辐射通过三种过程相互作用光电吸收、康普顿散射和电子偶生成。主要的相 互作用由入射辐射的能量和材料的原子序数决定。对纤维素材料中吸收的辐射有贡献的相
10互作用之和可以通过质量吸收系数表示。电磁辐射细分为、射线、X射线、紫外线、红外线、微波或无线电波，这取决于它们 的波长。例如，γ射线可以用于照射材料。参见图4和5(区域R的放大视图)，γ线照射 器10包括、射线源408(例如6tlCo颗粒)、用于固定待照射材料的工作台14以及贮藏库 (storge) 16 (例如由多个铁板制成)，它们均容纳在混凝土防泄露室(坑室)20中，该坑室 在铅衬门沈以远包含迷宫入口 22。贮藏库16包括多个通道30，例如16个或更多个通道， 这些通道使得Y射线源在它们的与工作台邻近的路线上通过贮藏库。在操作中，将待照射的样品放置在工作台上。将照射器配置成递送期望的剂量，并 将监视装置与试验区31连接。然后操作者离开防泄露室，穿过迷宫入口并穿过铅衬门。操 作者操作控制板32，指示计算机33使用连接到液压泵40上的液压缸36将辐射源12提升 到工作位置。γ射线具有在样品中的多种材料中大的穿透深度的优点。、射线源包括放射性 原子核，例如钴、钙、technicium、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊和氙的同位素。X射线源包括电子束与金属靶的撞击，所述金属为例如钨或钼或合金，或者压缩光 源(compact light source)，例如Lyncean商业生产的那些。用于紫外线的源包括氘或镉灯。用于红外线的源包括蓝宝石、锌或硒化物窗陶瓷灯(selenide window ceramic lamps)0用于微波的源包括速调管、Slevin型RF源或使用氢、氧或氮气的原子束源。在一些实施方案中，将电子束用作辐射源。电子束具有高剂量速率(例如1、5或 者甚至IOMrad每秒)、高生产量、低防泄露和低束缚(confinement)装置的优点。此外，具 有4-lOMeV的能量的电子可以具有5至30mm或更高，例如40mm的穿透深度。电子束可以通过例如静电发生器、级联发生器、变压发生器、具有扫描系统的低能 加速器、具有线状阴极的低能加速器、线性加速器以及脉冲加速器而产生。可以使用电子作 为电离辐射源，例如对于相对较薄的材料，例如小于0. 5英寸，例如小于0. 4英寸、0. 3英寸、 0. 2英寸或小于0. 1英寸。在一些实施方案中，电子束的各个电子的能量为约0. 25MeV至 约7. 5MeV(百万电子伏)，例如约0. 5MeV至约5. OMeV,或者约0. 7MeV至约2. OMeV。电子 束照射设备可以从比利时 Louvain-Ia-Neuve 的 Ion Beam Applications 或 San Diego,CA 的Titan Corporation购买。典型的电子能量可以为1、2、4. 5、7. 5或10MeV。典型的电子 束照射设备功率可以为1、5、10、20、50、100、250或500kW。典型的剂量可以取1、5、10、20、 50、100 或 200kGy 的值。在考虑电子束照射设备功率规格时涉及的因素包括运行成本、资本成本、折旧和 设备轨迹(device footprint)。在考虑电子束照射的暴露剂量水平时涉及的因素将会是能 量消耗和环境、安全和健康(ESH)问题。电子束照射设备可以产生固定束或者扫描束。扫描束可以具有大扫描长度和高扫 描速度的优点，这将有效地替代大的、固定的束宽度。此外，可以获得0. 5m、lm、aii或更大的 可用扫描宽度。在其中用电磁辐射进行照射的实施方案中，电磁辐射可以具有例如大于102eV，例如大于103、104、IO5UO6或者甚至大于107eV的每光子能量(电子伏)。在一些实施方案 中，电磁辐射具有IO4至107，例如IO5至IO6eV的每光子能量。电磁辐射可以具有例如大于 1016hz、大于1017hz、1018、1019、102°或者甚至大于1021hz的频率。在一些实施方案中，电磁辐 射具有IO18至1022hz，例如IO19至1021hz的频率。可以用于将以上讨论的源产生的离子加速的一种加速器为Dynamitr0n(可以从 例如 Radiation Dynamics Inc.获得，其现为比利时 Louvain-Ia-Neuve 的 IBA 的单位)。 Dynamitron加速器1500的示意图显示于图6中。加速器1500包括注射器1510(它包括离 子源)和包括多个环形电极1530的加速柱1520。注射器1510和柱1520容纳在被真空泵 1600抽空的外壳1540中。注射器1510产生离子束1580，并将束1580引入加速柱1520中。将环形电极1530 保持在不同的电势，使得当离子通过电极之间的间隙时被加速(例如，离子在间隙中被加 速，而不是在电极中，在电极中电势是均勻的)。当离子在图6中从柱1520的顶部向底部行 进时，离子的平均速度提高。相继的环形电极1530之间的间距通常是提高的，因而容纳更 高的平均离子速度。在加速的离子已穿过柱1520的长度以后，经加速的离子束1590通过递送管1555 耦合出外壳1540。选择递送管1555的长度以使得足够的屏蔽物(例如混凝土屏蔽物)可以 位于与柱1520相邻的位置，将柱隔离。在通过管1555后，离子束1590通过扫描磁体1550。 扫描磁体1550由外部逻辑单元(未示出)控制，该扫描磁体可以以受控的方式在垂直于柱 1520的中轴线取向的二维平面中扫描经加速的离子束1590。如图6所示，离子束1590通 过窗口 1560(例如金属箔窗口或筛(screen))，然后被扫描磁体1550引导撞击到样品1570 的选定区域上。在一些实施方案中，施加到电极1530上的电势是通过DC电势源产生的静电势。在 某些实施方案中，施加到电极1530上的电势的一些或全部是通过可变电势源产生的可变 电势。大电势的合适的可变源包括放大场源(amplified field source)，例如速调管。因 此，根据施加到电极1530的电势的性质，加速器1500可以以脉冲或连续模式运行。为了在柱1520的输出端获得选定的加速离子能量，基于现有技术中公知的考虑 因素选择柱1520的长度和施加到电极1530的电势。然而，值得注意的是，为了降低柱1520 的长度，可以用多电荷离子代替单电荷离子。也就是说，对于带有两个或两个以上电荷的离 子，两个电极之间的选定的电势差的加速效应大于对于带有1个电荷的离子。因而，任意离 子X2+可以在比相应的任意离子X+在更短的长度内加速到最终能量E。三电荷和四电荷离 子(例如X3+和X4+)可以在更短的距离内加速到最终能量E。因此，当离子束1580主要包 含多电荷离子物质时可以将柱1520的长度显著降低。为了加速带正电的离子，选择柱1520的电极1530之间的电势差以使得图6中场 强提高的方向为向下(例如朝向柱1520的底部)。相反，当加速器1500用于加速带负电 的离子时，在柱1520中将电极1530之间的电势差反转，并且图6中场强提高的方向为向上 (例如朝向柱1520的顶部)。向电极1530施加的电势的重新配置是简单的程序，使得加速 器1500可以相对快速地从加速正离子向加速负离子转变，反之亦然。类似地，加速器1500 可以快速地从加速单电荷离子向加速多电荷离子转变，反之亦然。剂量
