专利名称：木材-金属复合结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1前序中所限定的木材-金属复合结构。
背景技术：
从现有技术已知各种复合结构。最典型的是聚酯和玻璃纤维复合材料以及环氧树脂和碳纤维复合材料。已知要使用弹性模量比聚合物高的纤维。相对于聚合物，纤维也具有大的接触表面。这些类型的复合材料被越来越多地用于需要高强度和轻质的飞机、汽车和其它交通工具中。体育器材也是这些类型的结构的好例子。从现有技术已知各种木板例如胶合板(plywood)、单板(veneer board)或类似物。胶合板是另一种类型的复合材料，其中通过将单板(veneer)层置于相对于其它单板交叉位置来补偿木材方向和不连续点。在胶合板中，胶层具有保持各层在一起的主要特性。胶合板常常具有不期望的特性，如翘曲和扭曲。常规胶合板也不允许水蒸气扩散通过。由于面板的不同侧面含水量不同，因而其平整性变差。从US 5243126,JP 20002(^810和US 3620878中已知含有金属材料的不同木材面板。发明目的本发明的目的是公开一种利用新型方案的新型木材-金属复合结构。
发明内容
根据本发明的木材-金属复合结构以权利要求书中所说明的为特征。本发明基于含有木材材料和金属材料的木材-金属复合结构，并且所述木材材料和所述金属材料通过偶联剂连接在一起。根据本发明，木材-金属复合结构包含含有金属材料的偶联材料，并且所述偶联材料包含至少三层，并且至少偶联材料的外层含有聚合物和偶联剂，所述偶联剂与材料如木材和金属的-OH基团起反应，用于形成自粘接特性，以及至少一个包含金属材料的层安排在外层之间。本发明具体基于具有全新特性和应用的木材-金属复合结构。本发明的木材-金属复合材料由新的连接方法制成，其为木材一偶联材料一金属材料。木材-金属复合结构的材料通过偶联剂，优选例如通过马来酸酐聚烯烃充分地连接在一起，所述偶联剂优选通过酯化与材料中的-OH基团，在一个实施方式中是-0基团起反应，用于形成自粘接特性。在本发明的一个实施方式中，偶联剂选自接枝硅烷、接枝异氰酸酯、接枝环氧基和马来酸酐聚烯烃，例如马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)、马来酸酐接枝共聚物和马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)。优选偶联剂形成共价键、酯键和/或通过与纤维素和/或金属-OH基团或-0基团酯化形成共价键。在一个实施方式中，偶联剂通过与材料-OH基团酯化形成共价键。在一个实施方式中，偶联材料含有偶联剂，而且还含有聚合物，例如聚乙烯或聚丙烯。此外，偶联材料可以含有添加剂和/或填料。在一个实施方式中，偶联材料包括马来酸酐聚烯烃，例如MAPE或MAPP作为偶联剂以及聚乙烯或聚丙烯。马来酸酐形成共价键，优选通过与纤维素和/或金属-OH基团或-0 基团酯化形成共价键。在一个实施方式中，偶联材料含有聚合物、聚烯烃、有机硅烷和/或钛酸酯。在一个实施方式中，偶联材料或偶联材料中的聚烯烃接枝有含与聚烯烃反应的官能团的烷氧基硅烷。在一个实施方式中，聚烯烃接枝有可水解乙烯基-单-、_双_、或-三-烷氧基硅烷。在一个实施方式中，乙烯基基团可以被异氰酸酯-或环氧基团取代。烷氧基硅烷醇基团可以是甲基_、乙基_、丙基-或异丙基-基团，并且硅烷可以含有1、2或3个烷氧基基团。在制备偶联材料的过程中已经发生了聚烯烃与乙烯基或其它反应基团的反应，而通过硅烷-基团与木材的反应发生在制备木板的过程中或之后。