基于纤维素长丝的组合物通过压缩模制制成的面内各向同性、无粘合剂产品的制作方法

i)技术领域

本说明书涉及源自无粘合剂(即基本上不含粘合剂)的基于纤维素长丝的组合物的面内各向同性产品；及通过压缩模制生产这些产品的方法。

ii)现有技术描述

如hua等人(us20110277947a1；us20130017394a1)所述，当将木浆纤维适当地精制以将所述纤维剥离成纤维素长丝时，所得长丝没有内腔并且比母体纤维窄得多，同时保持其大部分长度。这些纤维素长丝的独特形态增加了它们的柔韧性并促进了它们的缠结。此外，这些长丝与母体纤维相比具有更大的表面积，这使每给定重量暴露更多羟基。更高的表面羟基量继而导致增大的氢键密度。当这些纤维素长丝的水悬浮液在高温下用于压缩模制工艺时，脱水和干燥时间为约几小时。此外，所得产品不均匀且尺寸不稳定。

原纤化纤维素纸浆、微原纤化纤维素和纳米原纤化纤维素的生产是通过向常规纸浆施加机械能或化学能来进行的，这继而释放出比原始纸浆纤维窄得多的纤维素原纤维，从而提供了比在原始材料中多得多的氢键位点接触机会。已经报道了这些氢键用于生产固体产品而无需压制的有利用途(us6379594b1和wo2011/138604a1)。

早在1997年，等人(ca2,237,942)就描述了在不添加粘合或填充材料或使用外部压力的情况下由水性纤维素微纤维纸浆进行工件的成型和模制。纤维素材料由大麻或其它纤维素来源生产。等人在第二项专利(us6379594b1)中也描述了这种微纤维材料的制造和在冲压模具中但无压力的情况下形成无粘合剂工件。

在2011年，dean和hurding(wo2011/138604a1、us20130101763)使用纤维和纤维纸浆获得了各种产品的专利，其中微纤维充当能够保持常规纤维纸浆、塑料或填料的自粘合剂或微纤维基质。us20130101763a1涉及微纤维纸浆的制造，并且也可以使用其它原纤化纤维素纤维，例如粗纤维、微纤维和纳米纤维纸浆。微纤维的自粘合性被认为意味着在纤维素无粘合剂工件的制造中不需要复合材料通常所需的增容剂和聚合物基质。

dean和hurding制造的最终产品根据其最终密度描述为高密度或中密度产品。产品由添加了1-20％的常规纤维素纤维的1-80％的微纤维组成，所述常规纤维素纤维由木材、草、稻草或芦苇制成。由这些纤维自粘合体系制成的最终产品范围包括用于建筑行业中结构或修整目的的修整板或面板。可以制造1-1.5g/cm³的高密度产品和0.5-0.9g/cm³的中密度产品，面板厚度在1-25mm之间变化。dean和hurding(us20130101763a1)声称添加高达35％的无机填料如碳酸钙、滑石或粘土可使最终产品密度增加至高于1.5g/cm³。通过添加矿物或合成色素、硫酸铝媒染剂或光学增亮剂，可以使产品着色或增亮。较大3d加热坯块的制造被描述为具有低火炬和高热值。还可以添加金属盐以使坯块发出的火焰着色。在其它情况下，如dean和hurding(us20130101763a1)所陈述作为基质的无粘合剂纤维体系可以保持1-49％的油或生物基塑料颗粒如聚丙烯。

尽管dean和hurding(wo2011/138604a1)描述了所用纸浆纤维的类型和比例、工件的成型以及在干燥之前使用外部压力去除水分，但没有描述工件模制工艺的详细方法。此外，在dean和hurding(wo2011/138604a1)的实施方案中总是引用微纤维和常规纤维素纤维的组合，最有可能在最终干燥之前和期间加速脱水。如dean和hurding(wo2011/138604a1)所详述，最终工件产品中的微纤维含量从未超过80重量％。

lee和hunt(us20130199743a1)描述了湿法成型和压缩模制工艺，以通过使用相对低质量的纤维、木材颗粒(诸如锯屑)和其它天然木材组分(如木质素)来制造无粘合剂的基于纤维素纤维的面板和板。通过添加尺寸大于纸浆纤维的木材颗粒，加速了通过真空和压缩模制进行的脱水。

