生物复合材料及制法的制作方法

专利名称：生物复合材料及制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物复合材料，具体地说涉及一种由磨碎的豆科作物和纤维素材料制成的热固性生物复合粒状材料，此粒状材料经熔融能形成结构上刚性的热固性生物复合材料。所获得的这种材料具有仿岩石的外观特点且能被加工成符合木材的物理特性。
背景技术：
随着人们对开发利用可再生资源生产的产品的日益增长的关切和压力，已有人做出各种各样旨在用农作物开发出可用产品的努力。这些努力中绝大多数旨在生产作为以石油化工为基础的塑料及燃料以及例如木材基板材的代用品。另一方面，随着人们对探索废物的替代性利用的关切和压力的日益增长，有人还进行了各种各样旨在用回收废报纸及其他纸张开发出可利用的产品的努力。这些努力当中绝大多数旨在生产建筑绝缘材料、纤维板、颗粒板等等。
美国专利4,184,311(Rood)和4,300,322(Clark)及澳大利亚专利申请系列号36603/84(Hartlett等)描述了由干燥、粉碎的纤维素材料或多层报纸制造的绝缘材料。美国专利4,148,952(Nelson等)描述了用报纸屑和0.5～3％的木素磺酸盐粘合剂制成的稳定块料。这些块料被用来加固废报纸以便于搬运并运至特定地点将块料粉碎。
已知有许多用于生产结构建筑材料的方法，例如用废纸生产纤维板、面板和颗粒板。例如，美国专利4,111,730(Balatinecz)披露了由粉碎的废纸(例如大约0.5～2乘1～6英寸的碎片)及合成石油化学基热固性树脂(例如脲甲醛或苯酚甲醛树脂)制成的纸屑板。该树脂的用量提供6～15％的树脂固体。与树脂的掺混过程中纸屑的含湿量维持在12％以下。为了提高获得的纸屑板的表面质量并提高其强度及劲度，在其表面上涂布一种木粉或纤维素材料和含甲醛的树脂的混合物。
美国专利5,011,741(Hoffman)披露了一种多层纸产品，例如衬垫板，该产品由多层牛皮纸浆(即纸浆化木屑)以及纸浆化报纸(即采用传统制浆方法中所用的化学分散剂处理过的报纸)制得。此种纸浆化报纸基本上不含有长度在50微米以下的细末及纤维。用蒸煮的阳离子淀粉将其浸渍以提高内部强度及层间粘合力。
美国专利4,994,148(Shetka)和5,064,504(Shetka)还披露了用报纸浆制备模塑结构块的方法，它是在压力机的网壁模塑腔之中成形的。让报纸或其他纤维素材料与足量的水混合，例如，50∶50的混合物，使纸浆化成可流动的形式。还可以在含水浆料中加入石膏、水泥或胶乳粘合剂。然后把生成的浆料倾入模塑腔中。块料的固化是通过空气干燥实现的。
美国专利3,718,536(Downs等)披露了一种用含有热塑性聚合物(如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等)的纸屑散料制成的复合板。此种复合板是由一个个单层制成的，即把纸张或纸屑以重叠和覆盖的构型排布而成，它明显不同于通过湿法或干法制备的纤维材料复合板。加工过程中，在各层纸层上涂以热塑性聚合物，该聚合物使各层粘合在一起。因而，此种复合板的断面显露出纸层表面间被这种热塑性聚合物粘合在一起(即接触粘合)的层合构造。但是，按防火规范，此种含热塑性聚合物的材料不能用于建筑制品。这是因为热塑性材料一旦暴露于高温往往软化，从而丧失其结构完整性。
所有先前已知的含有用废纸、纸制品或废浆粕和/或农产品制造的纤维素材料的板材，除非另外层压上一层装饰性罩面层，均一律显示出许多不理想的性能。譬如，它们通常具有暗灰或闷灰的颜色，而不具有鲜明或美学魅力的花纹。况且，它们通常缺乏结构级建材的强度、劲度、硬度和耐用性。而且，它们一般孔隙率过大而不适合许多应用场合。
据信，缺乏具有上述要求特性的含可再生天然资源的材料的原因有各种各样的因素，其中包括例如(1)缺乏能够重复地生产出具有美观、喜人纹理和色泽的最终材料的加工手段；(2)缺乏能够重复地生产出具有结构级材料的强度和劲度的纤维素基材料的加工手段；(3)废纸的打碎和再制浆缩短了纤维的长度，这可能损害最终材料的撕裂和剪切强度；(4)成本高昂的纤维素材料的脱墨及漂白降低了材料的竞争力；以及(5)废纸料中潜在的不希望有的杂质能够对产品的表面光泽、粘合力、刚性以及结构完整性产生不利的影响。
发明的概述基于上述的考虑，为了克服先有技术的缺点，本发明提供了纤维增强的蛋白质基生物复合粒状材料，即离散颗粒，它是由一种豆科植物基热固性树脂和纤维素材料制成的。本发明还提供了用此种粒状材料经高温和高压下熔融生产出的结构上为刚性的生物复合压力成形材料。单个颗粒(还可以包括着色剂)经熔融之后能保持清晰和鲜明的边界。这样便形成一种能显示出类似于花岗岩或其他天然岩石的彩色花纹的压力成形材料。本发明还披露了为制造此种粒状材料及由其获得的产品即板料及其他压力成形材料所必需的方法。
该粒状材料及所得的压力成形材料含有豆科植物基树脂和纤维状纤维素材料，其纤维素固体量与树脂固体量之比为约0.8∶1.0到约1.5∶1.0，优选约0.8∶1.0到约1.3∶1.0。尤其优选的压力成形材料还包括一种辅助热固性粘合剂，例如异氰酸酯，优选芳族异氰酸酯，以便提高机械和物理性能。
最初生成的离散的纤维增强的蛋白质基颗粒的湿含量为约55～75％，且粒径不大于约0.5英寸(1.3cm)。为尤其有利于压力成形过程，将此离散颗粒的湿含量降低到不足约20％，优选小于约15％，更优选小于约12％。为了采用辅助热固性粘合剂(例如芳族异氰酸酯)形成压力成形产品，该湿含量最好约为6～8％以便提供特别高的机械和物理性能。此类性能通过拒水性上浆剂与辅助热固性粘合剂联合使用能被进一步地提高。
此种离散生物复合物颗粒能够生成断裂模量约为1000～10,000磅/平方英寸(psi)以及弹性模量为约100,000～1,000,000psi(按ASTMD1037-91测定)的刚性生物复合材料。通常，凭借使用辅助热固性粘合剂(例如芳族异氰酸酯)和拒水性上浆剂(例如水溶性蜡类物质)，该刚性生物复合压力成形材料的断裂模量大于约3500psi，优选大于约4000psi，且更优选大于约4500psi，同时其弹性模量大于约500,000psi，优选大于约600,000psi，且更优选大于约700,000psi。
本发明的目的还在于制造此类材料的方法。这类方法包括制备一种含水豆科植物基树脂，其pH值为约10～14，优选含有着色剂；然后将一种纤维状纤维素材料同此含水豆科植物基树脂混合，其用量及方式能有效地形成离散的生物复合物颗粒，其含水量约为55～75％，粒径不大于约0.5英寸(1.3cm)，同时其纤维素固体与树脂固体的比例约为0.8∶1.0～1.5∶1.0。含水量优选小于约20％的此颗粒然后可以通过在高温和高压(优选温度约为250～340°F(121～171℃)、压力约为450～750psi)下对此干燥的生物复合物颗粒施压力而被熔融为刚性压力成形材料。在尤其优选的实施方案中，此干燥颗粒在被熔融成刚性生物复合压力成形材料之前用辅助热固性粘合剂涂覆(例如喷涂)。
本发明的各种优点和特色将从下文的详细说明包括附图和实例中变得更为明显。
附图的简要说明

图1是本发明的粒状材料处于高含湿状态以及干燥状态时的照片。
图2是用图1所示粒状材料制成的板料的断面的粒状构造和象岩石似的外观的照片。
图3是本发明的粒状材料及压力成形板料的加工方法方框图。
图4是本发明的粒状材料及挤塑产品的另一制造方法的方框图。
图5是压力机示意图。
图6是连续挤塑机站的示意图。
发明的详述生物复合材料本发明提供了用磨碎的豆科作物和纤维素材料制成的热固性生物复合粒状材料，该粒状材料在压力下经熔融生成结构上刚性的热固性生物复合材料。单个的颗粒是纤维增强的蛋白质基生物复合物颗粒，需要时颗粒中还可以包含着色剂。一旦熔融成结构上刚性的产品之后(例如，不论是压塑还是挤塑)，各颗粒均保持清晰而鲜明的边界，从而形成不规则形状的区域。深浅及颜色各异的颗粒可以混合使用而制成产品，例如板料，该产品显示出类似于花岗岩以及其他火成岩类的天然岩石或天然木质色调和/或颗粒(象带瘤的木材)的彩色花纹。也就是说，显示出粒状的外观，一种例子便是酷似花岗岩。但是，通过改变大小不同的颗粒及着色剂的配比也可以获得其他种外观。图1是本发明的粒状材料处于高含湿状态及干态时的照片，而图2是用图1所示粒状材料制成的板材的断面的粒状构造和似岩石的外观的照片。
可是，此种压力成形材料所表现出的物理性能与其说象岩石不如说更象木材。就是说它们所表现出的密度、结构完整性、刚性以及可切削性则更象天然木材而不象石头的特性。而且，本发明的压力成形材料的强度、劲度、密度、硬度和耐用牢度可以远胜过颗粒板或其他木材复合材料或纤维素基复合板产品，且相当于结构级木材基胶合板。
因此，本发明提供了带不规则花纹、多种颜色(即花岗岩状)、刚性的生物复合物的压力成形材料。迄今的复合材料从未获得过此种花岗岩样花纹，尤其是含有象废报纸之类的纤维素材料的复合物。因此，本发明的生物复合材料是源于人们对天然岩石形成过程以及人类对天然石头的各种感知间的相互关系的理解。就是说，天然岩石是通过由各种不同颜色的矿物质构成的紧密堆集的无规晶体在长期过程中遵从特定的物理定律结合并且趋于最小能量体系而生成的。这种过程类似于对于有序的浑沌体系的最新理解。相反，人眼-脑感知是学会的。即对某材料是“天然的”亦或“人造的”任何体验和感知乃是建立在与后天感知的思维对比基础上的。由于本发明的人造材料非常近似于火成岩、特别是花岗岩的天然无规晶体序态，故所获得的材料被人们感觉是石头。
这种花岗岩似的刚性压力成形材料的密度和可切削特性同木头(例如橡木、枫木、胡桃木、热带硬木等等)不相上下，而常常好于似木材的材料，象胶合板或颗粒板。譬如，这种材料能够象细木家具级木材那样锯、铣、刨、打磨及精加工。该材料允许用类似通常的方法敲钉子和拧螺钉，而不裂缝或脱层。这种材料的边缘还可象天然木制产品那样以切削及精加工，不象颗粒板或胶合板，要求采用木质镶条的昂贵镶边做法。这种材料还可以用作由许多单块的板或零件经传统细木工技术拼接而成的大或复杂组合件或构造物的一部分。这种压力成形生物复合材料的有限孔隙度使之适合于用丙烯酸类、环氧树脂、清漆或其他表面处理剂进行真空浸渍以便提高材料用于建筑、装饰或结构目的适应性。
本发明的生物复合粒状材料及其所得的压力成形产品主要包含可再生天然材料，即纤维素材料，象回收的报纸，以及用磨碎的豆科植物材料(象黄豆粉)制备的蛋白基树脂。就是说，此种粒状材料主要是一种纤维素增强的植物蛋白质基热固性树脂体系。这种蛋白质基树脂(本文中也称作豆科植物基树脂)构成本发明生物复合材料的基质，即基本粘合剂，不论复合材料是颗粒材料还是压力成形材料的形式均如此。按干重量基准，纤维素与树脂固体如纸与黄豆粉的比例约为0.8∶1.0至约1.5∶1.0，更优选为约1.0∶1.0至约1.3∶1.0。这样，压力成形前粒状材料中热固性树脂固体相对于树脂固体与纤维素固体之和的量优选约为40～56％，更优选为约43～50％。
一旦把最好湿含量和树脂固体对纤维素固体比例的废报纸和黄豆粉制成的这种优选复合物颗粒切开之后，各个颗粒看上去包含充分地浸渍了树脂的层层碎纸片，以致每一根纸纤维都被树脂所浸渍(更确切地说是与树脂融为一体)。即制成了一种新型复合材料，与采用粘合剂经(表面)接触粘合从而把纸片简单胶合而生产出的材料是不同的。