在本发明的一个实施方式中，在偶联材料制备过程中，优选在膜制备过程中，偶联剂在大于180°C的温度下被活化。膜和偶联材料可以通过共挤出进行制备。其它挤出方法也是可以的。挤出温度在180-200°C之间。在优选的实施方式中，应用了 200°C的挤出熔化温度2分钟，这2分钟是足以将偶联剂转化成反应形式的时间。形成的偶联剂含有能够与材料中的-OH基团形成最大量共价键和/或酯键的活化官能团。聚烯烃的熔体指数为 ^ 4g/10min (于190°C /2. 16kg下测量)，这使在膜形式中反应基团的活化成为可能。优选地，在一个实施方式中，在偶联材料制备过程中，优选在膜制备过程中，马来酸被转化成马来酸酐(图幻。可以通过通过共挤出聚烯烃和马来酸酐接枝聚烯烃来制备所述材料。其它挤出方法也是可以的。挤出温度在180-200°C之间。在一个优选的实施方式中，应用了 200°C的挤出熔化温度2分钟，这2分钟是足以将偶联剂由马来酸转化成马来酸酐的时间。形成的材料含有能够与材料中的-OH基团形成最大量共价键的活化官能团。在一个实施方式中，在含有马来酸酐聚烯烃的膜、膜层或偶联材料层中，马来酸酐转化多于86%，而未转化的马来酸转化少于14%。在一个优选的实施方式中，马来酸酐转化多于92%，而未转化的马来酸转化少于8%。在制备偶联材料中，其它挤出方法也是可以的，如浇铸膜挤出。在本发明的一个实施方式中，金属材料包含金属传感器、金属天线、金属层压板、 金属片、金属膜、金属框架或金属结构。在一个实施方式中，金属材料含有由铝、钢、不锈钢、 铜或其衍生物或其组合形成的金属。在一个实施方式中，金属材料包含RFID-识别器，如 RFID-天线或RFID-传感器；EMFI-传感器或者温度、pH、EMS或湿度传感器。此外，在一个优选的实施方式中，金属材料层含有聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯、偶联剂和/或茂金属产生的聚乙烯——其优选为金属材料层的支撑材料。在一个实施方式中，金属材料表面被氧化。优选地，金属材料的接触表面在金属材料与偶联材料连接之前被氧化。金属材料与偶联材料的连接是通过化学键合进行的，例如通过偶联剂与-OH基团或者在一个实施方式中与金属表面氧化物层的-0基团酯化形成的共价键进行的。在一个实施方式中，钢和铜优选用ΗΝ03、Η》2或O3进行表面处理，以形成用于偶联剂偶联的氧化物层。铝和不锈钢自然地形成它们自己的氧化物层。在一个实施方式中，金属表面用含有有机硅烷、硅氧烷、防蚀剂或其组合的底漆
4(primer)进行处理，以进一步增强偶联剂和金属表面之间的粘合并且形成金属氧化物表面和偶联材料之间的腐蚀屏障(corrosion barrier)。在一个实施方式中，金属表面被蚀刻，例如阳极化处理(anodizing)、磷酸或铬酸， 以便保护金属氧化物免于湿气引起的水解。在一个实施方式中，金属表面被砂磨或抛光，以助于底漆或偶联材料的粘合。在本发明的一个实施方式中，含有偶联剂的偶联材料层由膜形成。在一个实施方式中，含有偶联剂的偶联材料层由至少两层膜形成。在一个实施方式中，含有偶联剂的偶联材料层由至少三层膜形成。在一个实施方式中，含有偶联剂的偶联材料层由至少多层膜形成。在本发明的一个实施方式中，偶联材料包含至少两个含有金属材料的层。在一个实施方式中，偶联材料包含至少一个中间层，所述中间层含有聚合物和与材料中的-OH基团和-ο基团反应的偶联剂，并且所述中间层安排在两个含金属材料层之间。优选地，偶联材料的所有层通过偶联剂连接在一起。在一个实施方式中，含有偶联剂、膜和/或膜层的偶联材料层含有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、偶联剂、茂金属产生的聚乙烯(TIE)和/或其衍生物或其组合。