技术实现要素：

根据一方面，提供了一种热压压缩模制面内各向同性产品的方法，其包括提供基本上不含粘合剂的纤维素长丝；提供平均粒度小于或等于5μm的无机填料；将所述纤维素长丝和所述填料混合以产生悬浮液；将所述悬浮液转移到预成型模具(preformingjig)中以在所述模具中产生板坯(mat)；以及将所述板坯压缩模制以产生所述面内各向同性产品。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中进一步压制所述板坯以产生预成型件，并且将所述预成型件压缩模制以产生所述面内各向同性产品。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述悬浮液为5至10重量％的固体。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述预成型件的稠度为30至55重量％固体。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述无机填料例如选自由以下项组成的组：caco3、mg(oh)2、al(oh)3、al2o3、b2o6zn3或它们的组合。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述填料的平均粒度小于3μm。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述填料的平均粒度介于1与3μm之间。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述压缩模制是在环境温度和250psi下制备预成型件。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述压缩模制是在温度递增至高达150℃且压力递增至高达1000psi时进行的。

根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中所述填料为所述纤维素长丝的重量的10至20％。

根据另一方面，提供了一种面内各向同性产品，其包含：基本上不含粘合剂的纤维素长丝；平均粒度小于或等于5μm的填料。

根据另一方面，提供了本文所述的产品，其中所述填料如caco3、mg(oh)2、al(oh)3、al2o3、b2o6zn3或它们的组合。

根据另一方面，提供了本文所述的产品，其中所述无机填料的平均粒度小于3μm。

根据另一方面，提供了本文所述的产品，其中所述无机填料的平均粒度介于1与3μm之间。

根据另一方面，提供了本文所述的产品，其中包含20重量％的无机填料的产品的密度在1.25至1.56g/cm³范围内。

根据另一方面，提供了本文所述的产品，其中包含20重量％的填料的产品的抗拉强度优于非填充产品的抗拉强度且高于50mpa。

根据另一方面，提供了本文所述的产品，其中包含20重量％的填料的产品的抗弯强度优于非填充产品的抗弯强度且高于80mpa。

根据另一方面，提供了本文所述的产品，其中包含20重量％的填料的产品的冲击强度优于非填充产品的冲击强度且高于8kj/m²。

本文所述的基于纤维素长丝的化合物涉及并且适于加速脱水压缩模制，在优选的实施方案中通过热压压缩模制。最终产品是面内各向同性的且无粘合剂，具有增强的表面均匀性、尺寸稳定性和机械性能。本文还描述了压缩模制纯纤维素长丝或基于纤维素长丝的组合物的水性悬浮液，以生产具有二维(诸如平板)或简单三维(诸如槽纹板)的面内各向同性无粘合剂产品的方法。

本文所述的用于由纯纤维素长丝或与无机填料一起均匀分散在水悬浮液中的纤维素原纤维制备无粘合剂且面内各向同性产品的方法，其包括使悬浮液均匀预成型，然后在高温下压缩模制至干的第一步骤。可以产生各种几何形状、尺寸和表面光洁度。本说明书进一步说明了压缩模制尺寸稳定的产品所需的参数和模具设计。

加速本文所述的纤维素长丝或原纤维悬浮液和产品的脱水和干燥的方法涉及在预成型阶段之前向悬浮液中添加无机填料。根据所用无机填料的选择，也可以为最终产品增添功能。在其它实施方案中，可以选择添加较低密度的填料如无机中空微球以降低最终无粘合剂产品的密度。此外，还可以添加可膨胀的聚合物珠粒以进一步减轻无粘合剂产品的重量。

本文所述的产品在以下方面是独特的：1)所用的纤维素材料组合物是如由hua等人(us20130017394a1)所述制备的纯纤维素长丝，不添加任何常规纤维素纤维或木材颗粒；2)描述了一种高温压缩模制工艺，以加速纤维素长丝的脱水和固结；3)添加无机填料以加速脱水速率。

在本文所述的方法之前，尚未报道有用于生产基于纤维素长丝的产品的热压压缩模制方法。本文描述了制备此类产品的方法。

附图说明

图1a是本发明无粘合剂的风干纤维素长丝(cf)材料的一个实施方案与以下材料相比的吸水率(重量％)的条形图：枫木、中密度纤维板(mdf)、颗粒板(pb)面板和高密度聚乙烯(hdpe)塑料；