在一些实施方案中，进行低剂量照射以提高分子量(使用任何辐射源或者辐射源 的组合)，直到材料接受至少0. IMRad的剂量，例如至少0. 25,0. 5,0. 75、1. 0,1. 5,2. 0,2. 5、 3. 0,4. 0或5. OMrad。在一些实施方案中，进行照射直到材料接受0. 25Mrad至5. OMrad的 剂量，例如 0. 5MRad 至 4. OMrad 或者 1. OMrad 至 3. OMRad0以上讨论的剂量也适合于该材料的官能化，剂量越高，官能化程度一般越高。照射多次以达到给定的最终剂量是可取的，如通过递送IMRad剂量十次来提供 IOMRad的最终剂量。这可以防止受照射材料过热，特别是如果把该材料在剂量之间冷却。为了获得辐射向材料中的期望的渗透程度，同时或依次从多个方向照射也是可取 的。例如，根据木材的密度和水分含量以及所用的辐射源类型(如伽马射线或电子束)，辐 射进入木材的最大渗透可以只有约0.75英寸。在这种情况下，较厚部分(最高达1.5英 寸)可以通过首先从一侧照射木材，然后把木材翻转并从另一侧照射而进行照射。对于电 子束射线，从多个方向照射特别有用，它比伽马射线照射得更快但通常达不到那么大的渗 透深度。在一些实施方案中，以5. 0至1500. 0千拉德/小时，例如10. 0至750. 0千拉德/ 小时或50. 0至350. 0千拉德/小时的剂量速率进行照射。当需要高生产量时，可以以例如 0. 5至3. OMRad/秒或者甚至更快的速率施加辐射，使用冷却以避免受照射的材料过热。在其中照射复合材料的一些实施方案中，树脂基体包括可交联树脂，这样，当含碳 水化合物材料提高分子量时树脂发生交联，这可以提供协同效应以优化复合材料的物理性 能。在这些实施方案中，将辐射的剂量选择得足够高以提高纤维素纤维的分子量，即至少约 0. lMRad，同时足够低以避免有害地影响树脂基体。剂量的上限将随着树脂基体的组成变 化，但是在一些实施方案中优选的剂量小于约lOMRad。在一些实施方案中，使用两种或多种辐射源，例如两种或多种电离辐射。例如，可 以以任何顺序用电子束然后用具有约IOOnm至约^Onm波长的、射线和UV光处理样品。 在一些实施方案中，用三种电离辐射源处理样品，例如电子束、、射线和高能UV光。照射木材本文所述的方法可以用于任何所需类型的木材。木材可以以其初始形式即原木照 射，或者可以在任何随后的加工阶段照射。优选地，木材具有相对较低的水分含量，例如小 于25%的水分含量，如小于20%。在某些情况下，例如当木材已经干燥后，水分含量会是约 6%至约18%。在一些实施方案中，重量百分比水含量(水分含量)可小于5^^4^^3%. 2%,1%或者甚至小于0.5%。水分含量在某些实施方案中在1 %至8%范围以内，例如2% 至6%。相对较低的水分含量使得木材可以被电离辐射渗透，并可以增强木材中由辐射形成 的游离基的稳定性。一般地，木材具有小于1. 4g/cm3的密度，例如约1. 0至1. 2g/cm3。复合材料本文所用的术语“木材复合材料”指的是包含分散在树脂基体中的木屑、木纤维、 木颗粒或木粉的材料。这种复合材料包括例如刨花板、木屑板、定向刨花板(OSB)、华夫板 (waferboard) ^iijMfiIS- (Sterling board)禾口刨花板往往由低质量的原木和木制品生产的剩余物制成。例如，诸如白杨(aspen 和poplar)的速生树种可以以整树粉碎配料(木材颗粒)的形式使用。在一些实施方案中，用锤磨机、圆盘精研机或刨片机将碎片降为颗粒，之后将颗粒干燥到低的水分含量，例如约 3至5%。如果需要，干燥的配料可以用不同网目尺寸的筛子分为预定的诸如精细的和粗糙 的颗粒尺寸。配料(或一部分具有所需颗粒尺寸的配料)然后与树脂基体或粘结剂混合。 成品中粘结剂的浓度通常相对较低，例如约5至20%，一般为约5至10%，例如约1至5%。 在某些情况下，配料/树脂混合物在固化前形成垫子。如果需要，树脂与精细颗粒尺寸配料 的混合物可以用于在由树脂与粗糙颗粒尺寸配料的混合物形成的芯层的顶部和底部形成 外层。再将垫子固化，例如在高温高压下，形成完成的刨花板。定向刨花板(OSB)等也是通过将木材或其它纤维的条或片在特定方向上铺设成 层而形成的工程木制品。这些板材通常制成薄的矩形木质或其它纤维条带的交叉取向层的 垫子，所述条带被压缩并与蜡和树脂粘结剂(例如约95%的木材/纤维和约5%的蜡/树 脂)粘结在一起。通过将木材/纤维切成条带，将其筛分，然后定向在例如传送带上，形成 该层。添加交替层以形成最终产品，将其放置在热压力机中压缩该材料并通过树脂的热活 化和固化将其粘结。可以从垫子上切下最终尺寸的单块板。照射可以在这些工艺中在任何需要的阶段(或几个阶段)进行。例如，可以在配 料、条或片形成之前照射原木或片，或者可以在与树脂/蜡混合之前照射配料。在某些情况 下，照射树脂和配料的混合物，在这种情况下照射可以辅助树脂的交联。如果使用辐射可交 联的树脂，刨花板或OSB的热固化和/或压力致密化可能没有必要。照射也可以在最终固 化的刨花板或OSB上进行。如果需要，照射可以在工艺的不止一个阶段进行，例如在配料上 然后在固化的刨花板上。形成纤维板的工艺类似于形成刨花板和OSB的工艺，除了用木纤维替代在上述配 料中所用的相对较大的颗粒。可以使用各种技术将碎片转化成纤维，包括例如旋转剪切机、 单或双圆盘精研机、纤维分离机、加压精研机和大气精研机。产生的纤维与树脂混合并固 化，如上述与刨花板相关的讨论。如上所述，照射可以在任何需要的工艺阶段进行，从形成 纤维的原木的照射到固化的板的照射。在任何这些工艺中，树脂可以是任何热塑性树脂、热固性树脂、弹性体、粘合剂或 这些树脂的混合物。适合的树脂包括环氧树脂、脲甲醛、三聚氰胺、酚醛树脂和聚氨酯。其它复合材料通过例如将木屑、颗粒或纤维与树脂粘结剂或基体的混合物挤出、 注塑、模压成型、滚塑、吹塑或流延而形成。在这种复合材料中，树脂的浓度一般较高，例如 从约40%到约80%的树脂。这种复合材料可以用与上面讨论的刨花板和纤维板同样的方 式照射。在一些实施方案中，颗粒或纤维在基体内是随机取向的。在其它实施方案中，纤维 可以基本上在例如一个、两个、三个或四个方向上取向。如果需要，纤维可以是连续的或离 散的。颗粒或纤维可具有高的高宽比(L/D)。例如，纤维材料的平均长径比可以大于8/1， 例如大于10/1、大于15/1、大于20/1、大于25/1或大于50/1。纤维材料的平均长度可以为 例如约0. 5mm至2. 5mm,例如约0. 75mm至1. Omm,并且纤维材料的平均宽度(即直径)可以 为例如约5 μ m至50 μ m，例如约10 μ m至30 μ m。在一些实施方案中，刨花板、OSB或纤维板被用作中间产品以形成层压板，例如高 压层压板(HPL)或胶合板。在这种情况下，将覆盖材料如纸张、箔、三聚氰胺浸渍的纸或聚 合物膜层压到板的一面或两面。照射可以在层压步骤之前、期间和/或之后进行。在某些