含有偶联剂、膜和/或膜层的偶联材料层可以包括添加剂和填料。在一个优选的实施方式中，TIE-材料包括马来酸聚烯烃。在一个优选的实施方式中，含有偶联剂、膜和/或膜层的偶联材料层包括马来酸酐聚烯烃，例如马来酸酐聚乙烯(MAPE)和/或马来酸酐聚丙烯(MAPP)，还包括聚烯烃，例如聚乙烯和/或聚丙烯。在一个优选的实施方式中，包括马来酸聚烯烃的膜或膜层也含有聚合物，例如PE或PP。优选地，包括马来酸聚烯烃的膜层基本由MAPE+PE或MAPP+PP组成。 在一个实施方式中，膜含有2-15%W/W(重量比)的马来酸酐。马来酸聚烯烃容易作为偶联剂来使用。马来酸酐在各材料之间形成共价键。在优选的实施方式中，膜是自粘膜。自粘膜通过与其它材料例如木材或金属中的-OH基团起反应的偶联剂来提供。在本发明的一个实施方式中，偶联材料的至少外表面包含偶联剂。在一个实施方式中，至少一个膜层含有偶联剂。在一个实施方式中。膜的外膜层含有偶联剂。在一个实施方式中，所有膜层均含有偶联剂。偶联材料的层可以由石油化学原材料和可再生原材料制成。此外，可以使用生物塑料材料，优选具有超过180°C或超过190°C处理温度的生物基聚合物(bio-based polymer)。在一个实施方式中，所述偶联材料的所有膜层基本上由相同的材料形成。在可选的实施方式中，至少一个膜层由与其它膜层不同的材料形成。在本发明的一个实施方式中，木材材料是木板。在该背景下，木板指任何木材面板产品、胶合板产品、复合材料产品、梁(beam)、压制面板产品或类似物，它们由许多层，优选单板层，并主要由木材基材料形成，其中所述层被彼此叠放并胶合在一起。此外，木板指任何木材产品或纤维产品。在该背景下，单板层指任何材料层，通常指薄材料层。根据本发明的木板可以包含不同厚度的单板层。单板层的厚度可以变化。单板层可以安排在期望的位置，即以期望的顺序交叉地或纵向地安排。可以使用本身已知的设备和方法制作木板。叠放单板、将它们连接在一起以及制作木板过程中的其它常规步骤可以以本领域本身已知的任何方式进行。在一个实施方式中，用酚醛胶或其它常规胶或用偶联材料将木板的单板胶合在一起。例如，含有马来酸聚烯烃的偶联材料容易作为胶层材料来使用。对木材的粘合优异。在膜中所用浓度下的马来酸聚合物廉价而且无毒，并且它们形成不容易水解的化学键。在一个实施方式中，木材-金属复合结构包含加强纤维(reinforcement fibers)。在一个实施方式中，金属材料层通过将金属材料共挤出到支撑聚合物中而形成。在一个实施方式中，在制备偶联材料过程中，金属材料层与偶联材料安排在一起 (图5)。在一个实施方式中，金属材料层与偶联材料的中间层安排在一起，例如在偶联材料的中间膜旁边。在一个实施方式中，金属材料层安排在第一层和中间层或膜之间。在一个实施方式中，金属材料层安排在中间层和第三层或膜之间。在一个实施方式中，金属材料层安排在两个中间层或膜之间。金属材料层安排在膜层之间，用于提供受保护的金属材料层。 复合结构可以包含一个以上金属材料层。在本发明的一个实施方式中，偶联材料和金属材料安排木板内。优选地，金属材料与偶联材料安排在木板的单板之间。在一个实施方式中，金属材料安排在偶联材料的膜之间。在优选的实施方式中，金属材料-偶联材料组合被用作胶层材料。在本发明的一个实施方式中，偶联材料和金属材料安排在木板表面上。在一个实施方式中，含有偶联材料的木材材料安排在金属框架或金属结构的表面上。在一个实施方式中，金属材料与偶联材料作为涂层安排在木板表面上。优选地，通过偶联剂，金属材料可以牢固地连接到木材材料上(图幻。