图1b是在垂直燃烧测试之后测试的无粘合剂的风干纤维素长丝(cf)材料、枫木、中密度纤维板(mdf)、颗粒板(pb)面板和高密度聚乙烯(hdpe)塑料的照片，其中cf样品与测试的其它材料相比显示出良好耐火性和少许炭化。

图1c是本发明无粘合剂的风干纤维素长丝(cf)材料的一个实施方案与以下材料相比的硬度(n)的条形图：枫木、中密度纤维板(mdf)、颗粒板(pb)面板和高密度聚乙烯(hdpe)塑料；

图1d是本发明无粘合剂的风干纤维素长丝(cf)材料的一个实施方案与以下材料相比的冲击值(ft*lbs)的条形图：枫木、中密度纤维板(mdf)、颗粒板(pb)面板和高密度聚乙烯(hdpe)塑料；

图2a是本文所述的风干无粘合剂产品的一个实施方案的扫描电子显微照片；

图2b是本文所述碾碎的风干无粘合剂产品的一个实施方案的扫描电子显微照片；

图2c是本文所述压缩模制的无粘合剂产品的一个实施方案的扫描电子显微照片，其中所述产品是在247psi的压力下由按干重计稠度为10％的初始水悬浮液生产的；

图3示出了达成本文所述的无粘合剂的基于纤维素长丝的产品的各个实施方案的流程图的各种工艺选项，在一个实施方案中，将cf水和添加剂的悬浮液转移到预成型模具中，然后制成预成型件，之后热压模制，或直接热压模制或风干。

图4a是由稠度为20重量％水/固体的水悬浮液生产的无粘合剂纤维素长丝板的一个实施方案的非抛光样品的侧视图照片；

图4b是由稠度为20重量％水/固体的水悬浮液生产的无粘合剂纤维素长丝板的一个实施方案的抛光样品的正视图照片；

图4c是由稠度为30重量％水/固体的水悬浮液生产的无粘合剂纤维素长丝板的一个实施方案的非抛光样品的侧视图照片；

图4d是由稠度为30重量％水/固体的水悬浮液生产的无粘合剂纤维素长丝板的一个实施方案的抛光样品的正视图照片；

图5是通过热压压缩达指定时间间隔而模制的本文所述的无粘合剂的基于纤维素长丝的面板的各个实施方案(100％cf-120min，20重量％caco325μm-25min，20重量％caco32.8μm-45min，及20重量％caco32.8μm-90min)的抗拉强度(mpa)的条形图；

图6a是本文所述的基于纤维素长丝的板的压缩模制100％cf与20重量％caco32.8μm和25重量％mg(oh)21.8μm实施方案的密度(g/cm³)的条形图；

图6b是本文所述的基于纤维素长丝的板的压缩模制100％cf与20重量％caco32.8μm和25重量％mg(oh)21.8μm实施方案的抗拉强度(mpa)的条形图；

图6c是本文所述的基于纤维素长丝的板的压缩模制100％cf与20重量％caco32.8μm和25重量％mg(oh)21.8μm实施方案的抗弯强度(mpa)的条形图；

图6d是本文所述的基于纤维素长丝的板的压缩模制100％cf与20重量％caco32.8μm和25重量％mg(oh)21.8μm实施方案的压缩强度(mpa)的条形图；

图6e是本文所述的基于纤维素长丝的板的压缩模制100％cf与20重量％caco32.8μm和25重量％mg(oh)21.8μm实施方案的冲击强度(kj/m²)的条形图；

图6f是本文所述的基于纤维素长丝的板的压缩模制100％cf与20重量％caco32.8μm.和25重量％mg(oh)21.8μm实施方案的24小时后吸水率(重量％)的条形图；

图7a是根据本文所述的一个实施方案，在环境温度压缩和250psi下用于使纤维素长丝悬浮液脱水成扁平预成型件的真空辅助模具在真空下的仰视图、横截面图和侧视图的示意图，其中预成型件的稠度在～30重量％至55重量％固体之间变化；

图7b是根据本文所述的一个实施方案，在环境温度压缩和250psi下用于使纤维素长丝悬浮液脱水成扁平预成型件的4至6面脱水模具的仰视图、横截面图和侧视图的示意图，其中预成型件的稠度在～30重量％至55重量％固体之间变化；