14情况下，照射还可以改善覆盖层的机械性能，例如如果该覆盖层包括纸张，并且因此可能需 要在层压期间或之后进行照射步骤。在任何上述工艺中，可以使用其它类型的纤维材料取代木屑或颗粒，比如来自其 它纤维素源的纤维材料。离子牛成多种方法可以用于适合于离子束的离子的生成，该粒子束可用于处理纤维素或木 质素纤维素材料。在生成离子后，它们通常在各种加速器的一种或多种中进行加速，然后被 引导撞击到纤维素或木质素纤维素材料上。(i)氢离子可以使用多种不同的方法在离子源中生成氢离子。通常，将氢离子引入离子源的 电离室中，然后通过向气体分子供应能量而产生离子。在操作过程中，这样的室可以产生适 合为下游离子加速器提供种子(seeding)的大的离子流。在一些实施方案中，氢离子通过氢气的场电离而产生。场电离源的示意图显示在 图7中。场电离源1100包括室1170，在该室中发生气体分子(例如氢气分子)的电离。气 体分子1150通过沿着供应管1120中的方向1155流动而进入室1170。场电离源1100包括 电离电极1110。在操作过程中，向电极1110施加大的电势Ve(相对于共同系统接地电势)。 在与电极1110邻近的区域中流动的分子1150被电势Ve产生的电场电离。同样在操作过 程中，将抽提电势Vx施加于抽提器1130。新形成的离子在电势Ve和Vx的电场的影响下向 抽提器1130迁移。实际上，新形成的离子经受相对于电离电极1110的排斥力和相对于抽 提器1130的吸引力。结果，某些新形成的离子进入泻出管1140，并在电势^和Vx的影响 下沿着方向1165传播。根据电势Ve的符号(相对于共同接地电势)，既可以形成带正电离子也可以形成 带负电离子。例如，在一些实施方案中，可以向电极1110施加正电势并向提取器1130施加 负电势。在室1170中生成的带正电的氢离子(例如质子H+)被驱离电极1110并导向提取 器1130。结果，泻出的粒子流1160包括向注射器系统输送的带正电的氢离子。在某些实施方案中，可以向电极1110施加负电势并可以向提取器1130施加正电 势。在室1170中生成的带负电的氢离子(例如氢化物离子H_)被驱离电极1110并导向提 取器1130。泻出的粒子流1160包括带负电的氢离子，其随后向注射器系统输送。在一些实施方案中，通过氢气的直接加热可以产生氢正离子和负离子两者。例如， 可以将氢气引导进入加热室中，该加热室被排空以去除残余的氧气和其它气体。然后可以 将氢气通过加热元件加热以产生离子物质。合适的加热元件包括例如电弧放电电极、加热 丝(heating filament)、加热线圈和多种其它的热传递元件。在某些实施方案中，当氢离子通过场致发射或加热而产生时，可以产生多种氢离 子物质，包括带正电和带负电的离子物质，以及单电荷和多电荷离子物质。可以通过一种或 多种静电分离器和/或磁分离器将各种离子物质彼此分离。图8显示了静电分离器1175 的示意图，其被配置为将多种氢离子物质彼此分离。静电分离器1175包括一对平行电极 1180，向该对电极上通过电压源(未示出)施加电势Vs。沿着箭头所示方向传播的粒子流 1160包括多种带正电和带负电的离子物质以及单电荷和多电荷离子物质。当各种离子物质 通过电极1180时，电极之间的电场根据离子物质的大小和符号使离子轨线发生偏转。在图8中，例如，在电极1180之间的区域中，电场从下方电极指向上方电极。结果，带正电的离子 沿着图8中向上的轨线偏转，带负电的离子沿着向下的轨线偏转。离子束1162和1164各 自对应于带正电的离子物质，离子束1162中的离子物质具有比离子束1164中的离子物质 更大的正电荷(例如，由于离子束1162的离子的更大的正电荷，离子束发生更大程度的偏 转)。类似地，离子束1166和1168各自对应于带负电的离子物质，离子束1168中的离 子物质具有比离子束1166中的离子物质更大的负电荷(因而被电极1180之间的电场偏转 更大的程度)。束1169包括粒子流1160中原始存在的中性粒子；中性粒子在很大程度上 不受电极1180之间的电场的影响，因而不偏转地通过电极。各个分离的粒子流进入递送管 1192、1194、1196、1198和1199之一中，并被递送至注射器系统以用于粒子随后的加速，或 者被操纵直接入射到纤维素或木质素纤维素材料上。作为替代或者作为补充，可以将分离 的粒子流的任何一个或者全部阻挡，以防止离子和/或原子物质到达纤维素或木质素纤维 素材料。作为另一种替代方案，可以使用已知技术将某些粒子流合并，然后导向注射器系统 和/或操纵其直接入射到纤维素或木质素纤维素材料上。通常，粒子束分离器也可以使用磁场，作为用于偏转带电粒子的电场的补充或者 替代。在一些实施方案中，粒子束分离器包括多对电极，其中每对电极产生将通过其中的粒 子偏转的电场。作为替代或者作为补充，粒子束分离器可以包括一个或多个磁偏转器，其被 配置成根据粒子电荷的大小和符号将带电粒子偏转。(ii)稀有气体离子稀有气体原子(例如氦原子、氖原子、氩原子)当受到相对较强的电场的作用时形 成带正电的离子。用于生成稀有气体离子的方法因而通常包括生成高强度电场，然后将稀 有气体原子引入电场区以导致气体原子的场电离。用于稀有气体离子(以及其它类型的离 子)的场电离发生器的示意图显示于图9中。场电离发生器1200包括位于室1210内的锥 形电极1220。真空泵1250与室1210的内部通过入口 1240处于流体连通，并在操作过程中 降低室1210内的本底气体的压力。将一种或多种稀有气体原子1280通过入口管1230放 入室1210中。在操作过程中，将相对较高的正电势Vt(例如相对于共同外部接地为正)施加于 锥形电极1220。进入围绕着电极1220尖端的空间区域的稀有气体原子1280被从该尖端延 伸的强电场电离；气体原子失去一个电子给该尖端，并形成带正电的稀有气体离子。带正电的稀有气体离子加速远离该尖端，并且气体离子1290的某一部分通过提 取器1260并离开室1210，进入包括透镜1270的离子光学柱，它进一步将离子偏转和/或聚 焦ο电极1220形成锥形以提高尖端顶点附近区域中的局部电场的大小。根据锥形的 锐度和电势Vt的大小，室1210中发生稀有气体原子的电离的空间区域可以相对较紧密地 控制。结果，可以在提取器1260后获得相对较准直的稀有气体离子束1290。如以上针对氢离子所讨论，得到的稀有气体离子束1290可以通过带电粒子光学 柱传输，该光学柱包括用于偏转和/或聚焦稀有气体离子束的多种粒子光学元件。稀有气 体离子束也可以通过静电分离器和/或磁分离器，如以上针对图8所讨论。可以在场电离发生器1200中产生的稀有气体离子包括氦离子、氖离子、氩离子和氪离子。此外，场电离发生器1200可以用于生成其它气态化学物质的离子，包括氢、氮和氧。当处理纤维素或木质素纤维素材料时，稀有气体离子可以具有相对于其它离子物 质的特别的优点。例如，尽管稀有气体离子可以与纤维素或木质素纤维素材料反应，但是这 样的反应产生的中性化的稀有气体离子(例如稀有气体原子)通常是惰性的，并且不与纤 维素或木质素纤维素材料进一步反应。此外，中性稀有气体原子不持续包埋在纤维素或木 质素纤维素材料中，而是扩散到材料以外。