然后，金属-偶联材料-木材复合结构可以以简单且有效的方式提供。在一个实施方式中，包括偶联剂的偶联材料的膜在约140°C的温度下被压制在木材材料/单板之间或之上。该结构对氧化的金属表面具有高达32Mpa的结合强度。用包括MAPE或MAPP的偶联剂将金属材料胶合到木材材料可以在120_170°C，优选约140。C的温度下进行。为了引起足够的塑料熔体流动，热压温度设置为高于聚合物熔化温度20-50°C的温度很重要。为了将不同的聚合物彼此粘附，可以将相容性试剂加入到任何膜或金属材料中。将偶联材料与木材材料安排在一起可以如下进行例如使用热压技术、挤出技术、 膜技术、$昆@布技术(roll application technique)、筒@布技术(cylinder application technique)、涂层和多层涂层涂布技术、所有本身已知的技术、其组合或相应的技术。在一个实施方式中，共挤出的聚合物膜和金属可以被预层压，以使处理更容易和更经济。本发明提供了耐热和耐磨的木材复合材料。通过金属片，可以降低面板的翘曲。金属片保护软木材抵抗极限载荷下的磨损。根据本发明的木材-金属复合结构适合用于各种应用。具有铝表面的金属面板(metal faced board)可以用作太阳能板反射器。对于盖屋顶的目的，具有铜表面的复合材料是极好的。在所有的应用中，金属表面提供了极好的湿度和气体屏障，例如对冷却运输或冻藏/冷藏的应用。法拉第笼或EMS-面板容易用金属面板建造。在金属面板用于形成大于单个面板的表面的情况下，它们可以以本发明的适当方式形成。T型金属接头可以由MAPE片提供。 可以在140°C以下的温度下进行连接，并同时将其进行压制。可以用L、r型部件保护面板的侧面，其中所述内表面是压辊的MAPE膜。此外，本发明的木材-金属复合结构可以用于家具、交通工具、飞机和其它结构应用。
下面，参考附图l、2a、2b、3、4、5和6，通过详细的实施方式对本发明进行描述，其中，图l、2a、2b、3和4显示了根据本发明的木材-金属复合材料的应用，图5显示了马来酸被转化成马来酸酐的化学反应以及马来酸酐与木材和金属氧化物的羟基反应的化学反应的示意图，和图6显示了 ATR光谱学结果。发明详述图1-4公开了本发明的各种木材-金属复合材料。图1公开了用于木板(5)的本发明的金属涂层。该涂层包括顶层(1)、中间层⑷、 底层C3)和两个金属材料层O)。第一金属材料层( 安排在顶层和中间层之间。第二金属材料层(2)安排在中间层和底层之间。中间层(4)和金属材料层O)的组合可以由3-9 个层( 和层的交替层组成。顶层(1)由3 层膜形成，其为 PE/PE/MAPE+PE、PE/MAPE+PE/MAPE+PE、MAPE+PE/ PE/MAPE+PE、MAPE+PE/MAPE+PE/MAPE+PE, PP/PP/MAPP+PP、PP/MAPP+PP/MAPP+PP、MAPP+PP/ PP/MAPP+PP、MAPP+PP/MAPP+PP/MAPP+PP、PP/TIE/MAPE+PE、PET/PE+MAPE/MAPE+PE、PA/ PE+MAPE/MAPE+PE、PPO/PE+MAPE/MAPE+PE 或 MAPP+PP/TIE/MAPE+PE。顶层的厚度为 0. 05-0. 3mm。至少膜的外膜层含有马来酸聚合物。中间层(4)由 3 层膜形成，其为 MAPE+PE/PE/MAPE+PE、MAPE+PE/MAPE+PE/MAPE+PE、 MAPP+PP/PP/MAPP+PP 或MAPP+PP/MAPP+PP/MAPP+PP。顶层的厚度为 0. 05_lmm。至少膜的外