图8是示出如表1所示根据本文所述的实施方案，不同压缩模制循环对含有2.8μm的20％碳酸钙(caco3)的无粘合剂纤维素长丝上所具有的抗拉强度(mpa)的影响的条形图；

图9a是根据本文所述的一个实施方案，通过压缩模制制成的无粘合剂的基于纤维素长丝的波纹板的照片；

图9b是根据本文所述的一个实施方案，通过压缩模制制成的无粘合剂的基于纤维素长丝的组装波纹夹层板的照片；

图9c是根据本文所述的一个实施方案，通过压缩模制制成的无粘合剂的基于纤维素长丝的组装蜂窝夹层板的照片；

图10a是根据本文所述的一个实施方案，基于纤维素长丝的产品的表面光洁度的照片；

图10b是根据本文所述的一个实施方案，基于纤维素长丝的产品的压花表面光洁度的照片；

图10c是根据本文所述的一个实施方案，基于细线纤维素长丝的产品的表面光洁度的扫描电子显微照片；

图11是示出本文所述的纤维素长丝压缩模制产品的面内各向同性抗拉强度(mpa)的条形图。

具体实施方式

定义

本文使用和描述的纤维素长丝是hua等人(us20130017394a1)的那些纤维素长丝；具有以下特性；其窄宽度为约30至100nm，下限厚度为约50nm并且其上限长度为至多几毫米。这些特征增加了它们的柔韧性、比表面积，促进了缠结，并增强了氢键密度。

无粘合剂在本文中定义为基本上不含任何将被理解为将本文所述的纤维素长丝粘合在一起的粘合剂。粘合剂应理解为包括但不限于任何生物基物质，诸如淀粉和乳胶；已知为热塑性的油基聚合物基质，诸如聚丙烯、尼龙和聚乳酸(pla)或热固性树脂(诸如聚酯、乙烯酯、环氧树脂、聚氨酯)；基于甲醛的粘合剂，诸如脲甲醛、聚二苯甲烷二异氰酸酯(pmdi)；或合成纤维，诸如聚酯、聚丙烯、尼龙和聚丙烯；或胶粘剂如聚乙酸乙烯酯和聚乙烯醇。

面内各向同性在本文中定义为在所有面内方向/或轴上具有相同性能。纤维素长丝在压缩模制产品中随机取向；这与在不同的面内方向/轴上具有不同性能的天然木材和工程木制品(即胶合板、交叉层压木材)不同。

如现有技术参考文献(us2013/0199743a1和us2013/0017394a1)中那样，纤维素长丝通过将水性悬浮液进行简单环境风干数周而形成各向同性固体块材料的能力已经被精炼机经营商注意到并在实验室中进行了证实。发现风干的各向同性固体具有令人印象深刻的性能，即其比重为1.5g/cm³，与纯纤维素的比重相等，其硬度及其耐火性与其它纤维素材料有区别。图1示出了风干纤维素长丝材料相较于枫木、中密度纤维板(mdf)、颗粒板(pb)面板和高密度聚乙烯(hdpe)的一些性能。图1a示出在环境水中浸泡24小时后，吸水率为低于10％的极低水平。图1b示出在垂直燃烧测试中暴露于火焰时，风干的100％纤维素长丝样品表现出良好耐火性并且没有变黑。图1c和图1d示出了风干纤维素长丝样品的硬度和抗冲击性，其与目前市场上的枫木、工程木复合材料和石油基产品的硬度和抗冲击性相当或甚至更优。此外，材料处理显示这些风干的纤维素长丝产品可以加工、抛光，用钉子和螺钉组装。

本说明书说明了在高温下在工业上可行的压缩模制工艺中生产基于纤维素长丝的产品的方法和设备。该过程加速了纤维素长丝产品的脱水、干燥和固结，具有灵活性，因为其允许应用不同的温度和压力循环。通过改变温度和压力循环，压缩模制工艺为制造商提供了控制模制产品的机械性能、尺寸稳定性和表面质量的新增方法。图2示出了与压缩模制纤维素长丝板相比较的风干产品的扫描电子显微照片。图2a中的显微照片显示纤维素长丝在风干产品表面处固结。图2b示出在由铣床引起的切割样品的机械作用之后风干产品的表面。此时，单独的纤维素长丝是无法区分的，说明了自固结或自粘合水平高。这种高度固结可以防止吸水或火焰传播到风干产品中。该固结相具有类似于在典型热塑性材料的单个连续相基质中看到的外观。另外，板撞击桌边的声音与复合物体而不是一块木材的声音相似。与风干产品不同，图2c中压缩模制板的显微照片显示了可单独区分的纤维素长丝的随机取向和分散在结构内的1-5μm尺寸的孔的存在。

