专利名称：从处理过的木质纤维素颗粒和粘合剂制造制品的方法
技术领域：
本发明涉及对从木质纤维素颗粒(lignocellulosic particles)和粘合剂制造板材(panels)和其它制品的方法的改进。
发明的背景目前有许多不同类型的板材是使用木材为原料并用一种或多种粘合剂(即胶水)粘合制得的。这些板材包括定向纤维板(Oriented Strand Board)(“OSB”)、高密度纤维板(“HDF”)、中密度纤维板(“MDF”)和刨花板(Particleboard)(“PB”)。所有这些产品的方法都是使用木材颗粒如薄片或纤维和某些类型的胶水来制成毡片(mat)，然后对毡片加压和加热，直到树脂固化并且毡片成为复合材料制品。
在木板材产品中使用的最主要的粘合剂是热固性甲醛基树脂，对其主要加以选用的原因是其成本低。这种粘合剂的例子包括脲甲醛树脂(“UF”)、蜜胺甲醛树脂(“MF”或“MUF”)和酚醛树脂(“PF”)。有时使用的其它粘合剂包括异氰酸酯基胶水如亚甲基二苯基二异氰酸酯(“MDI”)和其各种聚合形式。尽管异氰酸酯基粘合剂可能为分散的木材颗粒提供较强的粘合，但与甲醛基树脂相比它们也是非常昂贵的。
一种已有的产品是稻草板(strawboard)，它可能与OSB、HDF、MDF或PB相类似，但它是从稻草颗粒(straw particles)而非木材颗粒制成的。稻草板从保存资源的观点来看可能是最合乎需要的，因为稻草如谷类稻草是每年都可更新的资源，并且它是农业生产的副产品，而木材贮藏量随着木材产品的需求增大而减少。
过去人们曾发现在制造稻草板的过程中宜采用异氰酸酯基粘合剂如MDI作为主粘合剂，因为使用甲醛基树脂如UF制得的稻草板的内部结合力往往比使用MDI制得的明显更低。
这种较低的内部结合力通常归因于覆盖稻草颗粒的蜡涂层，该蜡涂层被认为是妨碍了稻草颗粒和较弱粘合剂如UF之间的粘合。不幸的是，在制造稻草板的过程中必需使用昂贵的胶水如MDI通常会导致制造稻草板产品的成本提高，这样仅有很少的商业价值。
除了费用昂贵外，与异氰酸酯基粘合剂如MDI有关的还有其它问题。首先，MDI是一种很有反应性的物质，它能与包括金属(如一般在压机压板(pressplatens)中所用的那些)在内的许多类型的材料粘合。这个特征必须在压板和待压制的毡片之间使用隔离剂或某些类型的物理阻挡层，这两种物质都会使费用提高并且产生潜在的制造问题。其次，MDI蒸气对健康有害，故必须对之加以处置。第三，MDI在其未固化状态时缺乏“粘性”或粘附性，这样它就不能为压制前的毡片提供任何结构上的完整性。这个特征意味着在压制前必须非常小心地处置毡片否则它会分离散开。第四个考虑的因素是层压表面不能象粘合到UF粘结的表面一样粘合到MDI粘结的表面上。
因此需要一种可至少部分从除了异氰酸酯基粘合剂外的胶水制成的稻草板产品。
发明的概述本发明是对从木质纤维素颗粒制造制品的方法的改进，其中该方法包括将木质纤维素颗粒与粘合剂混合的步骤。本发明尤其包括在将木质纤维素材料颗粒与粘合剂混合前处理该颗粒的步骤，其办法是将木质纤维素颗粒置于酸性环境下。
尽管本发明可以有效地使用包括木材颗粒在内的任何木质纤维素颗粒，但以由任何类型的稻草颗粒组成的木质纤维素颗粒为佳。更好的是选自包括大麦、小麦、燕麦、canola、亚麻、大麻、甘蔗渣、稻、向日葵、干草和青草的作物的稻草颗粒。最好的是选自包括大麦、小麦、燕麦和canola的作物的稻草颗粒。