稀有气体是无毒的并且可以在对人体健康或环 境没有负面后果的情况下大量使用。(iii)碳、氧和氮离子碳、氧和氮的离子通常可以通过诸如场电离源1100或场电离发生器1200的系统 中的场电离而产生。例如，可以将氧气分子和/或氧原子(例如通过将氧气加热而产生) 引入室中，其中氧分子和/或原子发生场电离从而产生氧离子。根据向场电离电极施加的 电势的符号，可以产生带正电和/或带负电的氧离子。期望的离子物质可以通过静电粒子 选择器和/或磁粒子选择器从多种离子物质和中性原子和分子中优先选择，如图8所示。作为另一个实例，可以将氮气分子引入场电离源1100或场电离发生器1200的室 中，并通过室中的相对较强的电场电离以形成带正电和/或带负电的氮离子。然后可以通 过静电分离器和/或磁分离器将期望的离子物质与其它离子物质和中性物质分离，如图8 所示。为形成碳离子，可以向场电离源1100或场电离发生器1200的室供应碳原子，其 中碳原子可以被电离以形成带正电和/或带负电的碳离子。然后可以通过静电分离器和/ 或磁分离器将期望的离子物质与其它离子物质和中性物质分离，如图8所示。向场电离源 1100或场电离发生器1200的室供应的碳原子可以通过将基于碳的靶材(例如石墨靶)加 热导致碳原子从该靶材的热发射而产生。靶材可以放置得与该室较接近，以使得发射的碳 原子在发射后直接进入腔中。(iv)较重的离子较重的原子例如钠和铁的离子可以通过多种方法产生。例如，在一些实施方案中， 重离子例如钠和/或铁离子分别通过从包含钠和/或铁的靶材的热离子发射而产生。合适 的靶材包括诸如硅酸钠和/或硅酸铁的材料。靶材通常包含其它惰性材料例如β氧化铝。 一些靶材是沸石材料，包含形成于其中的通道以使得离子可以从靶材逸出。图10显示了热离子发射源1300，其包含与靶材1330接触的加热元件1310，两者 均位于真空室1305的内侧。加热元件1310由控制器1320控制，该控制器调节加热元件 1310的温度从而控制从靶材1330产生的离子流。当向靶材1330供应足够的热量时，从靶 材的热离子发射产生离子1340的流。离子1340可以包括诸如钠、铁以及其它相对较重的 原子物质(例如其它金属离子)的材料的带正电的离子。然后可以通过静电电极和/或磁 电极1350将离子1340准直化、聚焦和/或偏转，所述电极也可以将离子1340向注射器递 送。在例如标题为“Thermionic Ionization Source” 的美国专利 No. 4，拟8，033 中， 也讨论了热离子发射形成相对较重的原子物质的离子，所述专利的全部内容通过引用纳入 本文。
在某些实施方案中，可以通过微波放电产生相对较重的离子例如钠离子和/或铁 离子。图11显示了由相对较重的原子例如钠和铁产生离子的微波放电源1400的示意图。 放电源1400包括微波场发生器1410、波导管1420、场集中器1430和电离腔1490。在操作 过程中，场发生器1410产生微波场，该微波场通过波导1420和集中器1430传播；集中器 1430通过对场的空间约束而提高场强度，如图11所示。微波场进入电离室1490。在室1490 内的第一区域，螺线管1470在同样包含微波场的空间区域中产生强磁场1480。源1440将 原子1450递送到该空间区域。经集中的微波场将原子1450电离，螺线管1470产生的磁场 1480约束电离的原子以形成定域等离子体。等离子体的一部分作为离子1460离开室1490。 然后可以将离子1460通过一个或多个静电元件和/或磁性元件偏转和/或聚焦，并递送至 注射器。诸如钠和/或铁的材料的原子1450可以通过例如从靶材的热发射而产生。合适 的靶材包括诸如硅酸盐和其它稳定的盐的材料，包括基于沸石的材料。合适的靶材也可以 包括金属(例如铁)，它可以涂布在惰性基材例如玻璃材料上。在下列美国专利中也讨论了微波放电源标题为“Microwave Discharge Ion Source” 的美国专利 No. 4，409, 520 以及标题为 “Microwave Discharge Type Electrostatic Accelerator Having Upstream and Downstream Acceleration Electrodes"的美国专利No. 6，396，211。以上各件专利的整个内容通过引用纳入本文中。粒子束源产生用于照射纤维素或木质素纤维素材料的束的粒子束源通常包括三组部件注 射器，它产生或接收离子并将离子引入加速器；加速器，它从注射器接收离子并提高离子的 动能；以及输出耦合元件，它操纵经加速的离子束。⑴注射器注射器可以包括例如以上部分中讨论的任何离子源，它们供应用于后续加速的离 子流。注射器也可以包括多种静电和/或磁性粒子光学元件，包括透镜、偏转器、准直仪、过 滤器以及其它这样的元件。这些元件可以用于在进入加速器之前调节离子束；即，这些元件 可以用于控制进入加速器的离子的传播特征。注射器也可以包含预加速静电元件和/或磁 性元件，它们将带电粒子在进入加速器之前加速到选定的能量阈值。注射器的一个实例显 示在Iwata，Y等。(ii)加速器可以用于将使用以上讨论的源产生的离子加速的一种加速器是Dynamitron (可 以从例如Radiation Dynamics Inc.获得，其现为比利时Louvain-la-Neuve的IBA的单 位)。Dynamitron 加速器1500的示意图显示于图6中并在以上进行了讨论。另一种可以用于将离子加速以处理纤维素或木质素纤维素基材料的加速器是 Rhodotron 加速器(可以从例如比利时Louvain-la-Neuve的IBA获得)。通常，Rhodotron 型加速器包括单个循环腔(recirculating cavity)，被加速的离子经过该腔多趟。结果， Rhodotron @加速器可以在相对较高的连续离子流条件下以连续模式操作。图12显示了 Rhodotron 加速器1700的示意图。加速器1700包括注射器1710， 该注射器将经加速的离子引入循环腔1720中。电场源1730位于腔1720的内室1740中， 并产生振荡径向电场。选择径向电场的振荡频率以匹配注射的电子通过循环腔1720 —趟的渡越时间。例如，当腔中的径向电场具有零幅度时将带正电的离子通过注射器1710注入 腔1720中。当离子向室1740传播时，室1740中的径向场的幅度提高到最大值，然后再次 下降。径向场向内指向室1740，离子被径向场加速。离子通过内室1740的壁中的孔，穿过 腔1720的几何中心，并通过内室1740的壁中的另一个孔穿出。当离子位于腔1720的入口 时，腔1720内的电场幅度已降低至零(或接近零)。当离子从内室1740出现时，腔1720中 的电场幅度开始再次升高，但是此时该电场沿径向朝外取向。在离子穿过腔1720的后半程 过程中场大小再次达到最大，然后开始减小。结果，当正离子完成通过腔1720的第一趟的 后半程时再次被电场加速。在到达腔1720的壁后，腔1720中的电场的大小为零(或接近零)，并且离子通过 壁中的开口并遭遇束偏转磁体1750之一。束偏转磁体基本上将离子的轨线反转，如图12中 所示，引导该离子通过室的壁中的另一个开口再次进入腔1720中。