以颗粒的总湿重为基准，成形之后的粒状材料优选含有约55～75％的湿度，即水分，更优选为约59～67％。按本文的用法，这种材料被称为“高含湿量”粒状材料或颗粒。这些颗粒通常呈现软而柔顺、发粘和不规则形状的团或球，虽然还可以形成个别的纤维状颗粒。它们的粒子大小(按粒子的最大尺寸计量)通常不大于约0.5英寸(1.3cm)，且常常不大于约0.38英寸(0.97cm)。大于此限度的颗粒通常不好加工，例如不好干燥或压制。如下所述，这些离散颗粒基本上是由纤维素材料和豆科植物基树脂组成的团块物料在合适的加工条件下同时形成的。尽管它们含有大量的水分，例如水分总含量约55～75％，颗粒具有较干或半干的手感，据信水分被结合在颗粒之中以致不能象海绵里的水那样被容易地用手挤出。这些高含湿量颗粒具有足够的内聚力而作为离散粒子存在。故而，这些颗粒比较容易在散料加工过程中处理而不致互相明显地粘结或集聚成较大的颗粒。
由于形成如此高含湿量的颗粒，便获得许多突出的优点。例如，本发明的压力成形产品独特的“似花岗岩”的外观便来源于本文描述的组合物和方法能形成此种类型的复合物颗粒这一事实。虽然含约55～75％水分的颗粒能够形成压力成形产品，但若其含湿量在59～67％的范围内则尤为有利。就是说，当原来形成的颗粒的湿含量为约59～67％时，则可获得在机械性能(如高断裂模量、高弹性模量和高硬度)以及物理性能(如低吸水性)等方面尤其满意的压力成形产品，正如实例2所显示的。虽然本发明人无意拘泥于任何特定的理论，但据信，此最佳含湿量为纤维素材料例如纸片提供了基本上彻底的被蛋白质基树脂的浸渍，以致所有的纤维同树脂结合或融为一体。若此高含湿量颗粒中含水量不足约59％，则纤维素材料浸渍得不充分且纤维素纤维会从柔顺的球形粒子表面伸出从而形成“模糊”的外缘。甚至还可能存在未包覆的纸片。若在颗粒制备中水用量大于约75％，则通常产生一种不能形成颗粒的淤浆。而且，在这样的高含水量条件下，黄豆树脂被大大稀释以致颗粒间的结合力被大大降低。所以这种高含湿量颗粒既非简单地表面包覆的纸片，也不是成浆后纸的颗粒。
典型地而且优选地，在熔融成刚性压力成形材料之前，将高含湿量生物复合粒状材料的含湿量(以生物复合物颗粒总重量为基准)降低到约20％以下，优选约15％以下，更优选约12％以下，最优选约3～12％。但是，如果含湿量过低，若不加辅助热固性粘合剂则将此生物复合物颗粒在高压和高温下熔融在一起之后通常粘合得不好。对于某些用途，将含湿量调窄到约8～11％，而对于另一些用途，将含湿量调窄到约6～8％。通常，含湿量为6～8％的生物复合物颗粒对于优选方法来说是理想的，其中颗粒上涂敷有一种辅助热固性粘合剂，例如芳族异氰酸酯。
干燥过程中，不仅去除了水分而且蛋白质基树脂也至少部分地固化。这样，粒状材料便具有了内部粘合强度。而且，这种颗粒能够在加热和加压下被粘合或熔合在一起。这是因为随温度和压力的提高粘弹性可以改变，以致颗粒被塑化并可以流动但不会熔融，即此热固性树脂/纤维素复合物颗粒为可塑性地变形但其热塑性不足以熔融。据信，此热固性树脂还能进一步固化以致形成颗粒之间树脂与树脂的相互作用，但其作用程度尚未达到颗粒流动成一体而失去其明显的边界。
这些干燥的生物复合物颗粒通常是扁平和不规则形状的，但它们也可以是球形的。失去水分之后，颗粒的体积会发生显著的缩小。这样，颗粒的尺寸(按颗粒的最大尺寸测定)通常不大于约0.5英寸(1.3cm)，且常常不大于约0.38英寸(0.97cm)。虽然颗粒尺寸一般大于约0.05英寸(0.13cm)，但仍可能有小的纤维状颗粒，即与豆科植物树脂熔合的小的纤维素纤维。但是，此细粒部分即颗粒尺寸小于约0.05英寸(0.13cm)的干燥生物复合物颗粒通常少于约5％(重量)。干燥颗粒的比重通常为约0.7～1.0，优选为约0.9～0.95。
这种纤维素材料可以是任何含纤维素的材料，象报纸、大光纸、脱墨纸、办公纸、计算机纸、电话薄、涂料纸、纤维素绝缘材料(涂布或未涂布的)、牛皮纸、农作物纤维(例如锤碎的玉米杆)、浆化木纤维、纸厂废淤泥等等。如果这种纤维素材料包含经粉碎或锤磨产生的那类纤维状延伸部分，则它们是有用的。故而，有用的纤维素材料是那些纤维状即具有纤维状延伸部分的材料。这就是说，光滑的纤维素材料象被齐切成片的未装钉打字纸一般不如经过锤磨的有用。上面列举的纤维素材料当中，优选的材料有报纸、脱墨纸、办公纸、计算机纸、未涂布的纤维素绝缘物以及纸厂废淤泥。更优选的是，这种纤维素材料为粉碎或锤磨的，用做绝缘层的类型的报纸。此纤维素材料可任选地包含阻燃剂，例如硼酸，其用量至多为干纤维素材料重量的约15％。
根据对最终制品所要求的各种不同外观和机械属性，纤维状纤维素材料的颗粒尺寸和形状可以有所不同。通常，该纤维素材料包括宽广分布的尺寸(例如从单根纤维到最长1英寸(2.54cm)的纸条)和形状(如圆形、长条形或无规形状的纸片)。该纤维素材料的大部分(例如50％以上)的颗粒尺寸(按最大尺寸测量)优选小于约1英寸(2.54cm)，更优选小于约0.5英寸(1.3cm)，最优选为约0.06英寸(0.16cm)至约0.38英寸(0.95cm)。例如，用于制备本发明产品的典型纤维素颗粒具有公称尺寸大约为0.25英寸(0.64cm)乘0.5英寸(1.3cm)。纤维素材料颗粒的主体部分的长径比即长宽比通常不大于约3∶1且可以是约1∶1，但也可以含有长径比相当大的纤维。所以，用于本发明的纤维素材料可以包括掺杂有疏松堆集的纤维素纤维或细粒(即尘埃大小的颗粒)的纤维素颗粒或薄片。优选的是在这种掺混物中，若细粒占材料总重量的约10％以下则可以实现加工过程中的优点。
虽然纤维状纤维素材料本身，例如打碎的报纸，可被用作豆科植物基树脂的增强材料，但是还可以包括其他纤维状材料以提供某些有利的属性。例如，可以在本发明的生物复合粒状材料或本发明的压力成形刚性生物复合材料中加入有适当纤维长度的切碎的玻璃纤维，纺制塑料纤维或其他纤维状添加成分。依照此种纤维状材料的种类，可以让纤维无规地分散或者按各种不同的方式混合成预先确定的排列。例如，在使用取向纤维层合的场合，从这种加入纤维按特定轴向排列构成的多层层合物可以开发出板材。如此转化的板材因而可以表现出择优的弯曲、造型、剪切或撕裂特性。或者，也可以把无规纤维排列的层合物层层叠合。但在所有情况下，都获得一种有改善的结构完整性的岩石样外观的板材。
用于豆科植物基树脂的成形过程的磨碎的豆科植物材料包括任何固氮作物，如豆类、豌豆、苜蓿和三叶草，举例说，可将其磨碎成粒状材料，例如，一种粗粉或粉状材料。优选的是此豆科植物材料是一种可食用的豆科作物，即豆类作物，如大豆、斑豆、豌豆、pelagis等等。此豆科植物材料可以是各种形式和大小的。例如，此豆科植物材料可以是磨碎的全豆(包括外表皮、油、蛋白质、矿物质等等)，粗粉(萃取或部分萃取过的)、细粉(通常含约1.5％以下油和约30～35％碳水化合物)或离析物(即含油少于约0.5％、碳水化合物少于约5％的纯蛋白质粉)等形式。按照本文“粉(细粉)”包括细粉及离析物两词的定义范围。豆科材料优选为细粉形式，至少是因为用细粉生产的压力成形产品相对于粗粉来说具有更合要求的物理性能(例如吸水性)以及机械性能(例如断裂模量和弹性模量)。
豆科材料的颗粒大小(按最大尺寸测量)优选小于约0.1英寸(0.25cm)，更优选小于约0.05英寸(0.125cm)。若颗粒大小远大于此，则此豆科植物材料不能充分地溶解且形成的压力成形材料的机械性能例如板强度降低，外观完美性变差。而且，使该种材料加溶要求的时间也不合要求地长。虽然象粗粉这类材料也可以使用，粗粉中有约75％通不过28目筛网(即，0.0334英寸或0.08cm)且有约5％能通过60目的筛网(即，0.0167英寸或0.04cm)，但更优选细粉，因为通常其粒径分布较窄(如同实例6所述)就是说，最优选的磨碎的豆科植物材料具有不超过细粉的尺寸，即约0.005英寸(12.7×10-3cm)。似乎不存在对磨碎的豆科材料的最小颗粒尺寸要求，但是，市售的大豆粉的颗粒大小一般均小于约0.003英寸(7.6×10-3cm)。譬如，对市售大豆粉而言，约有92％以上能通过325目的筛网，对应于约0.003英寸(7.6×10-3cm)的颗粒尺寸。
豆科材料的可分散蛋白质含量优选为约20～100pdi(即蛋白质分散指数)，更优选为约70～100pdi(如实例5所述)。最优选的是该磨碎的豆科材料是可分散蛋白质含量为约70～95pdi的大豆粉。这种材料代表残余碳水化合物浓度与可溶蛋白质浓度(即可溶解于水的蛋白质)之间的满意的平衡。90pdi的大豆粉所含的可溶性蛋白质约占可用蛋白质总量的90％。典型地90pdi大豆粉含有(按总重量计)约50～55％的可溶解蛋白质，约30～40％残余碳水化合物，以及不到1.5％的油，其余为豆皮、水分和灰分，其中包括矿物质(约5～10％)。一种含50％蛋白质、40％碳水化合物、5％水、4％灰分和1％脂肪的合适的90pdi大豆粉可由Honeymead Products公司(Mankato，MN)获得。
豆科植物基树脂，即本发明的生物复合物材料的基质，是通过把磨碎的豆科材料与含碱性分散剂(如强无机或有机碱)的高碱性水溶液混合制成的。该碱优选为强无机碱，如KOH、NaOH、CaOH、NH4OH或及混合物。该碱优选为KOH或NaOH，更优选为KOH。最优选的是采用KOH和CaOH将pH值调整到合适的水平，至少是因为钾和钙离子倾向于抑制水分的传输从而赋予最终产品以防潮的手段。碱的用量是要使提供的树脂具有约10～14、优选为约10～13、更优选为约12～13的pH值。当pH低于约10时，提供的粒状材料不具有符合要求的稠度。这种碱性分散的蛋白质基即豆科基树脂优选含有(以树脂总重量为基准)约58～92％的水，更优选约72～83％的水。
此磨碎的豆科材料在蛋白质基树脂中的用量应有效地生产出一种大致光滑的树脂，其在65°F(18℃)的粘度约为37,000～640,000厘泊(cps)，优选约104,000～184,000cps。磨碎的豆科材料的用量(以树脂总重量为基准)优选约为15～40％(重量)。其用量更优选约为20～40％，最优选约30～35％。依压力成形产品中纤维素的种类和要求的性能不同，磨碎的豆科材料的用量可以有所变化，不过其粘度应维持在要求的范围之内(即37,000～640,000cps)，它显著高于颗粒板等的生产当中所用的典型蛋白质胶的粘度(即500～75,000cps)。
此树脂为热固性树脂，即当加热时，通常通过机械粘结和化学交联反应而不可逆地固化。这样便使得形成的压力成形产品与热塑性树脂组合物不同，在高温或火灾情况下能保持结构的完整性故可用于可能的结构建筑材料。这种树脂可以存放以备以后使用，但是存放时间通常限于12小时以内，且当使用了交联剂时在约1小时以内。
该树脂还可以包括可分散于水中的能耐受如下的加工条件的着色剂，例如温度高达450°F(232℃)及约10～14范围内的pH值。就是说，此着色剂必须在热、压和高碱性条件下能保持颜色牢度。而且，此着色剂应是紫外(UV)稳定的且在高度碱性水溶液中能均一地分散。同时，每种着色的颗粒材料在加工成压力成形的产品过程中不得明显地将颜色渗入或转移至相邻的着色颗粒材料中去。这些要求一般能为市售的用于复合材料的无机或有机着色剂(即染料或颜料)所满足。