处理木质纤维素颗粒的步骤宜包括将木质纤维素颗粒与酸性水溶液混合，所述酸性水溶液较好是弱酸如羧酸(较好是乙酸)的稀溶液、强酸如盐酸或硫酸的极稀溶液或它们的混合溶液。酸性水溶液的氢离子浓度宜约为0.0025—0.006摩尔/升。处理步骤宜包括将木质纤维素颗粒与足量的酸性水溶液混合，使混合稻草颗粒的氢离子量为每千克烘干的稻草颗粒约0.001—0.003摩尔。用酸性水溶液喷洒稻草颗粒，可以将稻草颗粒与酸性水溶液混合。
然后宜保持稻草颗粒和酸性水溶液接触一段时间。较好将此接触保持约5—60分钟，更好保持约10—30分钟。
用于处理步骤的木质纤维素颗粒可以具有任何含湿量，但当它们与酸性水溶液混合时，其含湿量较好小于木质纤维素颗粒烘干重量的约20％。当与酸性水溶液混合时，木质纤维素颗粒的含湿量最好为稻草颗粒烘干重量的约5—20％。
木质纤维素颗粒和酸性水溶液可以处于处理步骤的任何温度下，但较好是至少部分处理步骤在至少约30℃的温度下进行。
本发明也包括将稻草颗粒与粘合剂混合的步骤。粘合剂可以是任何适用于胶合木质纤维素颗粒的粘合剂，它包括甲醛基粘合剂和异氰酸酯基粘合剂。然而，较好是至少部分粘合剂是甲醛基树脂如脲甲醛树脂(“UF”)、蜜胺甲醛树脂(“MF”或“MUF”)或酚醛树脂(“PF”)。也可以使用不同粘合剂的混合物。例如，甲醛基树脂如UF可用作制品的某些部分，而异氰酸酯基粘合剂如MDI可用作制品的其它部分。在将稻草颗粒与粘合剂混合的步骤完成之前，木质纤维素颗粒的含湿量较好小于稻草颗粒烘干重量的约15％。
木质纤维素颗粒可以是任何大小，但在处理步骤中其最大尺寸较好小于约200毫米。在处理步骤中，其最大尺寸更好小于约50毫米。在处理步骤中，木质纤维素颗粒的最大尺寸最好小于约25毫米。
本发明可用于从木质纤维素颗粒和粘合剂来制造任何类型的制品。制造制品的方法包括从混合的木质纤维素颗粒和粘合剂成形制品的步骤，和随后固化粘合剂制成制品的步骤。粘合剂较好是热固性粘合剂，通过加热制品使其固化。制品较好是板材，它是通过形成混合的木质纤维素颗粒和粘合剂的毡片成形的。然后使粘合剂固化制成板材。
详细描述本发明涉及一种从木质纤维素材料的颗粒和粘合剂来制造制品的方法。木质纤维素材料可以是任何类型，它包括木材和稻草。粘合剂可以是任何适用于粘合木质纤维素材料的类型，它包括甲醛基树脂和异氰酸酯基粘合剂。在采用本发明制造单个制品的过程中也可以使用不同木质纤维素材料和粘合剂的混合物。
在较好的实例中，本发明涉及从稻草颗粒制造板材的方法。在本专利申请中，“稻草颗粒”包括从作物的茎、秆或叶子获得的纤维、薄片和其它颗粒，但不包括木材纤维、木材薄片或木材颗粒。
在较好的实例中，稻草颗粒从包括大麦、小麦、燕麦和canola的作物获得。然而，其它类型的稻草颗粒也可以在本发明中使用，它们包括，但不局限于从包括亚麻、大麻、甘蔗渣、稻、向日葵、干草和青草等的作物获得。
在较好的实例中，本发明涉及减少与制造稻草板有关的成本和其它问题，所述稻草板是从稻草颗粒和粘合剂制成的复合材料。在较好的实例中，本发明尤其是涉及在制造稻草板的过程中能使用甲醛基树脂作为有效的粘合剂。
本发明可用于或适用于与许多不同的从木质纤维素材料和粘合剂来制造制品的方法一起使用，因为本发明主要涉及可添加到许多不同方法中的一步或多步附加工艺步骤。因此，本发明涉及方法的改进，而非新的全部工艺。