当离子再次进入腔1720 中时，其中的电场再次开始降低幅度，但是此时再次沿径向向内取向。离子通过腔1720的 第二趟以及随后的趟次遵循类似的方式，使得电场的取向始终匹配离子的运动方向，并且 离子在通过腔1720的每趟(以及每半趟)中被加速。如图12所示，在通过腔1720六趟后，经加速的离子作为经加速的离子束1760的 一部分耦合出腔1720。经加速的离子束通过一个或多个静电和/或磁性粒子光学元件 1770，该元件包括透镜、准直仪、束偏转器、过滤器和其它光学元件。例如，在外部逻辑单元 的控制下，元件1770可以包括静电和/或磁性偏转器，该偏转器将经加速的束1760在垂直 于束1760的传播方向取向的二维平面区域中扫描。注射到腔1720中的离子在通过腔1720的每趟中被加速。因此，通常，为了获得具 有不同平均离子能量的经加速的束，加速器1700可以包括多于一个输出耦合。例如，在一 些实施方案中，可以改变一个或多个偏转磁体1750以使得到达磁体的一部分离子被耦合 出加速器1700，并且一部分离子被返回室1720。因此可以从加速器1700获得多个经加速 的输出束，每个束对应于与束中的离子通过腔1720的趟数相关的平均离子能量。加速器1700包括5个偏转磁体1750，并且注入腔1720中的离子通过该腔6趟。 然而，通常，加速器1700可以包括任意数量的偏转磁体，并且注入腔1720中的离子可以经 历通过该腔的任何相应的趟数。例如，在一些实施方案中，加速器1700可以包括至少6个 偏转磁体，并且离子可以通过该腔至少7趟(例如至少7个偏转磁体并通过该腔8趟，至少 8个偏转磁体并通过该腔9趟，至少9个偏转磁体并通过该腔10趟，至少10个偏转磁体并 通过该腔11趟)。通常，由场源1730产生的电场向注射的电子提供约IMeV的单趟 (single-cavity-pass)增益。然而，通常，通过在腔1720中提供更高幅度的电场可以得到 更高的单趟增益。例如，在一些实施方案中，单趟增益为约1. 2MeV或更高(例如1. 3MeV或 更高、1. 4MeV或更高、1. 5MeV或更高、1. 6MeV或更高、1. 8MeV或更高、2. OMeV或更高、2. 5MeV 或更高)。单趟增益也取决于注射的离子所带电荷的大小。例如，对于腔中相同的电场，带多 个电荷的离子将比带单个电荷的离子获得更高的单趟增益。结果，加速器1700的单趟增益 可以通过注入具有多个电荷的离子而进一步提高。在对加速器1700的以上说明中，将带正电的离子注入腔1720中。加速器1700也可以加速带负电的离子。为此，注入带负电的离子，使得它们的轨线的方向与径向电场方 向异相。也就是说，注入带负电的离子，使得在通过腔1720的每个半程时每个离子的轨线 方向与径向电场的方向相反。要达到这一点，涉及简单地调整将带负电的离子注入腔1720 时的时间。因此，加速器1700能够同时加速具有近似相同的质量但是具有相反电荷的离 子。更一般地说，加速器1700能够同时加速不同类型的带正电和带负电(以及单电荷和多 电荷)的离子，条件是离子通过腔1720的渡越时间比较相似。在一些实施方案中，加速器 1700可以包括多个输出耦合，提供具有类似或不同能量的不同类型的经加速离子束。也可以将其它类型的加速器用于加速离子以用于照射纤维素或木质素纤维素材 料。例如，在一些实施方案中，可以将离子在基于回旋加速器和/或同步加速器的加速器中 加速到相对较高的平均能量。这样的加速器的构造和操作是本领域公知的。作为另一个实 例，在一些实施方案中，可以使用潘宁(Perming)型离子源产生和/或加速离子，以用于处 理纤维素或木质素纤维素基材料。潘宁型源的设计在I^relec (1997)第7. 2. 1节中讨论。多种类型的静电加速器和/或动态加速器通常也可以用于加速离子。静电加速器 通常包括保持在不同的DC电压下的多个静电透镜。通过选择施加到各个透镜元件上的合 适的电压值，可以将引入加速器中的离子加速到选定的最终能量。图13显示了为加速离子 以处理纤维素或木质素纤维素材料1835而配置的静电加速器1800的简化的示意图。加速 器1800包括产生离子并将离子引入离子柱1820中的离子源1810。离子柱1820包括多个 静电透镜1825，所述透镜将离子源1810产生的离子加速以产生离子束1815。向透镜1825 施加DC电压；透镜的电势在操作过程中保持近似恒定。通常，各个透镜中的电势是恒定的， 并且离子束1815的离子在各个透镜1825之间的间隙中被加速。离子柱1820还包括偏转 透镜1830和准直透镜1832。这两个透镜将离子束1815引导至纤维素或木质素纤维素材料 1835上的选定位置，并将离子束1815聚焦到纤维素或木质素纤维素材料上。尽管图13显示了静电加速器的特定实施方案，但是很多其它变化方案也是可以 的并适合用于处理纤维素或木质素纤维素材料。例如，在一些实施方案中，可以将偏转透镜 1830和准直透镜1832沿着离子柱1820的相对位置交换。也可以在离子柱1820中存在另 外的静电透镜，并且离子柱1820可以进一步包括静磁光学元件。在某些实施方案中，在离 子柱1820中可以存在很多种附加元件，包括偏转器(例如四极、六极和/或八极偏转器)， 过滤元件例如孔以从离子束1815中去除不期望的物质(例如中性物质和/或某些离子物 质)，提取器(例如用于形成离子束1815的空间轮廓)，以及其它静电和/或静磁元件。动态线性加速器——经常称为LINACs——也可以用于生成可用于处理纤维素或 木质素纤维素材料的离子束。通常，动态线性加速器包括具有一线性系列的射频腔的离子 柱，各个射频腔产生高强度的振荡射频(RF)场，将该场定时以与离子向离子柱中的注射和 传播相一致。作为实例，诸如速调管的设备可以用于在腔中产生RF场。通过使场的振荡与 离子的注入时间匹配，RF腔可以将离子加速到高能量而不必长时间保持峰值电势。结果， LINACs通常不具有与DC加速器相同的防护要求，并且通常在长度上更短。LINACs通常在 3GHz (S频带，通常限于相对较低的功率)和IGHz (L频带，能够进行显著更高功率的运行) 的频率下运行。典型的LINACs具有2-4米的总长度。动态线性加速器1850(例如LINAC)的示意图显示在图14中。LINAC 1850包括离 子源1810以及包含三个加速腔1860的离子柱1855、偏转器1865以及聚焦透镜1870。偏