膜层含有马来酸聚合物。两个金属材料层O)由金属材料，例如铝、钢、不锈钢和/或铜形成。此外，金属材料层包括聚合物，例如PE、PP、MAPE、MAPP和/或TIE。金属材料层连接于中间层的外表面。 金属材料层的厚度为约0. 1-0. 3mm。底层(3)由3 层膜形成，其为 MAPE+PE/PE/MAPE+PE、MAPE+PE/MAPE+PE/MAPE+PE、 MAPP+PP/PP/MAPP+PP 或MAPP+PP/MAPP+PP/MAPP+PP。底层的厚度为 0. 05-0. 3mm。至少膜的外膜层含有马来酸聚合物。中间层(4)夹在顶层⑴和底层(3)之间。所有这些层均为自粘膜并包括马来酸酐聚烯烃，如MAPE和/或MAPP。膜层可以包括添加剂和/或填料。此外，膜层可以被着色、 涂漆或印刷。胶合板、刨花板、高密度或中等密度纤维板或一些其它含有木材或其它植物纤维的压制的和胶合的板可以作为木板使用。可以用酚醛胶或其它常规胶或用包含马来酸聚烯烃的聚合物膜将木板的单板胶合在一起。图加公开了木板内安排在单板之间的金属材料层。在这种情况下，金属材料层被用作单板之间的胶层。金属材料层由金属传感器和3层聚合物膜形成。金属传感器安排在聚合物膜之间。聚合物膜由 MAPE/PE/MAPE、MAPE/MAPE/MAPE、MAPP/PP/MAPP、MAPP/MAPP/MAPP 或 MAPP/ TIE/MAPE形成，其中至少膜的外膜层含有马来酸聚合物。膜的厚度为0. 05-0. 3mm。金属传感器由RFID传感器或RFID天线形成。图2b公开了安排在木板表面上的金属材料涂层。金属材料涂层由金属传感器和3层聚合物膜形成。金属传感器安排在聚合物膜之间。聚合物膜由 MAPE/PE/MAPE、MAPE/MAPE/MAPE、MAPP/PP/MAPP、MAPP/MAPP/MAPP 或 MAPP/ TIE/MAPE形成，其中至少膜的外膜层含有马来酸聚合物。膜的厚度为0. 05-0. 3mm。金属传感器由RFID传感器或RFID天线形成。图3公开了木板内安排在单板之间的金属材料层。在这种情况下，金属材料层被用作单板之间的胶层(glue line)。金属材料层由金属层压板和3层聚合物膜形成。金属层压板安排在聚合物膜之间。聚合物膜由 MAPE/PE/MAPE、MAPE/MAPE/MAPE、MAPP/PP/MAPP、MAPP/MAPP/MAPP 或 MAPP/ TIE/MAPE形成，其中至少膜的外膜层含有马来酸聚合物。膜的厚度为0. 05-0. 3mm。金属层压板由金属片形成。金属层压板的厚度为0. 05-lmm。图4公开了包含木板、聚合物膜和金属框架的木材-金属复合结构的形成。3层聚合物膜由 MAPE/PE/MAPE、MAPE/MAPE/MAPE、MAPP/PP/MAPP、MAPP/MAPP/MAPP 或 MAPP/TIE/ MAPE形成，其中至少膜的外膜层含有马来酸聚合物。膜的厚度为0.05-0. 3mm。聚合物膜安排在木板下面。在这种情况下，聚合物膜被用作木板和金属框架之间的胶层。在木板-聚合物膜结构连接到金属框架上之前，包含马来酸聚烯烃的聚合物膜的粘合层被再加热。从测试中发现，本发明的复合材料是适合用作各种应用的木材-金属复合结构。实施例1在该实施例中，本发明的木材-金属复合结构和金属材料被测试。表1显示了涂层的测试结果，所述涂层包含铝和对胶合板温度敏感自粘膜以提高弯曲特性。表1显示了改性的热塑膜的交联剂量、拉伸强度(EN789)和弹性模量(MOE)。 由最大力的10-40%计算Μ0Ε。十字头距离为IOmm以及样品大小50X250mm。温度敏感自粘膜为 0. 27mm 和 0. 03mm 厚(详述于表 1 中)的结构 2 % ΜΑΡΕ+ΜΙ-0. 3PE/MI-0. 3PE/2 % ΜΑΡΕ+ΜΙ-0. 3PE。铝为0. 03mm厚。通过热压——其中参数为1. 6N/mm2、140°C温度和480 秒，涂层被结合到15mm未砂磨的桦木胶合板上。辐射敏感膜在辐射之后具有更好的拉伸强度特性。通过辐射处理而交联聚乙烯似乎轻微地损害膜的机械特性。将被期望的聚合物密度对聚合物的硬度具有显著影响。表权利要求