在过去，甲醛基树脂作为木材颗粒的粘合剂取得了巨大的成功，但未曾证明过它们本身在粘合稻草颗粒的用途中是有效的。这个缺点通常归因于甲醛基树脂作为粘合剂比较弱，并且蜡涂层覆盖着稻草颗粒，该蜡涂层被认为是妨碍了甲醛基树脂与稻草颗粒的粘合。通常认为异氰酸酯基粘合剂能克服与甲醛基树脂有关的缺点，因为异氰酸酯作为粘合剂的内部结合力较大。然而，本发明向这些基于稻草颗粒和甲醛基树脂的某些固有特性的看法提出了挑战。
已知当在酸性环境下，较好在pH值约为3.0—3.5下固化时甲醛基树脂形成最为有效的粘合。相反，异氰酸酯基粘合剂如MDI在pH值大于约7.0的碱性环境下固化最为有效。
木材颗粒往往具有约为3.0的天然pH值和约为50—80meq.(毫当量)硫酸水溶液的天然缓冲能力。另一方面，稻草颗粒往往具有约为6.0—7.5的天然pH值和约为300—450meq.硫酸水溶液的天然缓冲能力。
因此可以预言，从固化条件最佳化的观点来看，甲醛基树脂自然适用于粘合木材颗粒，而不太适用于粘合稻草颗粒。也可以预言，异氰酸酯基粘合剂自然适用于粘合稻草颗粒，也许不太适用于粘合木材颗粒。
按本发明最简单的方式，本发明包括在与粘合剂混合前处理木质纤维素材料的步骤，该步骤是将木质纤维素材料置于酸性环境下。这样，尽管本发明可以与使用任何木质纤维素材料和任何粘合剂的方法一起使用，但本发明最适于在将甲醛基树脂用于制造稻草基制品(如稻草板)的方法中使用，因为处理步骤往往使稻草颗粒与甲醛基树脂更为相容。
尽管操作本发明的精确方式并不知道，但确信的是处理步骤对稻草颗粒的化学特性产生一种或多种影响。首先，处理步骤会降低pH值和/或稻草颗粒表面的缓冲能力。其次，处理步骤可能会使稻草颗粒中纤维素链上的羟基发生酯化。第三，处理步骤可能会催化甲醛基树脂与稻草颗粒中木质素的酚核发生反应。对稻草颗粒的化学特性可能有影响的这些因素中的任何一种都会对形成较适宜的固化甲醛基树脂的环境产生整体上的影响。存在酸也可能会降低甲醛基树脂的表面张力，从而改变其表面化学特性，这样就能使甲醛基树脂更好地进入到位于蜡层下的稻草颗粒的表面，从而与稻草颗粒粘合。
这样，在较好的实例中，用于粘合稻草颗粒的至少部分粘合剂是甲醛基树脂，如脲甲醛树脂(“UF”)、蜜胺增强(fortified)的脲甲醛树脂(“MF”或“MUF”)或酚醛树脂(“PF”)。至少部分粘合剂最好是脲甲醛树脂(“UF”)。
在较好的实例中，处理步骤因而包括将稻草颗粒置于酸性环境下。处理步骤宜包括将稻草颗粒与足量的酸性水溶液混合，使混合稻草颗粒的氢离子量为每千克烘干的稻草颗粒约0.001—0.003摩尔。
处理步骤最好包括将稻草颗粒与酸性水溶液混合，然后保持稻草颗粒和酸性水溶液接触一段时间。尽管对此时间没有规定上限，但希望将其降至最小，以便保持整个过程的效率和降低成本。业已发现保持稻草颗粒和酸性水溶液接触的优选时间随实施处理步骤的温度上升而下降。该时间较好约为5—60分钟，最好约为10—30分钟。
可以采用任何方法将稻草颗粒与酸性水溶液混合。在较好的实例中，用酸性水溶液喷洒稻草颗粒。可以任何方式让稻草颗粒和酸性水溶液保持接触。在较好的实例中，将稻草颗粒和酸性水溶液在容器或器皿中保持接触，直到处理步骤完成。