20转器1865和聚焦透镜1870用于在加速后将离子束1815操纵并聚焦到纤维素或木质素纤 维素材料1835上，如以上所讨论。加速腔1860由传导性材料例如铜形成，并充当经加速的 离子的波导。与各个腔I860相连的速调管1862产生在腔内将离子加速的动态RF场。将 速调管1862各自配置成产生这样的RF场它们一起将离子束1815中的离子在入射到纤维 素或木质素纤维素材料1835上之前加速到选定的最终能量。如以上针对静电加速器所讨论，动态加速器1850的很多变化形式也是可以的，并 且可以用于产生用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束。例如，在一些实施方案中， 在离子柱1855中也可以存在附加的静电透镜，并且离子柱1855可以进一步包括静磁光学 元件。在某些实施方案中，很多种附加的元件可以存在于离子柱1855中，包括偏转器(例如 四极、六极和/或八极偏转器)、过滤元件例如孔以从离子束1815中去除不期望的物质(例 如中性物质和/或某些离子物质)、提取器(例如用于形成离子束1815的空间轮廓)，以及 其它静电和/或静磁元件。除了以上讨论的具体的静电加速器和动态加速器，其它合适的 加速器系统包括例如可从日本Nissin High Voltage获得的DC绝缘芯变压器(ICT)型 系统，可从 L3-PSD (美国)、Linac Systems (法国)、Mevex (加拿大)和 Mitsubishi Heavy Industries (日本)获得的S频带LINACS ；可从Iotron Industries (加拿大)获得的L频 带LINACS ；以及可从Budker Laboratories (俄罗斯)获得的基于ILU的加速器。在一些实施方案中，基于van de Graaff的加速器可以用于产生和/或加速随后 用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子。图15显示了 van deGraaff加速器1900的 一个实施方案，该加速器包括球形壳电极1902和绝缘带1906，该绝缘带在电极1902和加速 器1900的底部1904之间循环。在操作过程中，绝缘带1906沿着箭头1918所示的方向在 滑轮1910和1908上行进，并将电荷携带到电极1902中。电荷从带1906上去除并向电极 1902转移，使得电极1902上的电势的大小提高，直到电极1902通过火化放电(或者，直到 充电电流被负载电流平衡)。如图15所示，滑轮1910接地。在带1906 —侧的一系列点或细线之间保持电晕放 电。配置线1914以保持加速器1900中的电晕放电。将线1914保持为正电势，以使得带 1906截取从线1914向滑轮1910移动的正离子。当带1906沿着箭头1918的方向移动时， 被截取的电荷被携带到电极1902中，在此它们被针尖1916从带1906上去除并转移到电极 1902。结果，正电荷在电极1902的表面上累积；这些电荷可以从电极1902的表面上放电并 用于处理纤维素或木质素纤维素材料。在一些实施方案中，可以配置加速器1900以通过在 相对于接地滑轮1910的负电势下操作线1914和针尖1916而提供带负电的离子。通常，可以配置加速器1900以提供用于处理纤维素或木质素纤维素材料的很多 种不同类型的正电荷和负电荷。电荷的示例性类型包括电子、质子、氢离子、碳离子、氧离 子、卤素离子、金属离子和其它类型的离子。在某些实施方案中，可以使用串列式加速器(包括折叠式串列式加速器)来生成 用于处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束。折叠式串列式加速器1950的一个实例显 示在图16中。加速器1950包括加速柱1954、电荷剥离器1956、束偏转器1958和离子源 1952。在操作过程中，离子源1952产生带负电的离子束1960，该离子束被引到通过输 入口 1964进入加速器1950。通常，离子源1952可以是产生带负电的离子的任何类型的离子源。例如，合适的离子源包括通过铯溅射源的负离子源(SNICS)、RF电荷交换离子 源或者环状空间离子源(T0RVIS)。上述示例性离子源中的每一个可以从例如National Electrostatics Corporation (Middleton, WI)获得。一旦在加速器1950中，束1960中的负离子被加速柱1卯4加速。通常，加速柱1卯4 包括多个加速元件例如静电透镜。为加速负离子而在柱1%4中施加的电势差可以用多种 类型的设备产生。例如，在一些实施方案中(例如Pelletron 加速器)，使用Pelletron 充电设备产生电势。Pelletron设备包括由多个金属(例如钢)链节或小球(pellet)形 成的带电带，所述链节或小球由绝缘连接体(例如由诸如尼龙的材料形成)桥接。在操作 过程中，带在一对滑轮之间循环，滑轮之一保持在接地电势。当带在接地滑轮和相对的滑轮 (例如末端滑轮)之间移动时，金属小球通过感应带正电。在到达末端滑轮后，将在带上累 积的正电荷去除，并且当小球离开末端滑轮并返回接地滑轮时带负电。Pelletron烟设备在柱1%4中产生用于加速束1960的负离子的大的正电势。在 柱1%4中发生加速后，束1960通过电荷剥离器1956。电荷剥离器1956可以以薄金属箔 和/或含有气体的管的形式实现，其例如将电子从负离子中剥离。带负电的离子从而转变 成带正电的离子，该带正电的离子从电荷剥离器1956中出现。改变出现的带正电的离子的 轨线以使得带正电的离子返回并通过加速柱1954，在柱中经历第二次加速，然后作为带正 电离子束1962从输出口 1966出现。然后可以将带正电的离子束1962用于根据本文中讨 论的各种方法处理纤维素或木质素纤维素材料。由于加速器1950的折叠式几何形状，离子被加速到对应于Pelletron 充电设备 产生的电势差的两倍的动能。例如，在2MV Pelletron 加速器中，通过离子源1952引入 的氢化物离子将在通过柱1%4的第一趟期间被加速到2MeV的中间能量，被转变成正离子 (例如质子)，并在通过柱1%4的第二趟期间被加速到4MeV的最终能量。在某些实施方案中，柱1%4可以包括作为Pelletron 充电设备的补充或替代的 元件。例如，柱1%4可以包括静电加速元件(例如DC电极)和/或动态加速腔(例如，具 有用于粒子加速的脉冲RF场发生器的LINAC型腔)。选择施加到各种加速设备上的电势以 加速束1960的带负电的离子。串列式加速器的实例包括折叠式和非折叠式加速器两者，均可以从例如National Electrostatics Corporation (Middleton, WI)获得。在一些实施方案中，可以使用各种加速器中的两种或多种的组合来产生适合用于 处理纤维素或木质素纤维素材料的离子束。例如，折叠式串列式加速器可以与线性加速器、 lihodotron ·加速器、静电加速器Dynamiton 或者任何其它类型的加速器组合使用以产生 离子束。加速器可以串联使用，将一种加速器的输出离子束引导进入用于进一步加速的另 一种加速器。或者，多个加速器可以并联使用以生成多个离子束。在某些实施方案中，可以 将相同类型的多个加速器并联和/或串联使用以生成经加速的离子束。在一些实施方案中，可以使用多个类似和/或不同的加速器以生成具有不同的组 成的离子束。例如，第一加速器可以用于生成一种离子束，而第二加速器可以用于生成第二 种离子束。这两个离子束然后可以各自在另一加速器中进一步加速，或者可以用于处理纤 维素或木质素纤维素材料。此外，在某些实施方案中，可以将单个加速器用于生成用于处理纤维素或木质素