图3中的流程图说明了由纤维素长丝与无机填料的含水化合物制备固体产品的三种方法：1)在模具内部对预成型产品进行环境风干；2)在模具外部对预成型件进行热压压缩模制；3)在模具内部对预成型件进行热压压缩模制。将在下面更详细地描述这些方法的所有相关步骤，所述相关步骤主要是含水配混，通过预成型模具第一次脱水，然后通过热压压缩模制或通过环境风干进行最终干燥。

配混

本文所述的制剂实施方案通过配混纤维素长丝和无机填料的水性悬浮液来制备。这种含水配混是将均匀性和面内各向同性性质传递给最终产品所需的非常关键的步骤。

本文所述的实施方案使用纯纤维素长丝纸浆制备，纯纤维素长丝纸浆如hua等人(us20130017394a1)所述，以30％稠度以中试规模制造。使用中稠度至高稠度实验室碎浆机在800rpm下于10分钟内获得均匀的纤维素长丝水性悬浮液。将基于干重的10％稠度用于含有无机填料的水性化合物纤维素长丝。10％干稠度适于优化纤维素长丝的分散和缠结，同时最少化水性悬浮液内的空气滞留。低化合物稠度和无机填料的添加都有助于限制基于纤维素长丝的产品中的缺陷并改善其均匀性。

可以使用其它混合方式，诸如工业配混器、搅拌器、混合器或碎浆机。为了上述益处，优选将配混稠度保持在10％或低于10％。在一个实施方案中，悬浮液稠度为5至30％固体，其中在优选实施方案中，悬浮液稠度为5-15％固体，并且在特别优选的实施方案中，悬浮液稠度为5-10％固体。即使较低的稠度会改善悬浮液和产品的均匀性，也应避免过度稀释，以最小化脱水阶段所需的时间和工具尺寸。更具体地，稀释水平会影响配混器的体积和将悬浮液脱水成所需预成型件所需的模具高度。然而，稀释对于最小化缺陷、降低最终产品的所测物理机械性能和尺寸稳定性的标准偏差是必需的。图4示出了对于20％(图4a、图4b)和30％(图4c、图4d)稠度的悬浮液而言，室温调节后压缩模制板的侧视图(图4a、图4c)，以及抛光处理后相同板的俯视图(图4b、图4d)。照片显示，在配混期间由较高稠度制成的产品具有更多缺陷和更大的变形、卷曲或翘曲。

图4b和图4d显示压缩模塑过程的高压和高温不能克服20-30％纤维素长丝的高稠度化合物的流动阻力。显然，纤维素长丝化合物的缠结和聚集不允许在模具内部横向流动，模具内部横向流动将平衡最终产品的材料密度。与聚合物基质不同，纤维素长丝在受到热和压力时不会熔化和流动。另外，在高的化合物稠度下，化合物向预成型模具的转移更为关键，导致了预成型件和/或最终产品的不均匀性。

无机填料广泛用于不同行业，例如造纸、涂料、聚合物增强复合材料等。在先前的造纸领域中，laleg等人(wo/2012/040830)和dorris等人(us20160102018)已经证实纤维素长丝具有在其网络中保留高达92重量％的无机填料以形成高度填充的纸和板的能力。

无机填料通常用于复合材料中以降低成本，增加硬度并且有时会提高耐火性(氢氧化铝)。本文还公开了无机填料在压缩模制中的新用途。在纤维素长丝的压缩模制中，在水性悬浮液配混过程中添加限定量的无机填料以加速干燥并改善最终产品的均匀性。此外，添加无机填料可以独特地改善压缩模制产品的尺寸稳定性和表面质量。