酸性水溶液较好包括弱酸的稀溶液或强酸的极稀溶液(或它们的混合溶液)，使得酸性水溶液的氢离子浓度约为0.0025—0.006摩尔/升。在本专利申请中，“弱酸”包括酸平衡常数的数量级约为10-4—10-11的酸，“强酸”包括酸平衡常数的数量级大于约10-4的酸。
在较好的实例中，酸性水溶液是羧酸(具体是乙酸)的稀溶液或盐酸或硫酸的极稀溶液。更具体地说，在较好的实例中，酸性水溶液是5％(体积)乙酸溶液。
在较好的实例中，在经历处理步骤时，稻草颗粒的最大尺寸宜小于约200毫米。在处理步骤中，稻草颗粒的最大尺寸更好小于约50毫米，最好小于约25毫米。然而，在处理步骤中稻草颗粒的大小取决于所制造的稻草基产品的种类。对于等同于定向纤维板(“OSB”)的稻草基产品，稻草颗粒的最大尺寸可以接近或甚至超过50毫米，而对于等同于中密度纤维板(“MDF”)的稻草基产品，稻草颗粒的最大尺寸可以仅为几毫米或更小。
业已发现处理步骤在下述情况下最为有效，即在与酸性水溶液混合时，稻草颗粒具有适度高的含湿量，即其含湿量为稻草颗粒烘干重量的约5—20％，推测这可能是因为中等含湿量更加便于酸性水溶液分散到全部稻草颗粒中。另外，业已发现在此范围内的含湿量会使进行处理步骤所需的时间降至最小。
这样，在较好的实例中，稻草颗粒的含湿量小于稻草颗粒烘干重量的约20％，最好为处理步骤开始时稻草颗粒烘干重量的约5—20％。所需的含湿量可以通过在过程开始时就使用湿的稻草颗粒或在处理步骤前将水加到稻草颗粒中而达到。
处理步骤可以在高于水的冰点的任何温度下进行，包括在稻草颗粒或酸性水溶液中所含的水的蒸汽相内的温度。然而，如上所述，业已发现完成处理步骤的优选时间随实施处理步骤的温度上升而下降。这样，为了达到最佳结果，必须在处理步骤进行的温度和进行处理步骤的时间长短之间寻找一种平衡，以便使处理步骤的实施达到最佳。
在较好的实例中，至少部分处理步骤在至少30℃的温度下进行，但最高温度也需加以控制，以便控制进行处理步骤所需的能量。所需的温度可以通过利用预先在过程中输入的热量或在处理步骤前加热稻草颗粒和/或酸性水溶液而达到。在处理步骤中，温度也可以向上或向下调节。若至少部分处理步骤在至少30℃的温度下进行，则发现在处理步骤中保持稻草颗粒和酸性水溶液接触的最佳时间约为10—30分钟。
在较好的实例中，处理步骤也即本发明可以作为制造稻草板制品的整个过程中的一部分进行，或者处理步骤可以对稻草颗粒分开进行，而后将此稻草颗粒用于制造稻草板制品。下面描述提供一个如何将本发明的较好实例加到制造稻草板的整个过程中的例子。
首先，选择稻草颗粒，它较好是选自大麦、小麦、燕麦和canola的作物。对这些稻草颗粒进行加工，以减小其粒度大小，其办法是将它们放在桶状粉碎机(tub grinder)中进行粉碎，获得最大尺寸小于约300毫米，较好约为50—100毫米的稻草颗粒。
接着，采用机械或气动方法对稻草颗粒的大小进行分类，以便除去污垢、其它有害物质和非常细小的稻草颗粒。通过筛选除去的非常细小的稻草颗粒可以占到多达进行大小分类的稻草颗粒烘干总重量的15％。
在筛选步骤后，将剩余稻草颗粒的含湿量调节达稻草颗粒烘干重量的约30％。
视所制造的稻草板制品的种类，然后让稻草颗粒通过锤式破碎机或磨碎机，以进一步减小稻草颗粒的大小，使其最大尺寸约为5—50毫米。