合适的无机着色剂一般是金属基着色材料，如通常用于为水泥或灰浆着色的那种研磨金属氧化物着色剂。这类无机着色剂包括但不限于金属氧化物，如红氧化铁(主要是Fe2O3)、黄氧化铁(Fe2O3·H2O)、二氧化钛(TiO2)、黄氧化铁/二氧化钛混合物、氧化镍、二氧化锰(MnO2)和氧化铬(III)(Cr2O3)；混合金属金红石或尖晶石颜料，如镍锑钛金红石({Ti、Ni、Sb}O2)、铝酸钴尖晶石(CoAl2O4)、铁锌铬铁矿尖晶石、锰锑钛金红石、钛铁尖晶石、铬锑钛金红石、铬铜尖晶石、镍铬铁尖晶石和铁酸锰尖晶石；铬酸铅；磷酸钴(Co3(PO4)2)；磷酸钴锂(CoLiPO4)；焦磷酸锰铵；硼酸钴镁；硫代硅酸铝钠(Na6Al6Si6O24S4)。合适的有机着色剂包括但不限于炭黑，如灯黑颜料分散体；呫吨染料；酞菁染料，如酞菁铜和多氯酞菁铜；喹吖啶酮系颜料，包括氯化喹吖啶酮颜料；二噁嗪颜料；蒽醌染料；偶氮染料，如偶氮萘二磺酸染料；铜偶氮染料；吡咯并吡咯颜料；以及异吲哚啉酮系颜料。这类染料和颜料可以从以下公司购得Mineral Pigments公司(Beltsville，MD)、Shephard Color公司(Cicinnati，OH)、Tamms Industries公司(Itasca，IL)、Huls America Inc.(Piscataway，NJ)、Ferro公司(Cleveland，OH)、Engelhard公司(Iselin，NJ)、BASF公司(Parsippany，NJ)、Ciba-Geigy公司(Newport，DE)以及杜邦化学公司(Wilmington，DE)。
着色剂通常不经进一步加工即被加入豆科植物基树脂且其量适合提供要求的颜色。着色剂优选以颗粒材料形式存在，其量为豆科植物基树脂重量的约15％以下，更优选不大于约10％，最优选不大于约3％。
豆科植物基树脂还可以包括消泡剂、澄清剂或二者的混合物。这些添加剂中的每一种在树脂中的用量应为树脂及由树脂生产出的粒状材料提供希望的特性。例如，澄清剂(即分散剂)可被用来改善树脂的纹理，即平滑性，以及表面张力，粘度和流动性能。澄清剂还有助于树脂各成分、特别是着色剂的分散，调整树脂的粘度，甚至还能起粘合促进剂的作用。消泡剂能被用来释放夹杂的空气，此空气能对压力成形材料的强度起不利的影响。优选将消泡剂和澄清剂单独或配合使用，其用量不超过树脂重量的约8％，更优选不超过约5％。就是说，不论单独或是配合使用，消泡剂加上澄清剂的总置不大于约8％。合适的消泡剂包括但不限于松油和硅氧烷消泡剂。合适的澄清剂包括但不限于硅酸钠和CoCob，即磨碎的玉米轴。
用于制备复合粒状材料的豆科植物基树脂还可以包含少量的其他添加剂，如惰性填料、胶乳乳液或蜡类材料、交联剂、热塑性粘性粘合剂、热固性粘性粘合剂、阻燃剂、防霉剂、催化剂和杀虫剂。每种上述添加剂在树脂中的用量应能提供希望的特性。例如，填料可以按能增加生产出的压力成形产品的体积和降低孔隙度的量来使用。合适的填料包括但不限于木粉、膨润土、高岭土、尘粒及本发明的回收生物复合材料。胶乳乳液或蜡类材料在树脂配方中的用量应能提高颗粒的耐水性。替代或附加地，在干燥生物复合粒状材料中可添加蜡类材料。合适的胶乳乳液包括但不限于商品名为FULATEX PD-0512的市售胶乳乳液，它是一种聚醋酸乙烯同H.B.Fuller公司(St.Paul，MN)生产的胶乳乳液的掺合物，与苯树脂以及任何通常用于水基涂料的胶乳乳液。合适的蜡类材料包括但不限于疏松石蜡和H.B.Fuller公司生产的牌号为RM0255和Hercules公司(Wilmington，DE)生产的牌号为2100P的蜡乳液。交联剂在树脂中的用量应能加强单个颗粒的内粘强度。合适的交联剂包括但不限于适合用作交联剂的甲醛基胶乳树脂，可以由H.B.Fuller公司(St.Paul，MN)以商品名FULLRES(产品牌号WB-2523)购得，双醛淀粉以及氯化铵。热塑性粘性粘合剂在树脂中的用量要能够提高单个颗粒的强度和硬度，不过最好在本发明的产品中避免使用热塑性材料。合适的热塑性粘性粘合剂包括但不限于聚醋酸乙烯(“PVA”)。它可以单独加入，也可以同一种胶乳乳液联合加入，如同实例中的做法，以H.B.Fuller公司的FULATEX PD-0512的形式加入。在树脂中可以加入阻燃剂，其用量应能有效地降低该纤维素材料的可燃性。替代或附加地，可以将阻燃剂直接加到纤维素材料中。但是，当加入到树脂当中时，象硼酸这类阻燃剂有助于干成分的分散。合适的阻燃剂包括但不限于硼酸和硫酸铵。
这类添加剂优选单独或联合使用，其用量不超过树脂重量的约20％，更优选不超过约10％。所以，树脂和制成的粒状材料及压力成形产品含有不超过约20％、优选不超过10％、更优选不超过约5％的热塑性材料，如热塑性粘性粘合剂。本发明的树脂、粒状材料及压力成形产品优选基本上不含热塑性材料，特别是热塑性粘性粘合剂。
将豆科植物基树脂和纤维素材料以某种方式结合便制成了如上文描述的高含湿量粒状材料。经干燥之后，该粒状材料便可以在被成形为压力成形产品之前无限期地存放。这种粒状材料可以在高压和高温下形成刚性材料。该过程的完成除豆科植物基树脂本身之外不需要任何外加的热固性粘合剂。
为得到特别有利的结果，优选在干燥粒状材料表面涂布辅助热固性粘合剂，如异氰酸酯、酚类、密胺或者含脲的粘合剂。此辅助热固性粘合剂优选为有机异氰酸酯，更优选为芳族异氰酸酯。此异氰酸酯为压力成形产品提供较高的机械性能，例如刚性和强度。例如，它降低压力成形材料的凹陷和起翘的程度。如同实例7和8所示，异氰酸酯的使用能提高弹性模量约30～40％和断裂模量约60～70％。
异氰酸酯还为本发明的刚性生物复合压力成形材料提供较高的尺寸稳定性。例如，它对明显降低压力成形产品的吸水性是有用的，当与上浆剂共同浸用时尤为如此(如下文所述)。如实施例8所示，吸水性能够降低多达75％。此种产品可以被应用在要求有高尺寸稳定性的场合，如地板或柜台面板材料。而且，异氰酸酯还可减少加工时间和能耗，从而使压力成形过程的效率显著提高。
据信，这是由于在干燥粒状材料中加入异氰酸酯粘合剂后颗粒间粘合强度明显改善所致。虽然本发明人无意拘泥于任何特定的理论，但据信，这是因为粘合作用点的数目增加所致。不仅象在含有非异氰酸酯的压力成形产品当中那样存在蛋白质基树脂同纤维素之间的相互作用点，而且据信还存在着蛋白基树脂同异氰酸酯粘合剂之间以及纤维素与异氰酸酯粘合剂之间的相互作用。故而，总的来说，辅助热固性粘合剂同含有至少部分固化的蛋白质基树脂的干燥颗粒相互作用而产生一种双树脂体系，从而提供了比二者单独使用更大的优越性。
合适的异氰酸酯包括但不限于芳族异氰酸酯类-4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、二甲苯二异氰酸酯(XDI)以及methaxylene二异氰酸酯(MXDI)。该芳族异氰酸酯优选为MDI。异氰酸酯的用量可以是干燥生物复合物颗粒的总重量的约2～20％，优选约2～10％。芳族异氰酸酯的用量优选为约5～8％。有利的是，不要求任何硬化剂或缓冲剂与芳族异氰酸酯一起使用，从而减少了同用于本发明组合物中的其他添加剂可能存在的潜在不相容性。
如同下面的实例8所讨论的，使用异氰酸酯时，控制颗粒的含湿量是特别重要的。譬如，如果MDI是在加纤维素之前被加入树脂中从而加入湿颗粒中去的，则所获得的压力成形产品的机械强度便体现不出明显的优点。然而，若是把MDI加到被干燥到含湿量小于约20％、优选小于约15％、更优选小于约12％(常常为约3～12％)、最优选约6～8％的颗粒中，则在机械性能以及物理性能诸方面均反映出显著的优点。
除了辅助热固性粘合剂之外，或者作为此辅助热固性粘合剂的替代物，还可以在熔合为压力成形产品之前向干燥粒状材料中加入一种具有拒水性能的上浆剂。上浆剂的使用、尤其是当与辅助热固性粘合剂联合使用时，能显著改善压力成形板材在接触水及其他液体或者蒸汽时的尺寸稳定性(如同实例8所述)。合适的上浆剂包括但不限于疏松石蜡、农作物油、改性农作物油以及如前文描述用于树脂配方中的蜡乳液。蜡类或油类材料优选为蜡乳液。此水溶性蜡类材料即蜡乳液的用量可以为干燥生物复合物颗粒总重量的约0.5～2.5％。该蜡乳液的用量优选为约0.9～1.5％。这两种成分即异氰酸酯粘合剂和上浆剂中任何一种或二者，单独或联合地通过例如喷涂或机械混合被涂布到干燥粒状材料上。
本发明的压力成形材料的机械和物理性能可以根据要求容易地控制和设计。就是说，依据例如颗粒的添加剂、树脂含量及含水量、施加的压力以及加热曲线的不同，压力成形产品的密度、表面硬度、弯曲模量以及抗张及压缩强度可以从相当于代表性的中密度纤维板的数值改变到超过橡木、甚至大花脑木(一种致密的热带硬木)的数值。这样，也可以获得超过对结构级颗粒板及其他建筑板材所要求的刚性和强度。譬如，MDI涂布的颗粒可以被压成其强度和劲度相当于或优于用于制造家具的一类高密度颗粒板。
随着选择的各种不同成分，用量和加工参数的不同，断裂模量(“MOR”)可以从约1000psi变到约10,000psi，而弹性模量(“MOE”)的数值则可以从约100,000psi变化到约1,000,000psi。密度也可以调整在约45～100磅/立方英尺(即比重约0.72～1.60)的范围。特别优选的压力成形材料具有约70～90磅/立方英尺的密度(即比重约1.1～1.45)。优选的较高MOR、MOE、密度和比重数值通常可以通过采用高树脂含量和/或高压力获得。按照24小时浸水试验中边缘润膨的百分率测定的吸水量，可以从约3.5％变到40％。通常，优选的低数值可以通过采用辅助热固性树脂(如MDI)和/或上浆剂(将其在加压成形之前施于干燥粒状材料上来获得。虽然本发明的最优选的压力成形材料(例如板材)具有低吸水量(例如15％以下的边缘润胀)，但是那些具有高的吸水量的材料仍旧具有优越的机械性能(例如高MOR、MOE和密度)并因而是可以应用的。
一般地，本发明的刚性生物复合压力成形材料的MOR值大于约2000psi，优选大于约2800psi，更优选大于约3000psi。MOE值一般大于约200,000psi，优选大于约350,000psi，更优选大于约450,000psi。按照本发明的工艺和配方制备的刚性生物复合压力成形材料当在约320°F(160℃)的温度和约520psi的压力下热压约13～14分钟时能达到这种MOR和MOE数值。
对于其中采用了辅助热固性树脂如芳族异氰酸酯，按照本发明的工艺和配方制备的刚性生物复合压力成形材料而言，其MOR值一般大于约3500psi，优选大于约4000psi，更优选大于约4500psi。MOE值一般大于约500,000psi，优选大于约600,000psi，更优选大于约700,000psi。含有辅助热固性树脂的刚性生物复合压力成形材料当在大约320°F(160℃)的温度和大约520psi的压力下热压约8～9分钟便能达到这种MOR和MOE值。
生物复合材料的制备方法通常，本发明的压力成形产品通过一种涉及把上面描述的干燥生物复合粒状材料熔合成刚性生物复合材料的方法制成。此方法优选包括五个分开的不同阶段(1)获得符合要求的原料；(2)制备豆科植物基树脂，即生物复合物基质材料；(3)制备高含湿量的生物复合粒状材料；(4)降低该高含湿量生物复合粒状材料(任选地包含此颗粒单独着色批料的混合物)的含湿量；以及(5)将干燥的粒状材料压紧并进一步固化，该材料任选地涂有辅助热固性粘合剂。所获得的材料，例如板材或成形物体，适合于进一步的成形和精加工步骤，例如结构制作、表面精加工、机械形状加工等等。