1.木材-金属复合结构，其包含木材材料和金属材料，并且所述木材材料和所述金属材料(2)由偶联剂连接在一起，其特征在于所述木材-金属复合结构(5)包含含有金属材料O)的偶联材料(1、2、3、4)，并且所述偶联材料包含至少三层，并且至少所述偶联材料的外层(1、3)含有聚合物和与所述材料的OH基团反应用于形成自粘特性的偶联剂，并且至少一个包含金属材料的层( 安排在外层(1、；3)之间。
2.根据权利要求1的复合结构，其特征在于所述金属材料(2)包括金属传感器、金属天线、金属层压板、金属片、金属膜、金属框架或金属结构。
3.根据权利要求1或2的复合结构，其特征在于所述金属材料(2)含有由铝、钢、不锈钢、铜或其衍生物或其组合形成的金属。
4.根据权利要求1至3中任意一项的复合结构，其特征在于所述金属材料O)的表面被氧化。
5.根据权利要求1至4中任意一项的复合结构，其特征在于所述偶联剂选自马来酸酐聚烯烃。
6.根据权利要求5的复合结构，其特征在于在膜制备过程中马来酸被转化成马来酸酐，以便马来酸酐转化多于86%，而未转化的马来酸转化少于14%。
7.根据权利要求1至6中任意一项的复合结构，其特征在于含有所述偶联剂的所述偶联材料的所述层(1、3、4)由膜形成。
8.根据权利要求7的复合结构，其特征在于含有所述偶联剂的所述偶联材料的所述层(1、3、4)由至少2层膜形成。
9.根据权利要求7或8的复合结构，其特征在于所述膜是3层膜。
10.根据权利要求7至9中任意一项的复合结构，其特征在于所述膜是多层膜。
11.根据权利要求1至10中任意一项的复合结构，其特征在于所述偶联材料包含至少两个含有所述金属材料的层(2)。
12.根据权利要求11的复合结构，其特征在于所述偶联材料包含至少一个含有聚合物和偶联剂的中间层G)，并且所述中间层(4)安排在两个含有金属材料的层(2)之间。
13.根据权利要求1至12中任意一项的复合结构，其特征在于所述偶联材料通过共挤出进行制备，并且在所述偶联材料制备过程中所述偶联剂在大于180°C的温度下被活化。
14.根据权利要求1至13中任意一项的复合结构，其特征在于所述木材材料(5)是木板。
15.根据权利要求1至14中任意一项的复合结构，其特征在于所述偶联材料安排在所述木板内。
16.根据权利要求1至15中任意一项的复合结构，其特征在于所述偶联材料安排在所述木板的表面上。
全文摘要
本发明涉及包含木材材料和金属材料的木材-金属复合结构，并且所述木材材料和所述金属材料(2)由偶联剂连接在一起。根据本发明，所述木材-金属复合结构(5)包含含有金属材料(2)的偶联材料(1、2、3、4)，并且所述偶联材料包含至少三层，而且至少所述偶联材料的外层(1、3)含有聚合物和与所述材料的-OH基团反应用于形成自粘特性的偶联剂，并且至少一个含有金属材料的层(2)安排在外层(1、3)之间。
文档编号B32B15/10GK102159391SQ200980137004
公开日2011年8月17日 申请日期2009年8月17日 优先权日2008年9月23日
发明者J·利马泰宁, M·布勃, M·辛迪加, R·劳迪埃宁, S·基祖伦 申请人:芬欧汇川木业公司