稻草颗粒宜在经历磨碎步骤后进行处理步骤。若需要的话，在进行处理步骤前可以将稻草颗粒的含湿量调节到稻草颗粒烘干重量的约5—20％，以使实施处理步骤达到最佳。
如先前所述，处理步骤宜包括将稻草颗粒与酸性水溶液接触，直到混合稻草颗粒的氢离子量为每千克烘干的稻草颗粒约0.001—0.003摩尔。稻草颗粒可以用酸性水溶液喷洒并与其混合，随后保持稻草颗粒与酸性水溶液接触，以便提供机会让氢离子与稻草颗粒反应。
在处理步骤后，可以将稻草颗粒干燥以备用于与一种或多种粘合剂混合，或者可以将它们送入进一步减小粒度的设备如精研机，以便达到所需的稻草颗粒形状。例如，若制造等同于刨花板的稻草板，则可以对稻草颗粒进行精磨，以便获得最大尺寸非常小的稻草颗粒。在精磨步骤后，再将稻草颗粒干燥以备用于与一种或多种粘合剂混合。
不管是在处理步骤后还是在精磨步骤后进行干燥，宜在与粘合剂混合之前或同时干燥稻草颗粒，使其含湿量为稻草颗粒烘干重量的约1—15％。
一旦将稻草颗粒干燥到小于稻草颗粒烘干重量的约15％时，或者在干燥步骤的同时，将稻草颗粒与一种或多种粘合剂混合，使得稻草颗粒的含湿量约为1—15％，之后完成稻草颗粒与一种或多种粘合剂的混合步骤。当制造的制品是稻草板板材时，形成由稻草板颗粒和粘合剂组成的毡片。甲醛基树脂和异氰酸酯基粘合剂都可以在单个制品中使用，以便利用两种不同类型粘合剂的相对内部结合力。
例如，某些与异氰酸酯基粘合剂有关的问题(包括其粘附到压机压板上的倾向)可以通过使用稻草颗粒和异氰酸酯基粘合剂的混合物作为稻草板板材的内芯部分并使用稻草颗粒和甲醛基树脂的混合物作为稻草板板材的外表面部分而加以克服。
在成形稻草板板材或其它制品后，采用压机或其它方法对成形的毡片或其它制品加热和加压，从而使一种或多种粘合剂固化，制得制品。
在上述实施例中，在磨碎步骤后但在精磨步骤前进行处理步骤。然而，应注意的是此实施例并不被理解为限制本发明尤其是处理步骤的实施。处理步骤可以在制造稻草板过程的任何时候进行。特别是，处理步骤可以在对稻草颗粒磨碎前、磨碎时或磨碎后进行，也可以在对稻草颗粒精磨前、精磨时或精磨后进行。进行处理步骤的最佳时间受工艺设计的限制因素和能量效率的考虑因素的控制。
如上所述，在制造稻草板的过程中采用处理步骤能便于有效地使用甲醛基树脂作为产品中的粘合剂。就其原因是处理步骤的实施能在稻草颗粒和甲醛基树脂之间获得较佳的粘合。
传统上在不采用处理步骤的稻草板产品中，稻草颗粒与甲醛基树脂粘合剂的内部结合力一般小于约0.45N/mm2。业已发现当在稻草颗粒与粘合剂混合前采用处理步骤时，则视处理步骤中所用酸性水溶液的种类和浓度以及所用粘合剂的种类和量，在稻草颗粒与甲醛基树脂粘合剂之间的内部结合力趋于增加到约0.58—0.75N/mm2。
业已发现在处理步骤中使用弱酸的稀溶液或强酸的极稀溶液往往能在稻草颗粒与甲醛基树脂粘合剂之间获得最佳的内部结合力。例如，与盐酸的较浓溶液相比，盐酸的极稀溶液看来能提供更佳的结果。如先前所述，不管本发明所用酸性水溶液的种类如何，酸性水溶液的氢离子浓度宜约为0.0025—0.006摩尔/升。
在处理步骤中所用的一类特别好的酸是羧酸。特别是，业已表明在处理步骤中使用乙酸能使稻草颗粒与甲醛基树脂粘合剂之间的潜在内部结合力超过0.68N/mm2。对此一种可能的解释是在羧酸中存在羧基，羧基会与稻草颗粒中纤维素链上的羟基发生反应，从而改变稻草颗粒的化学特性。使用乙酸的稀溶液(约5体积％)，其中氢离子的浓度约为0.0039摩尔/升时获得了迄今为止最佳的结果。