参看图3，该图示出了用于由纤维素材料制备板材的本发明优选方法的概括性方框图。下面将结合使用回收报纸和大豆粉来说明该方法。但是应该理解，可以修改此方法以便使用前面描述过的任何纤维素材料和任何豆科材料。此优选方法粗略地分五个不同的阶段生产出原料板材或成形的产品。然后将此原料借助适当的下料、成形以及(如果需要)表面精加工，制成最终产品。如果当作一种层合物或模塑主料，精加工后的板通常将进一步经受准备加工以便安装到家具或可能的天花板或墙板上。
在第一或初始阶段中，获得要求的原材料，必要的话进行预加工。这些预加工可以包括选料、筛分、分级、拣选并以准备供下面阶段加工的形式贮存在各个储仓内。这些材料通常包括纤维素材料、磨碎的豆科材料(例如大豆的转化物)、任选的着色剂、水以及各种任选的添加剂。每一种材料在前面均有详细说明。
在此初始阶段中，纤维素材料通常通过将废纸(如报纸或其他未涂布的印刷纸)干粉碎和/或锤磨成具有要求的颗粒大小和相对尺寸含量予以准备。或者，可以获得市售的疏松纤维素纤维绝缘材料并直接使用。必要时将此粉碎后的纸同其他材料掺混以便赋予最终产品以希望的性能，例如通过加入硼酸得到的阻燃性。
磨碎的大豆材料通常通过以传统的研磨方法在160°F(71℃)以下把去皮的全豆磨碎至粒度为100～325目，优选200～325目。根据要求，还可以把豆子预先洗涤并可以抽提出天然油份。如果要除油，则可以采用传统的机械或化学提取技术如油提取方法中的“冷法”来实现。或者，可以获得市售的大豆粉并直接使用。这种磨碎的大豆(优选大豆粉)不再另行洗涤或处理。
蛋白质基树脂即生物复合物热固性基质材料或粘性粘合剂是在步骤2单独制备的，其中把加工后的大豆转化物即磨碎的大豆(可以是粗粉也可以是细粉形式，优选为细粉)与高碱性水溶液混合。以合适的量和根据要求或需要向此树脂中加入少量各种添加剂，如着色剂、消泡剂、澄清剂、热塑性粘性粘合剂、惰性填料、胶乳乳液或蜡类材料等等。这些添加剂赋予最终产品各种所希望的性能和/或促进水分及其他液体在后面的加工阶段中去除。耐潮湿、阻燃、防霉菌、弹性和表面硬度代表了上述所希望性能中的一些。
用于制备树脂的各种成分可以按任意希望的顺序混合。但是一般来说，最好将大豆粉加入水中，然后在混合过程将近终点时加入任何要用的交联剂。优选的是，所用的任何交联剂均在步骤3中纤维素材料与树脂结合之前的约1小时内加入。所使用的水可以是自来水、蒸馏水以及来自该过程的其他部分的冷凝水。它甚至可以是牛奶，其主要成分是分散于水中的酪蛋白。水温可以根据希望的混合速率及树脂的粘度来改变；但是，有利的是，水温至少是约50°F(10℃)，优选约60～70°F(16～21℃)。为减少反应时间，可以采用较高的温度；然而，由于能耗高通常不希望此高温的做法。
通常将各树脂成分掺混充分长的时间以达到均匀的糊状物均一性。任何传统的间歇混合技术和间歇式混合机均可使用。优选的是可以使用任何立式或卧式桨叶式混合机。桨叶式混合机通常用于非湍流式混合粘稠材料。它通常包括一个或多个桨叶，桨叶在一个具有圆形底和直壁的固定外壳内旋转，从而提供温和的提升和良好的循环又不致破坏被搅拌的物料。更优选的是使用备有缓慢转动的桨叶(它缓缓地提升、重叠和搅动物料)以及用于剪切物料的装置以保证充分混合的混合机。此类混合机能做到高剪切和慢搅拌，从而避免蛋白质分子的机械断链。用于制备本发明树脂的最好装置是装备有剪切棒和斩刀式桨叶的桨叶式混合机。
对于着色物料，着色剂根据为最终产品规定的彩色图案来选择并在树脂加工期间加入。生产出的产品的最终着色效果是在把第三阶段转化得来的不同着色的粒状材料按不同比例混合之时获得的。就是说，在第三阶段中，由各种加工成分(即粉碎的纸和豆科植物基树脂)制成生物复合粒状材料的一种或多种单色批料。描述了一种3色批料，其中不同批料的出料管线指示出3种分别着色的批料的混合。
在第三阶段，将第二阶段制备的豆科植物基树脂与磨碎的或研磨的纤维素材料以某种方式相混合，致使团块和颗粒的形成。就是说，制定混合条件(例如固体对液体的相对量及混合作用)以便使纤维素材料和豆科植物基树脂掺混在一起形成具有纤维增强的糊状物样稠度的基本上均匀的成团物料。就是说，制定混合条件以保证大体上同时从团料中形成软、柔顺、发粘、离散、形状不规则的团粒或球体。这通常涉及在树脂和纤维素材料的掺混物中使用足量的水，以便能形成所要的离散颗粒。如果相对于固体物(例如纸加上大豆粉)的量使用的水量过大，则由于形成了纤维浆料或者混合物团料使单片纤维素材料丧失其自身的个性而变成了一大团，不能形成离散的颗粒。如果用水量过小，则形成“模糊”的颗粒和/或残存未混合的纸粒。掺混物即包括任何任选择成分以及纤维素材料的豆科植物基树脂的含水量应优选为约55～75％以便形成离散的颗粒。对于形成压力成形产品独特的外观以及物理和机械性能重要的是这种颗粒的形成。要生产出所要的生物复合粒状材料，此水含量主要由树脂来决定，尽管树脂和纤维素的掺混物的含水量可以通过加入更多的水或者加入更多的纤维素材料来调整。
一旦将树脂(pH值约为10～14)同纤维素(例如纸)相混合，则pH值一般降低至少约1个pH值单位，优选到达约11以下，更优选约10以下，且通常为约7～10。虽然本发明人不想拘泥于任何特定的理论，但据信，碱性树脂造成蛋白质分子水解从而打开，即展开。随着纤维素变得同蛋白质分子互相缠结以及pH值降低，便发生了纤维素与蛋白质之间的连接，据信这是通过机械和化学的相互作用而产生的。据信，这一过程是对颗粒内部结合强度的一项重要贡献因素。
通常，所要的颗粒材料可以通过把豆科植物基树脂同纤维素材料按照大约5份树脂对1份纤维素(重量)的比例结合，即掺混或混合来获得。但是树脂与纤维素优选按这样的量结合，使得按干重量为基准，纤维素对树脂固体(例如纸对大豆粉)的比例为约0.8∶1.0到约1.5∶1.0，优选约1.0∶1.0到约1.3∶1.0(见实例4)。掺混时间可以根据掺混物的含湿量及所要求的颗粒尺寸来改变。但通常此种颗粒是在不到约10分钟之内从结团物料中形成的。
通常，离散颗粒的形成还涉及在剪切条件下掺混以形成纤维素材料与树脂的均匀混合物，它们开始结成一个大球，随后在剪切力作用下破碎成单个的即离散的颗粒。这样，采用高剪切混合机是优选的，不过其混合机如螺带式混合机和批量(间歇)式混合机在某些条件下也能生产出所要的颗粒，即本文称之为高含湿量颗粒的不规则形状的发粘小球。在特别优选的实施方案中，用以制备树脂的混合机具有桨叶、剪切棒和斩刀片。也可以使用连续进料混合机，如条带式混合机，以便有利地将各批分别着色的批量原料连续地掺混。为保证进料成分的合适构成，要求进行适当的比例控制。
制备好以后，每一单独的高含湿量颗粒批料可以至多存放约12小时直至在第四阶段混合，不过还是最好将各批料在制成之后几乎立即混合在一起。在第四阶段中，将分别着色的批料以各种不同的规定比例结合或掺合，以便得到所希望的粒状材料的混合物，此混合物将产生最终产品中可重现的“浑沌的”彩色花纹。图3表示出3种批料。每批含有单一的单色着色剂。按要求可以将具有相同或不同体积的或多或少的批料混合，以获得达到希望类型及颜色的板材所要求的比例。转化成的板材中产生的彩色花纹完全取决于掺混物中各批粒状材料之间的相对比例。譬如，要生产一种逼真地摹仿天然“红花岗岩”的外观的板材，制备红、黑和白色的单独批科。然后按25∶37.5∶37.5的重量百分比将白、红及黑色批料混合形成用于第五阶段生产压力成形产品的材料。为生产“绿花岗岩”，采用50∶50的绿与黑色粒状材料的混合物。为生产“黑花岗岩”，只使用黑粒状材料。
着色粒状材料的不同批料的混合可以在螺带式混合机、螺杆式混合机、转鼓式混合机或者任何其他通常用于将粒状材料物流如自由流动的固料掺混的装置中完成。优选采用螺带式混合机以形成不同着色颗粒的大体上均一的分布。注意到重要的一点是，在此掺混过程中没有一种颗粒到另一种颗粒的可辨认的颜色转移。这至少是由于选择了稳定的着色剂，它们在上述掺混条件以及后面的加工条件下不会明显地渗色。阶段4的掺混过程通常不会明显改变粒状材料的颗粒大小；然而，机械的混合过程可能减少大颗粒的尺寸并把颗粒聚集体打散。然后通常把这种均匀化的混合物过筛以除去残留的阶段3和4的混合及掺混当中可能形成的物料大团或聚集体。可以将这些团块打散成较小的颗粒，若认为合适的话也可以抛弃。优选采用网眼尺寸为0.5英寸(1.3cm)或更小的筛分装置。通常采用网眼尺寸为0.38英寸(0.95cm)的振动、倾斜式菱形筛网。
经阶段4的着色批料的掺混之后，获得较干或半干手感的球形颗粒的混合物，不过该颗粒还含有大量的水，例如约55～75％的总含水量。虽然混合物的均一性可以说成类似于细碎生菜，因为细碎生菜含有“湿”颗粒，但其均一性更象一种絮凝体而且明显不同于用大多数传统的报纸回收工艺中制备的含水淤浆或粘合剂涂布纸片。
优选对由不同颜色粒状材料组成的混合物施行干燥步骤，其中将其在足够高的温度下干燥足够的时间，使含湿量降低到粒状材料总重量的约20％以下，优选约15％以下，更优选约12％以下。尽管少量的水分对树脂与纤维状纤维素之间的反应和促使优先粘合是必要的，但过多的水会妨碍后期的固化并可能增加生产成本。虽然通过对混合后的着色粒状材料批料进行干燥是有利的，但这并不一定是一项要求。就是说，可以在各批料混合之前对每一批料进行部分干燥。
高含湿量生物复合物颗粒的干燥可以利用各种各样能源中任何一种并进行充足的时间以使含湿量降低到要求的程度，所述能源包括微波能、射频电磁波能、间接红外辐射、太阳能或热能等。优选将步骤4的混合粒状材料在送至阶段5进行压力成形之前以空气进行干燥。要做到这一点，例如，可以让干、热空气通过支承在稀疏孔眼的金属网运输带上的粒状材料层。虽然可以使用约140～180°F(60-82℃)温度的空气来干燥粒状材料，但是使用稍高的温度，即约175～375°F(79～191℃)且甚至高达500～1000°F(260～538℃)的温度较为有利。但是颗粒的表面温度不应高到使颗粒烧焦的程度。就是说，颗粒本身的温度不得超过210°F(99℃)但空气的温度可以大大高于此温度。
颗粒在高温下的停留时间即暴露时间通常不超过约30分钟，优选约为10～20分钟。但是应当让干燥过程充分渐进地进行以避免出现外壳硬化的现象，此时在颗粒的表面生成不透湿的外壳从而把湿气夹藏在颗粒内部。缓慢的干燥还使得混合物中大、小颗粒都能较均一地干燥。若采用带式干燥机，对于空气温度约为200～260°F(93～127℃)而言，每个单个颗粒在加热区的总停留时间为约5～15分钟是合适的。在转移到贮料斗或过程的下面的阶段之前，将物料冷却。一旦干燥之后，粒状材料的体积显著减小而且呈现较硬、着色、形状不规则且带许多硬的突起的固体颗粒外观。呈这种形式的粒状材料是非常稳定的，即具有无限的存放期。
高含湿量生物复合粒状材料含湿量的减少使得可以在模压机内较迅速加热，而不会产生大量的蒸汽或液体。例如，在如图3的热压步骤当中，用保持在280～320°F的压机压台在5～30分钟内对预干燥的进料施加300～550psi的压力之后便可形成一块一英寸厚的固化板。若不预干燥粒状材料，就会需要额外的几分钟，结果能耗较大。而且，除非将粒状材料预干燥，否则可能出现“结皮现象”，往往硬化并封闭了板材的外表面从而阻止内部湿气释出，导致材料爆裂。边缘还可能焦化或变脆，以致需要进一步的机械加工以清除不能用的边缘。因此，对于包括传统的辐射加热或热固化设备的生产过程，要求对粒状材料进行干燥(优选用热空气)但不管采用何种压实和固化过程，用空气干燥粒状材料对整个工艺都有好处。