图5显示了填料的添加和平均粒度对厚度为3mm，在150℃最高温度和247psi下干燥至99％稠度的纤维素长丝压缩模制板的干燥时间和抗拉强度的影响。添加20％平均粒度为25μm的碳酸钙填料使板的干燥时间减少79％，从120min减少到25min，但使强度降低27％。如果将该25μm平均粒度的碳酸钙填料替换为2至3μm的较小平均粒度填料，则板保持其原始抗拉强度和抗弯强度并且可以获得甚至更高的强度。在此类实施方案中，与100％纤维素长丝板相比，干燥时间的减少较少，为约62％，从120min减少到25min。含无机填料的板的尺寸稳定性及其亮度和表面性质得到改善。添加20％尺寸为2.8μm的碳酸钙填料，板的亮度从纯纤维素长丝板的24％增加到62％。

除了加速热压压缩模制期间的干燥和提高模制纤维素长丝无粘合剂产品的尺寸稳定性之外，图5显示相对于未填充板，含按干重计20％的平均粒度为2.8μm的碳酸钙的板的抗拉强度更高。相对于通过压缩模制制成的100％纤维素长丝板的抗拉强度，该抗拉强度增加可达到高达～18％(在90min热压压缩模制板的情况下)。不同的是，在抗拉强度上与通过压缩模制制成的100％纤维素长丝板相比，平均粒度为25μm的碳酸钙等级使抗拉强度降低～27％。

图6总结了添加20重量％的平均粒度为2.8μm的碳酸钙对通过压缩模制制成无粘合剂纤维素长丝板的不同特性的影响，以及添加25重量％的平均粒度为1.8μm的氢氧化镁对通过压缩模制制成无粘合剂纤维素长丝板的不同特性的影响。相对于100％纤维素长丝板，含有4-8％无机填料的板的密度增加并不显著。尽管在板中添加了20-25％无机填料，但是抗拉强度和抗弯强度从4％增加至11％。在热塑性材料中，如j.suwanprateeb，elsevier-composites:部分a31,353-359,2000所述，对应于12-15％体积分数的这种电荷水平会使拉伸屈服应力降低24-30％。其它显著变化包括含碳酸钙的板的冲击强度增加32％，而含氢氧化镁的板的冲击强度降低34％。含两种填料的板的压缩强度降低8-13％。添加填料的一个缺点是，对于含25％氢氧化镁的板而言注意到吸水率增加35％。通过所有这些结果，显然除了加速在热压压缩模制中的脱水的新颖性之外，还有可能通过填料选择来控制板性能。

除了碳酸钙和氢氧化镁之外，还成功地测试了其它无机填料，例如氢氧化铝、氧化铝和硼酸锌(技术光，sigma-aldrich14470)，以减少压缩模制过程中的干燥时间。除了填料平均粒度的变化之外，填料颗粒形状的变化也可以影响通过压缩模制制成的纤维素长丝产品的干燥速率和最终性能。不同填料类型、形状和平均粒度的组合可以改变干燥速率和产品性能，但也可以对压缩模制产品的干燥和物理机械性能具有协同效应。应注意，其它类型的无机填料也可用于提高干燥速率，但也可用于增加诸如颜色、亮度、磁性、导电性、耐火性、硬度、抗冲击性、防弹、隔音、尺寸稳定性和表面性能(如光滑度)等功能。在其它实施方案中，可以选择添加较低密度的填料如无机中空微球以降低最终无粘合剂产品的密度。还可以添加可膨胀的聚合物珠粒以进一步减轻无粘合剂产品的质量。

由于无机填料的亲水性低于纤维素长丝，因此当在压缩模制过程中暴露于热压时，它们倾向于比周围的纤维素长丝更快地干燥。这种加速干燥的潜在机制之一可能涉及这种干燥度差异将来自纤维素长丝的水和水蒸汽驱向最近的无机颗粒，等等。因此，无机填料颗粒通过在热压和干燥过程中产生排出水和水蒸汽的路径而起作用。

预成型、模制和干燥

含无机填料的基于纤维素长丝的悬浮液在专门设计的模具中脱水，以产生所需的预成型件。图7a至图7b示出了真空辅助平面脱水模具(a)和四至六面平面脱水模具(b)的仰视图/俯视图、侧视图和横截面图。当悬浮液从混配器均匀地转移到模具中时，水可以从该后一种模具的六个面离开化合物。释放多孔织物，例如聚酯剥离层，可以放置在模具与基于纤维长丝的水性化合物之间的界面处，主要是为了便于从模具中取出预成型件。预成型模具的形状和尺寸与最终产品设计有关。