22纤维素材料的多个离子束。例如，可以修改本文中讨论的任何加速器(以及其它类型的加 速器)，通过将从离子源引入加速器中的初始离子流进行细分而产生多个输出离子束。作为 替代或者作为补充，通过本文中公开的任何加速器产生的任何一束离子束可以仅包含单一 类型的离子或者多种不同类型的离子。通常，在将多种不同的加速器用于产生一个或多个用于处理纤维素或木质素纤维 素材料的离子束的情况下，多个不同的加速器可以以任何顺序相对于彼此定位。这为一个 或多个离子束的产生提供了高度的灵活性，所述离子束中的每一个具有为了处理纤维素或 木质素纤维素材料(例如为了处理纤维素或木质素纤维素材料中的不同组分)而仔细选择 的性能。本文中公开的离子加速器可以与本文中公开的任何其它处理步骤组合使用。例 如，在一些实施方案中，可以将电子和离子组合使用以处理纤维素或木质素纤维素材料。电 子和离子可以分别地产生和/或加速，并用于依次地(以任何顺序)和/或同时地处理纤 维素或木质素纤维素材料。在某些实施方案中，电子和离子束可以在共同的加速器中产 生并用于处理纤维素或木质素纤维素材料。例如，可以配置本文中的公开的很多离子加 速器以产生电子束，作为离子束的替代或者补充。例如，可以配置Dynamitron 加速器、 lihodotron 加速器和LINACs以产生用于处理纤维素或木质素纤维素材料的电子束。此外，用离子束对纤维素或木质素纤维素材料的处理可以与其它技术例如声处理 组合。通常，基于声处理的处理可以发生在基于离子的处理之前、过程中或之后。其它处理 例如电子束处理也可以与超声波处理和离子束处理以任何组合和/或顺序进行。添加剂用于木纤维复合材料制造的许多添加剂的任何一种，包括但不限于以下所列的， 都可以添加或施加到文本所述的复合材料。例如，添加剂可以以固体或液体形式添加到纤 维素材料(如木材颗粒或纤维)与树脂的组合中。添加剂包括填料如碳酸钙、石墨、硅灰石、云母、玻璃、玻璃纤维、二氧化硅和滑石； 无机阻燃剂如三水合氧化铝或氢氧化镁；有机阻燃剂如含氯或含溴的有机化合物；研磨的 建筑废料；研磨的轮胎橡胶；碳纤维；或金属纤维或粉末(如铝、不锈钢)。这些添加剂可以 增强、扩充或改变电学、机械和/或相容性性能。其它添加剂包括木质素、香料、偶联剂、相容剂如顺酐化聚丙烯、加工助剂、润滑剂 如含氟聚乙烯、增塑剂、抗氧化剂、遮光剂、热稳定剂、着色剂、发泡剂(如吸热或放热发泡 剂)、冲击改性剂、聚合物如可降解聚合物、光稳定剂、杀生物剂、抗静电剂如硬脂酸盐或乙
氧基化脂肪酸胺类。在木质素的情况下，木质素可以使其渗透纤维状材料的方式施加到木材或木纤 维。在某些情况下，木质素在照射期间会交联，增强了经照射产品的性能。在一些实施方案 中，添加木质素以提高纤维素材料的木质素含量，该纤维素材料在天然状态下具有相对较 低的木质素含量。在一些实施方案中，将木质素溶解在溶剂或溶剂体系中并注入木材中，例 如在高压下。该溶剂或溶剂体系可以是单相或两相或更多相的形式。用于纤维素和木质素 纤维素材料的溶剂体系包括DMSO-盐体系。这种体系包括例如与锂、镁、钾、钠或锌盐组合 的DMS0。锂盐包括1^(1、1^81~、1^1、高氯酸锂和硝酸锂。镁盐包括硝酸镁和氯化镁。钾盐 包括碘化钾和硝酸钾。钠盐的例子包括碘化钠和硝酸钠。锌盐的例子包括氯化锌和硝酸锌。
23任何盐可以是无水或水合的。DMSO中盐的典型含量为约至约50%，例如约2至25、约 3至15或约4至12. 5重量百分比。合适的抗静电化合物包括导电碳黑、碳纤维、金属填料、阳离子化合物例如季铵化 合物，如N- (3-氯-2-羟丙基)-三甲基氯化铵，链烷醇酰胺和胺类。代表性的可降解聚合 物包括聚羟基酸，如聚丙交酯、聚乙交酯以及乳酸与乙醇酸的共聚物、聚羟基丁酸、聚羟基 戊酸、聚[丙交酯-共_(e_己内酯)]、聚[乙交酯-共_(e-己内酯)]、聚碳酸酯、聚氨基 酸、聚羟基链烷酸酯、聚酐类、聚原酸酯和这些聚合物的共混物。当包含上述添加剂时，其存在量基于该纤维材料的总重量以干重为基础计算可以 从低于约百分之一至高达百分之十五。更典型地，该量的范围从约0. 5重量％至约7. 5重量％。可以将本文所述的任何添加剂封装，例如喷雾干燥或微囊化，以保护该添加剂，使 其在操作过程中避免受热或受湿。纤维材料、强化纤维材料、树脂或添加剂可以被染色。例如，纤维材料可以在与树 脂结合并复合以形成复合材料之前被染色。在一些实施方案中，在需要时，这种染色可以有 助于在塑模或挤出部件中掩饰或隐藏纤维材料，特别是纤维材料的大的团块。当这种大的 团块以相对较高的浓度存在时，会在塑模或挤出部件的表面显示为斑点。例如，所需的纤维材料可以用酸性染料、直接染料或活性染料染色。这些染料 可以从新泽西州Kearny的Spectra Dyes或伊利诺伊州芝加哥的Keystone Aniline Corporation获得。染料的具体例子包括SPECTRA LIGHT YELLOW 2G.SPECTRACID YELLOW 4GL CONC 200、SPECTRANYL RH0DAMINE 8、SPECTRANYL NEUTRAL RED B、SPECTRAMINE BENZ0PERPURINE.SPECTRADIAZ0 BLACK 0B、SPECTRAMINE TURQUOISE G 和 SPECTRAMINE GREY LVL 200%，都可从 Spectra Dyes 获得。在一些实施方案中，将含有颜料的树脂色母料与染料混合。当这样的混合物再与 所需的纤维材料混合时，该纤维材料可以在混合过程中被原位染色。色母料可从Clariant获得。向纤维材料或复合材料添加香味或香料是有利的。例如，这对于让复合材料闻上 去和/或看上去像天然木材如雪松会是有利的。例如，可以将香料例如天然木材香料混 合到用于制造复合材料的树脂中。在一些实施方案中，香料作为油被直接混合到树脂中。 例如，该油可以用辊磨(roll mill)例如Banbury 混合机或挤出机例如带有反向旋转螺 杆的双螺杆挤出机混合。Banbury 混合机的例子是由Farrel制造的F系列Banbury 混合机。双螺杆挤出机的例子是由Krupp Werner & Pfleiderer制造的WP ZSK 50 MEGA compunder 0混合之后，可以将有香味的树脂添加到纤维材料并挤出或模塑。或者，可以以 商品名称 Poly Iff 从 International Flavors and Fragrances 或者从 RTP 公司购买香 料填充的树脂母料。在一些实施方案中，复合材料中香料的量为约0. 005重量％至约2重 量％，例如约0. 至约之间。其它天然木材香料包括常青树或红木。其它香料包括薄荷、樱桃、草莓、桃、酸橙、 留兰香、肉桂、茴香、紫苏、佛手柑、黑胡椒、樟脑、洋甘菊、香茅、桉树、松树、冷杉、天竺葵、生 姜、葡萄柚、茉莉、杜松子、薰衣草、柠檬、柑橘、马郁兰、麝香、没药、橙、广藿香、玫瑰、迷迭 香、鼠尾草、檀香、茶树、百里香、冬青、依兰、香草、新车或这些香料的混合物。在一些实施方案中，纤维材料与香料组合中的香料的量为约0. 005重量％至约20重量％，例如约0. 1 %至 约5%或0. 25%至约2. 5%。