另一种替代办法是可以通过在热的存在下将颗粒压缩或预成形来实现干燥，不过由于可能导致如上面讨论到的爆裂危险故而不是优选的。最后水分的脱除可以在图3的“热压”步骤或阶段5(或者在图4的连续挤塑过程中的阶段5的滚筒压缩步骤)进行。
在阶段5，通过一种在热压机内将干燥粒状材料在高温、高压下压缩并固化的方法生产出压力成形生物复合材料。这里所用的“高”一词指的是高于环境条件即室温和大气压的温度和压力，压机可以是封闭的也可以是开放的，如同采用垫板或者筛网体系，且材料可以被压至一定的站或厚度，也可以至一定压力。若采用开放体系，则为了操作的目的可能需要冷预压缩。另一种办法是可以将粒状材料辊压(见图4)，或者用一台螺杆挤塑机挤塑(见图5)。优选将材料在一步压制操作中压紧并加热使粒状材料压缩并进而固化。
在将粒状材料压缩之前，优选并有利地将其用辅助热固性粘合剂即芳族异氰酸酯，一种用于拒水的上浆剂或者二者的混合物涂布。这可以用下述方法实现利用一台掺混机，如连续或间歇式螺带式掺混机或者间歇式或连续式转鼓式掺混机，把干燥生物复合物颗粒同辅助热固性粘合剂和/或上浆剂拌合并且涂覆，优选用高压泵、空气雾化器、机械雾化器(例如回转圆盘式雾化器)喷涂，或者将二者结合起来。此辅助热固性粘合剂与含有在过程的干燥步骤中至少部分固化的蛋白质基树脂的干燥颗粒互相作用。这种相互作用形成了双树脂体系，即部分固化的蛋白质基树脂和异氰酸酯树脂，据信此体系能提供比二者单独使用大的优越性。
图3的热压步骤期间的最终固化可以在热、微波或射频加热的环境中实现。虽然这些加热装置能够容许合理程度的含湿量，但是如果将不必要的湿气象前面讨论的那样先除掉，则能量消耗降低。典型的压机压力为约200～3000psi，优选约300～1000psi，更优选约500～600psi之间。虽然此压力可以按逐步提高的方式施加，但是简单地加一个恒定的压力并保持一段特定的时间通常效率更高。对于加热的压台体系，加压阶段的压台温度优选为约250～340°F(121～171℃)，压力优选为约450～750psi。典型的数值为500psi和320°F(160℃)。应当理解，可以将压紧的粒状材料交替加热和压缩，也可以同时加热和压缩。
最终固化暴露时间和所施热能根据所制备板材的厚度及要求的密度选定。对于标称板厚1英寸的板材而言，在最高2.5GHz的微波频率下暴露时间为3～5分钟以及2～5kw/平方英尺能生产出合适的板材。虽然较高频率的微波能够提供某些优点，但是大多数工业级炉工作在13.6、27、44以及100MHz的较低射频区。这样较低的射频同样能有效地达到最终固化。当采用电加热的热压板压机时，在510psi及320°F(160℃)条件下约10分钟的暴露时间以及每平方英寸10～15w能生产出合适的板材。热致加热压板压机尤为有利，至少由于它比较经济。
根据要制备的压力成形产品的不同，选择合适的炉子或加热压机以便能将粒状材料压紧到要求的尺寸并提供优选的产量和能耗。图3中的过程所采用的特定加热、批量加料模压机或“热压机”的剖面图示于图5。这种加热模压机适用于热压板材形式的单块板材。
此压机模具的主体由合适的重金属侧壁和底壁1构成。此壁1必须能耐受最大模塑压力，同时可以衬或不衬多孔件2(例如一层网)以帮助排除被榨出的液体，不过这并非必需的。沿模具的顶部有一个可移动顶壁或压缩板3。与液压装置相连(为简便和清楚起见未示出，但它类似于下面描述的活塞20)，以便操纵板3对任何盛于模腔4内的加入物料进行压缩。
压缩板3包括一个加热压板，它可以靠电、蒸汽或热油加热，也可以靠一只射频或微波板式电极5加热，此电极与合适的同轴电缆、波导或电线6相连。若采用射频或微波能，此同轴电缆或波导6是由射频或微波发生器10通过接头7引入的。另外，电缆6的中心导线8(用于射频或微波能量传导)穿过一块电气和热绝缘板9，板9把压缩板3与电极5分隔开来。任何替代性板5都应能提供对干粒状材料的充分加热。
一旦粒状材料被压缩、加热并固化成最终形式(如图中的11所示)，该材料被通过活塞20从模腔4中推出。活塞20固定在沿整个模具底板1的板12上。可以在件2下面和成形板材11与板12之间放一块附加(任选)的多孔件13，以帮助释放湿气的排出，不过优选对粒状材料进行预干燥以避免此压缩过程中释放出大量的水。底部和顶部板12和5中之一或二者还可以包括一系列孔或流道14使释放出的水气能通过绝缘管15及真空或其他合适的抽吸泵16被抽出。同样，当使用优选的干燥粒状材料时，这也是不必要的。
下面，让我们来讨论图4的挤塑过程，其中表示出一种连续生产过程而不是间歇过程的概括性方框图。可以建立这样一种过程以及相关的生产设备以提供厚度从0.125英寸(0.318cm)到2英寸(5.08cm)不等的板材，且它通常包括一台挤塑机和连续进料炉或加热体系。可以用于挤塑过程的螺杆式挤塑装置30的构造示于图6。
除去最后阶段5之外，图3和图4中每个工艺阶段都是相同的，采用大致相同的设备并且通常按照下面概述的程序进行。那就是，正象图3一样，在阶段2提供了一台混合机，接受来自阶段1的原料贮斗或液体供应管线的适当的固体和液体。马达驱动的桨叶或螺杆将分别的纤维素材料和粘合用粘合剂成分混合成具有较好均一性的物料，然后各种成分的混合物转移到阶段3的混合站以制备各着色的粒状批料。
代替段2和段3的各混合站，可以提供包括料斗的单台混合机。该料斗可以包含磨碎的纤维素材料的一种合适的供料。此料斗还可以包括粉碎机构，用以将纤维素材料最终粉碎成合适的颗粒尺寸或者将与基本浆料混合的添加的浆料粉碎。等到混合机里加足合适量的树脂和纤维素材料之后，在物料中掺入着色剂以及任何附加添加剂，如增强纤维等等，然后掺合。
随后在段4的不同的混合站或者与段3合用同一混合机把各单色粒状材料的批料掺混起来。将所获混合物喂入螺杆驱动挤塑机30(如图6所示)。将此进料加入物料入口32，继而进入其下方放置的螺杆34，此螺杆由驱动系统35带动，物料逐渐地被压缩，挤出的液体被导出，最后通过强迫物料通过一适当构造的挤出模板36将其成形。模板孔38的形状可以根据要求改变。对于板材来说，采用一宽扁的矩形孔38。沿着螺杆34前进的过程中粒状材料的温度可以用装备的围绕螺杆34的加热器改变，而控制信号则取自温度控制线40。
离开挤出模板36之后，挤出的物料通常进入一系列的成形辊，象辊式成形器或夹辊，它们可以包括或中间插入居间的射频、微波、或热致加热装置。随粒状材料的不断加热，它逐渐地受到压缩。最终压缩和成形发生在各成形辊的出板段。残余的水分和蒸气在成形的粒状材料被最终固化之前的每一辊筒段排出。最终的固化可以发生在一只较大的炉设备内，它可以包围辊筒；也可以发生在一只单独的炉设备处，它将已成形的粒状材料固化到适当的组成和干燥度。
在图3和图4的过程中可以加入一段平衡过程，如后固化或窑烘干燥过程，以便使压力成形材料逐渐适应周围的环境条件。这样，因压力成形产生的内应力便可以逐步消除同时使材料沿整个体积都变得与环境条件达到平衡。不论粒状材料通过图3和5的压缩还是通过图4和6的挤塑而成形，它通常都将保持不到20％，优选不到12％的水分。
不论在图3还是图4的过程中均可加入一段平衡过程，以便使压力成形材料逐渐适应环境条件。这样，因压力成形产生的内应力便可以逐步消除同时使材料沿整个体积都变得与环境条件达到平衡。此平衡可以通过后调节或窑烘实现。
在后调节中，将压制后的板材趁热立即进行表面整平。把整平的板趁热码起来，即一块一块地码成垛，并且在上面加上隔热配重平板形材料。将板材按这样方式存放至少约一周再送去下料及精加工。
窑烘(即窑调节)通常在约130～210°F(54～99℃)。优选约150～180°F(65～82℃)的温度，最高约75％的相对湿度条件下进行6～24小时。在此调节期间，板材通常被约束在水平的位置。然后在数日到数周之内将炉参数还原为环境条件。干燥后，优选把压力成形材料贮藏在控制湿度的环境下以保持6～8％的含湿量，从而提高长期的尺寸稳定性。在使用辅助热固性树脂例如芳族异氰酸酯的过程中，通常不采用窑烘。
在精加工阶段，将压力成形产品借助砂磨、刨平、锯、造形或其他适当的切削加工进行表面加工、下料及最终造形，以适合各种不同的市场要求。表面还可以涂布或浸渍优选的密封胶、漆、清漆等等。通过把单个板材零件粘合在一起，可以制成复杂的形状和组合件。还可以获得同其他材料的复合件(例如通过镶条)接缝的组合件优选用由相同颜色的批料制备的材料制成，以尽量减少可能出现的色差。
由图3或4的工艺生产出的板材的一个理想属性是该材料比较致密，因此可以被精加工形成比较光滑的边缘和表面。相应地，此边缘能容许传统的销子或对接及其他连结技术从而生产出由许多较小零件组成的较大的复杂件。而且，由于生产出的材料具有沿整个体积的独特、均匀的彩色花纹，故而可获得基本上看不出接缝的接头。还可以制成复杂的形状。如圆角模塑物，曲面及对角线连结的角，其两件相同材料的接头处看不出缝。
转化板材的另一优点是用间歇加工方法可以制作复合的或镶嵌的板材。在这种例子中以及对图3的方法来说，可以将分别制备的各种拼接件(如纪念性板、铭牌等等，而且它们还可以包括任何有机材料(如木头或塑料)或无机材料(如金属))在阶段5以前插入压机模具中，在模塑加工过程中将原料加入并压缩后，物料便包围着嵌入材料成形并与之紧密接触。经最终固化之后，嵌入件与板料间形成了结实的接触和结合，于是嵌入件就变成成品板材的不可分割的部分。
本发明以及图3及图5的方法及设备的应用的再一项属性是能够将上和/或下模板加工成具有要求的图形或形状的浮雕或凹雕。当把粒状材料放在模具内加压时，依据模板上的图案的鼓起或凹进，该板材便保留了由模板提供的或凹雕或浮雕的图案形象。在将原料或板材固化之后，此图案仍保留着精致的细节。
下面的实施例旨在进一步说明各种不同的具体和优选的实施方案和技术。但是应当理解，在维持在本发明的精神与范围内的情况下能够做出许多变化和改进。除非另行指明在各实施例中以及本文的其他地方所用的百分数均指重量百分数而言。
实施例1刚性生物复合材料的生产方法下面表1概括了一种用于制备通入上述的阶段2和3的进料的单色批料的优选工艺顺序和配方。该方法及配方在后面的实施例中被称做“A”。
表1单种着色剂粒状材料的制备方法A成分用量(磅)步骤1加入水(60-70°F) 175磨碎的大豆 97松油 3混合3分钟或至调匀步骤2加 水(60～70°F) 169混合2分钟或至调匀步骤3加25％氢氧化钾或氢氧化钠溶液14混合1分钟步骤4加“N”牌硅酸钠25步骤5加来自步骤1～4的大豆树脂 117聚醋酸乙烯 24混合1分钟步骤6加 H.B.Fuller RM-0255蜡乳液 8混合1分钟步骤7加H.B.Fuller WB-25238(“FULLREZ”)甲醛基胶乳树脂混合1分钟步骤8加所要的金属氧化物着色剂 1混合1～2分钟步骤9加入 来自步骤1～8的树脂 5重量份(83％(重量))纤维素材料 1重量份(17％(重量))混合至形成粒状材料(2～10分钟)步骤10干燥此粒状材料至含湿量约为12～15％已表明，由在表1配方基础上进行适度变化的原料生产出具有较为稳定或优化的机械性能的最终压力成形材料，例如，板、型材或面板。下面的表II和III均被证明能生产出具有改进的硬度与湿度敏感性的压力成形板块。