根据本文所述的实施方案，预成型可在室温或低于100℃的温度下进行。施加的压力设定为250psi。

如图3所示，在预成型步骤之后，如果预成型件是自支撑的，则预成型件可以脱模，然后转移到热压模具中进行最终压缩和干燥。在一些实施方案中，预成型件可在其预成型模具内转移到热压模中以进行最终压缩和干燥。在一些实施方案中，预成型件可以支撑在其模具内，以通过风干过程完成剩余脱水。

在热压模制工艺中，控制压板温度和对预成型件施加的压力并且循环以优化干燥时间并且通常使模制部件性能最大化。表1显示了不同的压缩模制和干燥循环。例如，在循环3中，温度在前10分钟内保持恒定为110℃，然后增加并保持在最高150℃下持续15分钟。在保持期后，温度逐渐降低至初始起始温度110℃。同时，压力以三步增量上升以在10分钟后达到250psi，15分钟后达到500psi，以及17分钟后达到最高1000psi。然后将压力保持恒定23分钟，然后将其释放至大气压力，持续45分钟的完整循环时间。

表1：不同的压缩模制和干燥循环

干燥和模制循环将对氢键密度以及整体固结质量有影响，从而对机械性能有影响。这在图8中进行了说明，其中发现循环3明显优于其它循环(1、2和4)。据信关于为何循环3优于其它循环的机制与一些因素有关，诸如温度和压力更缓慢的增加并且较高的最终压力可能很重要，因为它使抗拉强度提高了超过15mpa。其它模制循环，例如在较高压力下的模制循环，可以改善纤维素长丝产品的性能。

最终可以考虑其它干燥方式，例如烘箱干燥、微波、射频，所述干燥方式全部可以用真空系统辅助。冻干也可以被考虑用于减轻基于纤维素长丝的产品的重量。

图9示出了由基于纤维素长丝的悬浮液制成的不同形状的热压压缩模制产品的一些实施方案的照片。这里应该强调的是，使用图7的预成型扁平模具来产生预成型件。然后，这些预制件在受到施加的压力时在最终热压模具中成型。

可以根据所使用的模具、根据嵌入模具中的插入件或通过机械作用或切割纤维素长丝模制产品来产生各种不同的表面光洁度。图10a至图10d示出了基于纤维素的产品的光洁度的四个示例：a)如所述在图7的模具中进行干燥的，b)经压花的，和c)用金属丝网对经由压缩模制生产的基于纤维素的板进行压印的，以及d)通过铣床对风干产品的机械作用而获得的。

与具有定向纤维的木材或具有定向颗粒的工程木制品相反，纤维素长丝在压缩模制产品中随机取向。图11示出了有和无填料的两种纯纤维素长丝压缩模制产品的一种机械性能即抗拉强度的面内各向同性性质。水平(x轴)或垂直(y轴)切割的样品都显示出几乎相同的抗拉强度。

根据本公开，表2显示了基于cf的板相对于基于木质纤维的商业板(两者均无粘合剂且经热压模制)的性能综合比较。如图明确所示，基于cf的模制产品可满足需要更高整体性能的不同市场需求，实际可持续的商业无粘合剂产品无法满足不同市场需求。

表2：在5％稠度和含有20重量％caco3(平均粒度2.8μm)之后预成型的基于cf的热压模制无粘合剂板相对于基于木质纤维的商业无粘合剂板的代表性能

本文所述的方法通过形成热压压缩模制，而更快速地以工业上可行的方式从来自水性悬浮液的纤维素长丝组合物生产无粘合剂产品。

在纤维素长丝化合物中添加无机填料如较小平均粒度的碳酸钙以控制热压压缩模制过程中的干燥速率，令人惊讶地改善了模制产品的尺寸稳定性和强度性能。还公开了用于后续热压压缩模制或环境风干工艺的纤维素长丝预成型件，所述纤维素长丝预成型件具有或没有无机填料或有机添加剂。

虽然主要通过添加无机填料进行的热压压缩模制看起来像是工业上可行的工艺，但是环境风干产品具有可以证明其生产时间更长是有道理的优异特征。这些来自纤维素长丝的风干产品具有独特的防水性和耐火性以及大理石般的特征，可用于不同的市场。此外，压缩模制与最终风干步骤的组合可提供接近风干产品的特征。

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