合适的填料包括例如无机填料，例如碳酸钙(如沉淀碳酸钙或天然碳酸钙)、霰石 粘土 (aragonite clay)、正交粘土 (orthorhombic clay)、方角军石粘土 (calcite clay)、菱 形粘土(rhombohedral clay)、、高岭土、粘土、膨润土、磷酸氢钙、磷酸三钙、焦磷酸钙、不溶 性偏磷酸钠、沉淀碳酸钙、正磷酸镁、磷酸三镁、羟基磷灰石、合成磷灰石、氧化铝、二氧化硅 干凝胶、金属铝硅酸盐络合物、硅酸钠铝、硅酸锆、二氧化硅或可以使用无机添加剂的组合。 填料可以具有例如大于1微米的颗粒尺寸，例如大于2微米、5微米、10微米、25微米或者甚 至大于35微米。纳米级填料也可以单独地或者组合地用于任何尺寸和/或形状的纤维材料。填料 可以为例如颗粒、片或纤维形式。例如，可以使用纳米尺度的粘土、硅和碳纳米管以及硅和 碳纳米线。填料可以具有小于lOOOnm，例如小于900nm、800nm、750nm、600nm、500nm、350nm、 300nm、250nm、200nm，小于IOOnm或者甚至小于50nm的横向尺寸。在一些实施方案中，纳米粘土是蒙脱土。这样的粘土可从Nanocor，Inc以及 Southern Clay products获得，并且已记载于美国专利No. 6，849，680和6，737，464中。粘 土可以在混合到例如树脂或纤维材料之前进行表面处理。例如，可以对粘土进行表面处理 以使得其表面为离子性的，例如阳离子或阴离子性。也可以使用聚集或凝聚的纳米级填料，或者组装成超分子结构例如自组装超分子 结构的纳米级填料。聚集填料或超分子填料在结构上可以是开放或封闭的，并且可以具有 多种形状，例如笼状、管状或球状。工艺用水在本文中所公开的方法中，无论何时在任何工艺中使用水时，它可以是灰水(grey water)，例如市政灰水，或者黑水(black water)。在一些实施方案中，灰水或黑水在使用之 前消毒。消毒可以通过任何期望的技术来完成，例如通过照射、蒸汽或化学消毒。实施例以下实施例不用于限制权利要求中所述的发明。实施例1-通过凝胶渗透色谱法确定纤维素和木质素纤维素材料的分子量的方法该实施例说明如何确定本文中讨论的材料的分子量。将用于分析的纤维素和木质 素纤维素材料按如下所述进行处理从International Paper获得1500磅货盘(skid)具有301b/ft3的体密度的原 始漂白白色牛皮纸板。将该材料折平，然后以每小时约15至20磅的速度加入!3hp Flinch Baugh碎纸机中。该碎纸机装有两个12英寸旋转刀片、两个固定刀片和一个0. 30英寸的 卸料筛(discharges creen)。将旋转刀片和固定刀片之间的间隙调整为0. 10英寸。从碎 纸机的输出类似于碎纸花(如上)。将类似于碎纸花的材料加入SC30型的Mimson转刀切 割机中。卸料筛具有1/8英寸的孔。将旋转刀片和固定刀片之间的间隙设定为约0.020英 寸。转刀切割机剪切通过刀刃的类似于碎纸花的纸片。将由第一次剪切得到的材料重新加 料到相同的设备中，并将该筛用1/16英寸的筛替换。剪切该材料。将由第二次剪切得到的 材料重新加料到相同的设备中并将该筛用1/32英寸的筛替换。剪切该材料。得到的纤维 材料具有1. 6897m2/g+/"0. 0155m2/g的BET表面积、87. 7163%的孔隙率和0. 1448g/mL的体密度(在0. 53psia的压力下)。纤维的平均长度为0. 824mm,纤维的平均宽度为0. 0262mm, 得到32 1的平均L/D。下表1和2中所示的样品材料包括牛皮纸(P)、麦杆(WS)、苜蓿㈧和柳枝稷(SG)。 样品ID的数字“132”指的是材料通过1/32英寸筛剪切后的颗粒尺寸。横线之后的数字指 的是照射的剂量(MRad)，“US”指的是超声波处理。例如，样品ID “P132-10”指的是剪切到 132目的颗粒尺寸并用IOMRad照射的牛皮纸。表1.经照射的牛皮纸的峰平均分子量
样品 样品剂量1如士^平均MW 土标
来源 ID(MRad)^r准偏差
牛皮纸P1320否32853 士 10006P132-1010“61398 ± 2468**P132-100100K8444 士 580P132-181181“6668 土 77P132-US0是3095 ± 1013**低辐射剂量看来提高某些材料的分子量1剂量速率=IMRad/小时2在循环条件下使用1000W的喇叭用20kHz的超声处理30分钟，材料分散于水中。表2.经照射材料的峰平均分子量
权利要求
1.木材的处理方法，该方法包括将经照射的木材淬火，该经照射的木材包括已用至少0. IMRad的具有至少IMeV能量的 辐射照射过的木材，该木材在照射前具有小于约35重量％的水分含量，并且该照射将该木 材的纤维素组分的分子量从第一分子量提高到比第一分子量高至少约10%的相对更高的第二分子量。
2.权利要求1的方法，其中，该电离辐射为约0.25至约2. 5MRad的水平。
3.权利要求1或2的方法，其中经照射的木材已用、射线或电子束辐射照射。
4.权利要求3的方法，其中经辐射的木材已用电子束辐射照射，并且其中电子束中的 电子具有至少1. 25MeV的能量，例如约2. 5MeV至约7. 5MeV。
5.上述权利要求中任意之一的方法，其中淬火在气体的存在下进行，选择该气体以与 经照射的木材中存在的游离基反应。
6.上述权利要求任意之一的方法，其中分子量提高至少50%。
7.上述权利要求任意之一的方法，其进一步包括用涂料或染料对经照射的木材进行表 面处理。
8.上述权利要求任意之一的方法，其进一步包括向经照射的木材的接枝点上接枝接 枝剂，该木材已在选定条件下照射，以官能化该木材来提供多个接枝点。
9.权利要求8的方法，其中该接枝剂包含反应性染料。
10.上述权利要求任意之一的方法，其中木材与接枝剂作为组合进行照射，以使得接枝 剂结合到木材的纤维素或木质素纤维素材料上。
11.权利要求10的方法，其中接枝剂共价结合到纤维素或木质素纤维素材料上。
12.上述权利要求任意之一的方法，其进一步包含将经照射和淬火的木材用于层压板中。
13.上述权利要求任意之一的方法，其中经照射的木材通过引导带正电的离子入射到 该木材上而照射，该带正电的离子通过如下方式提供形成多个带负电的离子，将带负电的 离子加速到第一能量，从至少一些带负电的离子中去除多个电子以形成带正电的离子，并 将该带正电的离子加速到第二能量。
14.上述权利要求任意之一的方法，其中经照射的木材通过将该木材暴露于经加速的 带电粒子而照射，所述经加速的带电粒子通过如下方式形成产生多个带电粒子，并通过引 导每个该带电粒子多次通过包含依时电场的加速器腔，或者引导该带电粒子通过包含不同 电势的多个电极的加速腔，或者引导该带电粒子通过包含多个波导的加速器而将该多个带 电粒子加速，其中各个波导包含电磁场。
15.处理木材的方法，该方法包括 照射已注入包含木质素的液体的木材。
全文摘要
处理木材和木材产品的方法包括用离子辐射照射具有第一分子量的未处理的木材以导致该木材的纤维素组分的分子量提高到相对更高的第二分子量。
文档编号B32B21/14GK102066063SQ200980122442
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月28日 优先权日2008年4月30日
发明者M·梅多夫 申请人:希乐克公司