表II另一种的颗粒配方成分 ％(湿重)水 55.9纤维素(纸) 16.9大豆粉 15.8硅酸钠 4.1(50％水溶液)氢氧化钠 2.3(50％水溶液)石灰 1.9丁苯胶乳 1.6颜料 0.7松油 0.5H.B.Fuller WB-2523(FULLREZ)0.3合计 100.0表III颗粒配方-耐水型成分 ％(湿重)水 54.8纤维素(纸) 17.7大豆粉 15.4硅酸钠 4.0(50％水溶液)氢氧化钠 3.1(45％水溶液)石灰 1.9丁苯树脂 1.6颜料 0.7
松油 0.5H.B.Fuller WB-2523 0.3合计 100.0表IV显示出木材基产品的可比数值与一英寸厚的压力成形试样的测定数值的对比，试样一般地是按照前面表中的混合物生产的(即方法A以及列于表II和III中的A的变换方案)。
表IV对比性能24小时浸渍所测性能MOR MOE内粘力 JANKA硬度 含湿量，绝对(K PSI) (K PSI) (PSI)(磅) (重量％)代表性木基产品1型颗粒板 3.40 400 140 1500 不规定ANSI A208.1 (通常为15～40％)1-II-32型颗粒板 3.40 400 300 1800 不规定ANSI A208.12-II-2模压成形术 2.4-7.5350-1000125-450 --- 15-40％质；高密度颗粒板胶合板 2.0-3.5450-650 50-100700-1000 10-30％橡木 12.20 2500--- 1138.00 21％松木 11.60 1600--- 378 25％压缩粒状 2.0-4.9550-1300＞250 3500-720014-40％材料制试样板表V粒状材料的制备方法B成分 用量(磅)步骤1加入 水(60-70°F) 680着色剂 46松油 9混合1分钟步骤2缓慢加入 H.B.Fuller PD512 71(约20分钟)(含PVA的胶乳乳液)加毕混合1～2分钟步骤3搅拌下加入Honeymead 90pdi大豆粉 280斩式混合2分钟步骤4搅拌下加入水(60-70°F)238斩式混合2分钟步骤5搅拌下加入 石灰水溶液103(50磅溶于13加仑水中)斩式混合2分钟步骤6搅拌下加入 45％氢氧化钾溶液 33斩式混合5分钟步骤7搅拌下加入 “N”牌硅酸钠72斩式混合2分钟步骤8搅拌下加入 H.B.Fuller WB-2523 5(FULLREZ)斩式混合2分钟步骤9 加 锤磨的未处理带墨报纸330混合至形成粒状材料(6～10分钟)步骤10将步骤1～9制成的着色粒状材料的各单独批料结合起来步骤11干燥此粒状材料至含湿量约为10～15％(约50分钟)所用原料由下列供应者获得氢氧化钾，Hawkins ChemicalDistributors(Minneapolis，MN)石灰，Mississippi LimeMR200，由Hawkins Chemical公司零售；PVA和胶乳乳液的水分散液(50～52.5％PVA)，H.B.Fuller公司；“N”牌硅酸钠，Hawkins Chemical；松油，Union Camp公司，由Hawkins Chemical公司零售，90pdi大豆粉，Honeymead公司。
表VI粒状材料的制备方法C成分 数量(磅)步骤l加入水(60-70°F) 814着色剂 23松油 9混合1分钟步骤2搅拌下混合Honeymead 90pdi大豆粉280斩式加入2分钟步骤3搅拌下加入 水(60-70°F) 193斩式混合2分钟步骤4搅拌下加入石灰水溶液 206(50磅溶于26加仑水中)斩式混合2分钟步骤5搅拌下加入45％氢氧化钾溶液 33斩式混合5分钟步骤6搅拌下加入“N”牌硅酸钠72斩式混合2分钟步骤7搅拌下加入H.B.Fuller WB-2523 5(“FULLREZ”)斩式混合2分钟步骤8加锤磨的未处理带墨报纸 340混合直至形成粒状材料(6～10分钟)步骤9将步骤1～8制成的着色粒状材料的单独批料结合起来步骤10 将粒状材料干燥至含湿量约为5～7％(约50分钟)通常将由方法C制备的粒状材料进一步同蜡乳液和MDI掺混以获得希望的结果。
实施例2大豆树脂的含水量对板的机械和物理性能的影响加入大豆树脂中的水量能影响压力成形板生产中的若干因素。其中的一些包括粘合剂粘度，它决定了树脂所包覆的纸颗粒数量、干燥颗粒的颜色深度、干燥速率以及颗粒的几何形状。为确定改变粒状材料含湿量的影响，采用按比例调整到实验室规模的方法B制备了六批料(所用Aquasperse II液态灯黑着色剂从Huls公司，Piscataway，NJ获得)。各批之间唯一变化的参数是加入的水量。这样得到具有特定目标含湿量的湿颗粒。各批含湿量分别为55％、59％、63％、67％、71％以及75％。测定了加入纸之前每批树脂混合物的粘度。压制之前将所有批料干燥至约11％的含湿量。
在2英尺×2英尺的实验室热压机上每种含湿量压制了4块测试板样。压台温度为315°F(157℃)，板样是在512psi的恒定压力下加压总时间约13.5分钟制成的。由于加压前物料含湿量方面稍有波动，加压时间有所变化。出压机的板的目标比重为1.30。
每种含湿量制备的4块板中的3块被用作机械和物理板性能测试。从每块板上取5个静态弯曲和5个吸水/增厚试样。硬度测定是对经过静态弯曲测试后的试样进行的。全部测试均按照ASTM D-1037(木基纤维及颗粒板材料的性能评价的标准方法)进行。解释性统计数据是依据在各种目标湿颗粒含湿量条件下评价出的所有性能做出的。
粘度测定的结果如下55％640,000cps59％440,000cps63％184,000cps67％104,000cps71％74,670cps75％37,330cps粘度直接影响大豆粘合剂对纸的包覆性。较高粘度的树脂在掺混过程中表现出较低的纸包覆率。这可能对制成的板的性能产生负面影响。反之，当由于加水粘度降低时，混合物料的颜色加深了。这种加深的颜色贯穿全过程。根据湿颗粒含湿量的不同，制成的压制板具有不同的黑色调。较平的颗粒颜色浅，而高含湿颗粒生产出的板也具有很深的黑色。
粘度对最终的干燥颗粒的堆积密度也有影响。随着掺混物中含水量增加而使粘度降低，颗粒的堆积密度也下降。这是因为在较低粘度下发生在掺混机里的剪切作用增强了。按湿颗粒含湿量区分的平均板比重如下
55％1.3159％1.3363％1.3367％1.3371％1.3175％1.36机械测定的结果示于表VII。由含湿量最低的湿颗粒制成的板显示出最差的强度与劲度。这是由于大豆树脂在纸颗粒上的包覆率差所致。最终压制板中含有的许多未包覆纸颗粒对板的强度和劲度没有什么贡献。因此，55％湿颗粒含湿量的板的机械性能比其他含湿量的板都差。随着树脂粘度的降低，纸颗粒的覆盖率提高。但是，湿颗粒含湿量介于59～75％范围时看不出什么强度和劲度方面的差别。
表VII中还给出了硬度数值。随着因湿颗粒含湿量的提高干燥颗粒堆积密度的下降，硬度数值表现出增加的趋势。这是由于组成板的较细颗粒得以比较大颗粒压得更紧，于是造成了一个孔隙较少、硬度较大的表面。
表VII部分机械性能干燥前颗 MOR(psi)MOE(psi)硬度(磅)粒的含湿量，％552,351 296,912 2,070592,965 430,019 2,573632,704 383,793 2,372672,431 315,575 2,498712,724 572,831 4,610752,344 357,228 3,194这些数值均代表15个试样测定结果的平均值。
物理性能测试的结果示于表VIII。用湿含湿量55％的湿颗粒制造的板表现出不良的2小时及24小时边缘润胀特性。这是由于前面提到的大豆树脂包覆率较差所造成的。而且，对于含湿量较高(71％和75％)的湿颗粒，此结果表现出极差的短期和长期边缘润胀特性。实际上这两种混合物的24小时结果比列出的数值更差，因为平均值是根据经24小时浸泡后剩下来可供测定的试样数目取得的。对于71％的试样，有8个样在水中解体，而对于75％的试样，有3个样在水中解体。因此，含水量较高时，由于保持板的整体性的树脂当板泡在水中时被冲稀，致使大豆树脂不具有足够的粘合强度。在2小时和24小时边缘润胀值方面表现出总体最好的含湿量是67％。
表VIII部分物理性能干燥前颗 2小时边缘 24小时边缘粒的含湿 润胀百分率 润胀百分率量，％55 16.243.759 11.740.163 19.452.367 8.2 41.471 14.967.775 12.057.3这些数值均代表15个试样结果的平均值。测试期间，组合物71％有8个试样解体，而组合物75％有3个试样解体。
实施例3补加纸对板的物理和机械性能的影响在方法B(含PVA)详细列出的配方中加入额外的纸和水，生产出密度较小的板，同时，降低纸对树脂的比例导致板材较轻并降低了每平方英尺的板成本。将纸的用量提高到正常用量的1.5倍。相应地调整了加水量以维持批料中的总含水量为61％。将树脂的总体积调整到实验室规模。将颗粒干燥到11％并在 英寸×4英寸的模具中进行模压。只做了2块板并接通常方法进行测试。
由于纸的量较多，故纸没有通常包覆得好。故而延长了混合时间以便更好地包覆。同一般生产出来的圆形不同，颗粒是长而细的。加压过程中未见明显区别。测试板的机械性能未显示出与标准板有什么不同。发现在吸水性能上有稍许降低。
试样 MOE MOR 硬度增重％ 体积膨胀％1 453,3793251415719.8322.652 528,7653185405618.3421.84板的密度仅由1.3稍降低到1.21。这可能是吸收性能较差的原因。干颗粒的密度约为0.97，而标准颗粒则为0.93。干燥颗粒密度是按体积排代测定的。把已知质量的颗粒投入比重约为0.68g/cc的液体中并记录下颗粒排代的体积。含纸量高的颗粒的密度低的原因在于混合时间较长及粒子尺寸较小。当生产出的颗粒为圆形，大部分以纸为核心时，空气囊被夹藏在颗粒中造成颗粒密度较小。当混合时间较长时颗粒不断地碎裂同时空气囊被树脂填入，于是生产出较密的颗粒。
实施例4板材生产过程中纸对大豆讨脂的比例的评价纤维素材料对树脂的比例会影响复合物板的机械与物理性能。如果复合物板中没有足够的纤维素材料，则强度和劲度就不足。另一方面，如果给定了同样的树脂加入量，复合物板中纤维素含量过高，则板材的尺寸稳定性不足。采用详载于方法B的配方(含PVA)在60立方英尺的混合机里制备了三个半批量的料。这三批混合物的纸对大豆树脂的比例不同。三个比例分别是0.8∶1.0、1.3∶1.0和1.5∶1.0。压制前，将混合材料干燥到含湿量约11％。
在2英尺乘2英尺的热压机里压制板。压台温度为312°F(156℃)，总压制时间约为13.5分钟。压制时间稍有变化为的是补偿调成的含湿量方面的变化。出压机的板的目标比重为1.30。对板的强度、劲度、硬度和尺寸稳定性进行了测试。对每种比例下的各项测试性能得出了说明性统计数据。
以1.5∶1.0的纸对大豆树脂的比例制备的混合物里纸包覆得不好，而其他混合物中，纸包覆得好。随着纸比例的提高，干燥颗粒的堆积密度降低。在三个比例的压制过程中均未遇到问题。
下面是本研究中制得的板的机械性能的总括。所列举的数值均代表15个试样的平均值。
纸/大豆 弹性模量断裂模量粘合剂比例 (psi) (psi) 硬度(磅)0.8∶1.0 263,9582,2252,2411.3∶1.0 529,5533,0143,5251.5∶1.0 525,2402,9093,384由于在复合物板里没有充足的纤维素材料，0.8∶10的比例具有显著(P＜0.05)较低的强度、劲度和硬度。纤维素材料对板的结构提供内部支撑。下面是本研究中制得的板的物理性能的总括。给出的数值代表15个试样的平均值。