使用甲醛基树脂作为制造稻草基制品如稻草板中的有效粘合剂的潜力能提供若干优点。首先，用多种价廉的甲醛基树脂代替所有或部分常用且昂贵的异氰酸酯基粘合剂可以降低制造成本。其次，至少在制品如稻草板板材的表面部分上使用甲醛基树脂，就可以避免异氰酸酯粘结的稻草颗粒对压机压板发生粘合的倾向。第三，由于甲醛基树脂会使成形但未固化的制品如稻草板毡片具有某些固有的“粘附性”或“粘性”，所以未固化制品的完整性和其处置性能可以得到改进。最后，至少在稻草基制品的表面部分上使用甲醛基树脂作为粘合剂能更好地便于使用层压材料作为表层，因为层压材料更易粘合到甲醛基树脂上，而非异氰酸酯基粘合剂上。
将要求独占产权或特权的本发明的实例在权利要求书中加以限定。
权利要求
1.一种制造制品的方法，它包括将木质纤维素材料颗粒与粘合剂混合的步骤，其改进之处包括在将木质纤维素颗粒与粘合剂混合步骤前处理该颗粒的步骤，其办法是将木质纤维素颗粒置于酸性环境下。
2.如权利要求1所述的方法改进，其中木质纤维素颗粒包括稻草颗粒。
3.如权利要求2所述的方法改进，其中稻草颗粒从包括大麦、小麦、燕麦和canola的作物获得。
4.如权利要求2所述的方法改进，其中稻草颗粒从包括亚麻、大麻、甘蔗渣、稻、向日葵、干草和青草的作物获得。
5.如权利要求2所述的方法改进，其中稻草颗粒具有最大尺寸，在处理步骤中稻草颗粒的最大尺寸小于约200毫米。
6.如权利要求5所述的方法改进，其中处理步骤包括将稻草颗粒与酸性水溶液混合。
7.如权利要求6所述的方法改进，其中酸性水溶液的氢离子浓度约为0.0025—0.006摩尔/升。
8.如权利要求7所述的方法改进，其中处理步骤包括将稻草颗粒与足量的酸性水溶液混合，使混合稻草颗粒的氢离子量为每千克烘干的稻草颗粒约0.001—0.003摩尔。
9.如权利要求8所述的方法改进，其中处理步骤包括将稻草颗粒与酸性水溶液混合，然后保持稻草颗粒和酸性水溶液接触约5—60分钟。
10.如权利要求8所述的方法改进，其中至少部分处理步骤在至少约30℃的温度下进行。
11.如权利要求10所述的方法改进，其中处理步骤包括将稻草颗粒与酸性水溶液混合，然后保持稻草颗粒和酸性水溶液接触约10—30分钟。
12.如权利要求11所述的方法改进，其中酸性水溶液包括乙酸溶液。
13.如权利要求9或12所述的方法改进，其中粘合剂包括甲醛基树脂。
14.如权利要求13所述的方法改进，它还包括将稻草颗粒与粘合剂混合的步骤。
15.如权利要求14所述的方法改进，它还包括在处理步骤后并在与粘合剂混合步骤前或过程中干燥稻草颗粒的步骤，使其含湿量小于稻草颗粒烘干重量的约15％。
16.如权利要求15所述的方法改进，它还包括在将稻草颗粒与粘合剂混合步骤后，成形制品而后固化粘合剂制得制品的步骤。
17.如权利要求16所述的方法改进，其中粘合剂包括脲甲醛树脂。
全文摘要
一种对从木质纤维素材料和粘合剂制造制品的方法的改进,它包括在将木质纤维素材料与粘合剂混合前处理该材料的步骤,其办法是将木质纤维素材料置于酸性环境下。
文档编号B27N1/00GK1329534SQ99814047
公开日2002年1月2日 申请日期1999年10月14日 优先权日1998年10月16日
发明者戴润·J·考斯逖伍 申请人:戴润·J·考斯逖伍