纸/大豆 2小时边缘 24小时边缘树脂比例 润胀(％) 润胀(％)0.8∶1.0 7.29 37.261.3∶1.0 10.3235.871.5∶1.0 22.0255.481.5∶1的比例具有显著(P＜0.05)高于其他两种组合物的2小时及24小时边缘润胀值。此种比例中存在的高含量纤维未能充分地被大豆树脂包覆。因此当浸泡在水里时复合物板的内部结合强度不足以防止其明显地润胀。本研究使用的二较低比例之间没有显著(P＜0.05)的差异。
这个实施例表明，纸对大豆树脂固体的比例在按照本发明生产板材的过程中是重要的。如果低含量过低，则生产出的板不具有足够的强度和劲度。如果纸含量过高，则生产的板不具有足够的耐水性。
实施例5蛋白质分散指数的评价该实验旨在确定大豆粉中要求的可溶性蛋白质的含量。分别对pdi为20和70的大豆粉做了评价。在实验室用60立方英尺的混合机中采用按比例缩小的方法B详述的配方(含PVA)，但以各种不同pdi的粉代替所用的标准90pdi豆粉制造了复合物颗粒批料。压制之前将粒状材料干燥到约11％的含湿量。
在2英尺乘2英尺的热压机上压制板。压台温度约为312°F(156℃)。总压制时间约为13.5分钟。压制时间因粒状材料中含湿量稍许波动而有所变化。出压机的板的目标比重为1.30。测定了板的强度、劲度、硬度和尺寸稳定性。说明性统计数据取自每项评价的性能。
不论是在复合物颗粒的制造还是在板的压制过程中均未遇到问题。下面是此项研究中制成的板的机械性能的总括。各项数值是15个试样的平均值。
弹性模量断裂模量硬度粉末的PDI (psi) (psi)20301,960 2,554 2,78470266,504 2,485 2,416此项研究中制成的板的机械性能与采用90pdi大豆粉制作的板的机械性能相比大致相同。20pdi与70pdi大豆粉对应的机械性能测定值之间没有显著(P＜0.05)的差异。下面是此项研究中制成的板的物理性能的总括。列出的数值系15个试样的平均值。
粉末的2小时边缘24小时边缘PDI 润胀(％) 润胀(％)20 5.95 30.6570 4.84 24.0120pdi的大豆粉试样具有显著(P＜0.05)高于70pdi黄豆粉试样的24小时边缘润胀值。蛋白质在提供内部结合强度，从而提高尺寸稳定性方面的效果是显而易见的。70pdi大豆粉表现出与90pdi豆粉相近的尺寸稳定性值。
所以，可以选用范围宽广的蛋白质分散指数的大豆粉来生产本发明的复合物颗粒。由pdi较低的豆粉制得的板的机械性能近似于用90pdi豆粉制得的板。但是，为获得尺寸稳定性，要求较高的pdi水平。
实施例6粗大豆粉的评价本研究的目的是确定粗大豆粉是否可以用来代替(细)大豆粉生产能做成本发明板材的复合物颗粒。在实验室混合机中用按比例调整了体积的详载于方法B中的配方(含PVA)制备了60立方英尺的一批料。与原配方唯一的不同之处是用大豆粗粉代替了大豆(细)粉。压制前，将粒状材料干燥到约11％的含湿量。
用2英尺乘2英尺的热压机压制板材。压机温度是312°F。总压制时间是约13.5分钟。压制时间因粒状材料的含湿量稍有波动而可以有所变化。出压机的目标比重是1.30。测定了板的强度、劲度、硬度和尺寸稳定性。由测定的性能得到说明性统计数据。
将粗大豆粉加入混合物之后，树脂明显变稠且比一般配方显得粗。加入纸之后，没有显见的与典型使用的配方的颗粒间的差异。板材压制当中未遇到问题。制成的板的平均比重为1.25。下面是从试样收集到的数据的汇总。列出的数值均为15个试样的平均值。
弹性模量断裂模量 2小时边缘(psi)(psi) 硬度(磅) 润胀(％)523,823 2,266 3,067 31.80本研究中制成的板具有相当于用大豆(细)粉制成的板的机械性能。但是，没能收集到24小时边缘润胀数据，因为试样在水中解体了。
实施例7异氰酸酯基粘合剂的使用采用调整到实验室规模的配方B(含PVA)制备了复合物颗粒，并干燥至6.5％的含湿量。将复合物颗粒中的一部分按原来方法压力成形，而其余部分则涂布了MDI(每500克颗粒50克)。用这些材料，采用温度320°F(160℃)、压力520psi和时间6分钟，压制成板(试样1＝未涂布颗粒，试样2＝MDI涂布的)。在与此相同的温度和压力下，但用了一半时间(即3分钟)(试样3)或在同样温度及7800psi压力下用6分钟(试样4)压制了板。这些板的机械性能列于下面。试样编号 弹性模量断裂模量 硬度(磅)(psi) (psi)1444,000 3,1263,0192691,000 4,9114,3303291,000 1,5765714797,000 6,0274,447
这些结果表明，MDI的加入使得机械性能相对于不加MDI的由相同颗粒压成的板改善了。这些结果进而显示，提高压力和延长压制时间也能改善机械性能。
实施例8异氰酸酯基粘合剂和蜡乳液的使用采用方法C中详述的配方混制了复合物颗粒。把复合物颗粒放在带式干燥机上从大约61％的含湿量干燥到6％的目标含湿量。随后把颗粒同各种不同量的MDI和蜡乳液掺混。用于此项研究的MDI系由ICI Polyurethanes(West Deptford，NJ)生产的Rubinate 1840。它是一种基于氨基甲酸酯的热固性透明、褐色液体，在77°F(25℃)下粘度为500cps。蜡乳液系Hercules公司(Minneapolis，MN)生产的2100P。将颗粒(150磅)在间歇式混合机里同大致如下的各种不同MDI与蜡乳液的配比物混合。将MDI和蜡加入颗粒中之后，使混合物再混合2分钟以保证均匀混合及各成分的均匀分布。本项研究中MDI的用量为3.5％、5.0％、7.5％和10％。本项研究中蜡乳液的用量为1.0％和1.5％。对每种MDI用量均对这两种蜡含量做了评价。
在掺混过程中，如果颗粒的含湿量低于目标值6％，则加入另外的补加水。这样做是按照预压物料含湿量约为8％进行的。将混合物料转移到加料斗并在成形盒内铺上一层均匀的物料。出压机的板的目标厚度为0.90英寸，目标密度介于1.25和1.30之间。达到上述目标的压制参数为压台温度325°F(163℃)，满压加压525psi直至获得要求的厚度。然后把压力充分地降低以维持板在要求的厚度。总压制时间为8.5分钟8.0分钟为加压周期，0.5分钟为排气周期。把出压机的板热码放至少24小时再切成试样。
制作了两组对比板，一组用方法B中详述的配方(含有PVA)，而另一组以与此相同的配方(含PVA)的颗粒再掺上5％的MDI树脂。采用与上面概述相同的参数压制成对比板。
从这些压制板中，随机选出5块测定板的机械及物理性能。从所选的板中，切出5个静态弯曲试样以确定强度与劲度。另外，从3个选择的MDI/蜡板和5个胶乳和胶乳/MDI板上切下5个吸水及增厚试样。测试按照ASTM标准D-1037方法木基纤维及颗粒板材性能评价的标准方法进行。
对于树脂加入量、蜡用量和测试的性能的每一种组合得出说明性统计数据。采用组间各项测试性能显著差异的经典统计技术对数据作了分析。
虽然木基材料的含湿量是复合板制造中的一项考虑，但是诸厂家通常按经济上可行的尽量干地操作，以保证工厂的快速压制时间和高产量。可是，当使用MDI树脂时，混合前以及混合后的颗粒含湿量是制板当中的重要因素。出干燥机的复合物颗粒含湿量应优选在6％～7％的范围。这样做对保证压制前颗粒的后混合含湿量非常接近8％是必须的。如果颗粒的含湿量低，则由于板既无法达到目标厚度也无法达到目标比重，所以物料在压机内的压紧不充分。这样生产出的板带有多孔的表面。如果含湿量高，则板内过量的水在压力和热的压制条件下被转化为大量的蒸气，从而造成出压机的板上有许许多多的爆裂点。所以，在采用MDI的压制过程中使用过低或过高的含湿量的颗粒都是不合要求的。
机械性能测试的结果示于表IX。只含有大豆粘合剂同PVA/胶乳的组合物具有显著(P＜0.05)低于混有MDI粘合剂的组合物的断裂模量(强度)。在强度方面，没有发现由于提高MDI含量引起的显著(P＜0.05)强度差异。但是，存在着一个总的趋势随着MDI加入量的提高，强度也提高。
只含有大豆粘合剂同PVA/胶乳的组合物具有显著(P＜0.05)低于混有MDI粘合剂的组合物的弹性模量(劲度)。象强度的情形一样，没有发现由于提高MDI含量引起的显著(P＜0.05)劲度差异。但是，存在着同样的趋势随着MDI加入率的提高，劲度也提高。
使用MDI制成的板在强度和劲度方面比使用PVA/乳胶不带MDI的配方有相当大的改进。在此项研究中采用MDI生产出的板表现出相当或好于用于商业及住宅的家具制造的高密度颗粒板类的强度和劲度性能。
通过增加MDI用量提高强度与劲度将允许把生产出的生物复合物调整到符合最终用途要求的强度和劲度性能。若采用本项研究中的MDI加入率而又假使能达到1.3的稍高些的比重以及较小的波动(这也正是采用连续体系优于间歇体系之处)，则生产出的板的强度和劲度往往会更高。
物理性能测试的结果示于表X。只采用含有PVA/胶乳的大豆树脂体系生产出的板具有显著(P＜0.05)高于采用MDI树脂制造的组合物的边缘润胀和水吸收。没有发现在组合物之间因提高MDI加入率而引起的或者两种蜡水平之间存在的边缘润胀或吸水方面显著(P＜0.05)的差异。没有发现强度及劲度方面的任何趋势。只是在3.5％加入率时，存在某种因加蜡量由1.0％增加到1.5％而产生的尺寸稳定性方面的改进。从这张表可以看出，蜡已经代替了PVA胶乳作为板中的上浆剂而对尺寸稳定性不产生不利的影响。
传统的木基复合物压制中MDI的加入率可变化至高达20～30％，而本发明的制板方法与此不同，通常具有对MDI量的上限，在此范围内，MDI的加入才不会产生对出压机的板的不利影响。在此过程中，目标比重极高，1.3～2.0倍于传统制造的本基复合物板。如上面指出，这种高比重对保证板面的纸孔隙率是需要的。但是，这样紧密的板却没有给多余的MDI留出什么可以挤入的空隙。在采用混有高用量(10％)MDI的颗粒的压制操作中，板内的全部自由空隙均被填满，而且对于某些板，过量的MDI被挤出。由于所有板内的自由孔隙均被填满，不存在空间或通路供压制操作中产生的蒸气和异氰酸酯固化过程中生成的CO2逃逸。这便会引起板在出压机时板里产生大量的爆裂，类似于当颗粒材料含湿量过高时会出现的情况。采用混有7.5％MDI的颗粒在板压制过程中没遇到这种问题。这暗示MDI加入量的上限约为10％。
从此项研究可以得出的其他结论包括采用不含PVA但含MDI/蜡掺混体系的配方时压制时间比采用含PVA的配方制板所用的压制时间显著地缩短了。在给定本实施例的制造方法和要求的性能的条件下，可以与复合物颗粒掺混的MDI量的上限约为10％，尽管在其他条件下，这个数值可以是约20％。通过改变包覆在干燥颗粒上的MDI量，可以设计成品板的机械及物理性能来满足特定的用途。当MDI用量约为5％或稍高，蜡乳液用量从1.0％提高到1.5％时，尺寸稳定性没有实质性的改进。
表VIII按各种不同的树脂与上浆剂组合制成的板的部分机械性能板种类 断裂模量24小时断裂比重(psi)(psi)仅用胶乳 n 25 25 25平均1.232,809411,513胶乳/5.0％ n 23 23 23MDI平均1.334,737547,8613.5％MDI/ n 25 25 251.0％蜡平均1.253,894647,5953.5％MDI/ n 30 29 301.5％蜡平均1.263,871576,7615.0％MDI n 25 25 251.0％蜡平均1.214,033535,6275.0％MDI/ n 20 20 201.5％蜡平均1.254,369645,8587.5％MDI/ n 20 20 201.0％蜡平均1.234,508672,7007.5％MDI/ n 25 25 251.5％蜡平均1.204,208672,04310％MDI/ n 25 25 251.0％蜡平均1.254,703746,48210％MDI/ n 20 20 201.5％蜡平均1.284,744719,268
表IX按各种不同的树脂与上浆剂组合制成的板的部分物理性能板种类比重24小时边缘 24小时增重润胀百分率百分率仅用胶乳n1818 18平均 1.25 40.630.9胶乳/5.0％ n2424 24MDI 平均 1.28 10.39.63.5％MDI/ n1515 151.0％蜡 平均 1.27 15.611.93.5％MDI/ n1515 151.5％蜡 平均 1.29 12.69.75.0％MDIn1515 151.0％蜡 平均 1.24 12.410.95.0％MDI/ n1515 151.5％蜡 平均 1.27 11.89.57.5％MDI/ n1010 101.0％蜡 平均 1.26 9.3 8.57.5％MDI/ n1515 151.5％蜡 平均 1.27 9.3 8.510％MDI/n1111 111.0％蜡 平均 1.32 9.8 8.110％MDI/n1515 151.5％蜡 平均 1.31 10.48.1
实施例9用大豆粉和石灰制成的板此项研究旨在做为一个对比，以评价石灰和大豆粉末在制备大豆树脂中的应用。用来制造大豆树脂的配方是由8kg石灰、148kg水和49kg 90pdi大豆粉组成的组合物，将其再同46kg锤磨的未处理带墨报纸混合。将此物料干燥到约11％的含湿量，再进行压制。压台温度约为312°F(156℃)。总压制时间约为13.5分钟。压制时间具体根据粒状材料的含湿量的稍许波动而有所变动。出压机的板材的目标比重为1.30。测定了此板材的强度、劲度、硬度以及尺寸稳定性。针对每种评价的性能得到说明性统计数据。
在复合物颗粒的制造及板材压制中均未遇到问题。下面是此项研究中制成的板的机械及物理性能的总结。所列值是15个试样的平均值。弹性模量(psi)断裂模量(psi)2小时边缘润胀(％)217,5591,080 16.82这些板具有比由采用典型大豆树脂配方制造的复合物颗粒制成的低得多的强度及劲度。在此研究中制备的板的尺寸稳定性极差。测试过程中所有试样在水中都解体了。故而，24小时边缘润胀数据未能获得。这种用石灰、大豆粉和水组成的简单配方生产出的颗粒既缺乏内部粘合能力又缺乏颗粒与颗粒之间的粘合能力。
实施例10利用豌豆树脂制备生物复合材料本发明的树脂基生物复合物颗粒使用蛋白质衍生体系。尽管最优选的蛋白质得自大豆粉，但是其他豆科植物也可以使用，包括各种各样的豆类和豌豆类。其中的例子是豌豆粉，它是由干燥、黄至绽开的豌豆经锤磨至比325目还细的稠度而制成的。
采用豌豆粉代替方法B中详述的配方(含PVA)中的大豆粉制成了粒状材料。用2英尺乘2英尺的热压机压制了四块板。压台温度为312°F(156℃)，总的压制时间大约为13.5分钟。为补偿粒状材料中含湿量的变化具体压制时间稍有不同。出压机的板材的目标比重为1.3。测试了板的强度、劲度和尺寸稳定性。针对测试的每种性能得出说明性统计数值。
在复合物颗粒的混合期间，用豌豆粉代替大豆粉未遇到明显的困难。但是，出干燥机之后，此颗粒的堆积密度明显低于用大豆粉制成的颗粒。复合物颗粒的此种低堆积密度在压制中造成了一定困难，并导致比用大豆粉时较大程度的沿板的长宽方向的密度变化。这很象是由于该豌豆粉的细粉碎造成的。这个问题可以通过调整研磨参数以生产出与目前采用的大豆粉相同目数大小的粉末加以纠正。
下面总结了从这次实验生产出的板获得的机械性能。给出的数值代表15个试样的平均值。
断裂模量(psi)弹性模量(psi)2,787424,951用豌豆粉生产出的板材的强度及劲度非常近似于用大豆粉生产的板。用详述于方法B的配方用大豆粉生产出的板的典型强度值是2,809psi，而劲度值是411,513psi(见实施例7)。
下列总结了由用豌豆粉生产的板获得的物理性能。给出的数值系8个试样的平均值。
2小时边缘润胀(％)24小时边缘润胀(％)24.554.2该边缘润胀值稍高于同样条件下用大豆粉生产出的板。典型的24小时边缘润胀是40.6％(见实施例7)。据信，边缘润胀值的增高是由于板密度的高可变性所致。若具有目标值1.30左右的较为均一的密度，用豌豆粉制成的板的边缘润胀值应该非常接近于用大豆粉生产的板，故显然可适用于内装璜用途。
试验方法采用了下述试验方法获得前面列出的结果。通常，把试样置于其目标使用含湿量即大约7％的条件下测试。测试样是随机地从被测材料批料中选取的。静态弯曲(MOR及MOE)采用详细规定于ASTMD 1037-91、节11-20中的静态弯曲试验评价了强度，即断裂模量(“MOR”)以及劲度，即弹性模量(“MOE”)。从每种试验板材上取下若干3英寸乘10英寸的试样，并放到万能试验机上。对试样施用8英寸跨距和恒定十字头速度直至断裂。记录载荷对挠度的数据并针对每个试样计算出MOR和MOE并对每种测试条件求平均值。硬度硬度是采用ASTMD 1037-91、节74-80中详细规定的方法测定的。从每种试验板材上取下若干个3英寸乘6英寸的试样，而后采用适当的夹具放到万能试验机上。使一只改进的Janka球(0.4375英寸直径)以恒速率压入试样直至挠度为0.10英寸。记录载荷对挠度的数据，计算出相应的Janka球硬度值并算出对每种试验条件的平均值。吸水及增厚吸水及增厚试验是采用ASTMD 1037-91、节100-106中详细规定的方法进行的。量出若干个6英寸乘6英寸试样的原始厚度及重量，然后水平地浸入水下1英寸深处。在2小时和24小时之后分别测量厚度及重量的变化。计算出厚度和重量的变化并对每种试验条件求平均值。内粘合力内粘合力测试是采用ASTMD 1037-91、节28-33中详细规定的方法进行的。从试验板材上取下若干个2英寸乘2英寸的试样并粘到适当的试验夹具上。把粘好的样品放到万能试验机上并施加恒定载荷直至破坏。记录所获最大载荷并算出相应的内粘合数值。含湿量及密度/比重含湿量和比重是采用ASTMD 1037节126-127中详细规定的方法测定的。试样取自静态弯曲试验的各试样。将试样置于其使用含湿量即约7％的条件下称重并测量以求出密度。然后把这些试样置于103℃下烘干至实际平衡，称重并与初始重量比较以确定实际含湿量。粘度各种大豆粘合剂混合物的粘度是利用Brookfield DV-I+型粘度计测定的。对若干加纤维素之前形式的100ml烧杯大豆粘合剂样品在60～70°F(16～21℃)下用6号转轴进行了测定。记录获得的厘泊读数并对每种计算条件下求平均值。
虽然已针对各种优选的混合物以及生产设备对本发明作了说明，但是对于本领域技术人员来说应该理解，还可以提出另外一些方法及混合物。因此，认为上述说明应被理解成包括本发明的精神及范围之内的全部等价实施方案。
权利要求
1.一种生物复合粒状材料，它包含具有约55～75％的含湿量及不大于约0.5英寸(1.3cm)的颗粒尺寸的离散的纤维增强的蛋白质基颗粒；所说的离散颗粒包含含水的豆科植物基树脂和纤维状纤维素材料，其中纤维素固体与树脂固体的比例为约0.8∶1.0到约1.5∶1.0。
2.权利要求1的生物复合粒状材料，其中纤维素固体与树脂固体的比例为约1.0∶1.0到约1.3∶1.0。
3.权利要求1的生物复合粒状材料，其中豆科植物基树脂包含蛋白质分散指数约为20～100pdi的磨碎的豆科材料。
4.权利要求3的生物复合粒状材料，其中豆科材料的蛋白质分散指数为约70～100pdi。
5.权利要求3的生物复合粒状材料，其中磨碎的豆科材料是一种豆类作物。
6.权利要求5的生物复合粒状材料，其中磨碎的豆类作物是磨碎的大豆材料。
7.权利要求6的生物复合粒状材料，其中磨碎的大豆材料是大豆粉。
8.权利要求1的生物复合粒状材料，其中豆科植物基树脂所含磨碎的豆科材料的量能有效地生成65°F(18℃)下粘度约为37,000～640,000cps的树脂。
9.权利要求8的生物复合粒状材料，其中豆科材料在树脂中的含量约为树脂总重量的15～40％。
10.一种生物复合粒状材料，它包含具有小于约20％的含湿量及不大于约0.5英寸(1.3cm)的颗粒尺寸的离散的纤维增强的蛋白质基颗粒；所说的离散颗粒包含豆科植物基树脂和纤维状纤维素材料，其中纤维素固体与树脂固体的比例为约0.8∶1.0到约1.5∶1.0。
11.权利要求10的生物复合粒状材料，其中纤维素固体与树脂固体的比例为约1.0∶1.0到约1.3∶1.0。
12.权利要求11的生物复合粒状材料，其中离散颗粒的含湿量约为6～8％。
13.权利要求12的生物复合粒状材料，其中离散颗粒被涂布了一种辅助热固性粘合剂。
14.权利要求10的生物复合粒状材料，其中豆科植物基树脂包含蛋白质分散指数约为20～100pdi的磨碎的豆科材料。
15.权利要求14的生物复合粒状材料，其中豆科材料的蛋白质分散指数约为70～100pdi。
16.权利要求10的生物复合粒状材料，其中该颗粒的比重约为0.7-1.0。
17.权利要求10的生物复合粒状材料，其中豆科植物基树脂包含着色剂。
18.权利要求17的生物复合粒状材料，其中离散颗粒能在高温和高压下熔合在一起形成一种刚性生物复合材料，该材料具有带有清晰而鲜明的边界的彩色区域。
19.权利要求18的生物复合粒状材料，其中离散颗粒能形成一种断裂模量为约1000～10,000psi、弹性模量为约100,000～1,000,000psi的刚性生物复合材料。
20.权利要求10的生物复合粒状材料，其中离散颗粒被涂布了一种芳族异氰酸酯粘合剂。
21.权利要求20的生物复合粒状材料，其中豆科植物基树脂包含着色剂。
22.一种刚性生物复合压力成形材料，它包含熔合的含湿量小于约20％且颗粒尺寸不大于约0.5英寸(1.3cm)的离散的纤维增强的蛋白质基颗粒；所说离散颗粒包含豆科植物基树脂和纤维状纤维素材料，其中纤维素固体与树脂固体的比例为约0.8∶1.0到约1.5∶1.0。
23.权利要求22的刚性生物复合压力成形材料，其密度约为每立方英尺45～100磅。
24.权利要求22的刚性生物复合压力成形材料，其断裂模量约为1000～10,000psi、弹性模量约为100,000～1,000,000psi。
25.权利要求24的刚性生物复合压力成形材料，其断裂模量大于约2000psi、弹性模量大于约200,000psi。
26.权利要求25的刚性生物复合压力成形材料，其断裂模量大于约2800psi、弹性模量大于约350,000psi。
27.权利要求26的刚性生物复合压力成形材料，其断裂模量大于约3000psi、弹性模量大于约450,000psi。
28.权利要求22的刚性生物复合压力成形材料，它还包含一种镶嵌材料，该材料是压力成形材料整体的一部分。
29.权利要求22的刚性生物复合压力成形材料，它包含一种辅助热固性粘合剂。
30.权利要求29的刚性生物复合压力成形材料，它还包含至少一种着色剂。
31.一种刚性生物复合压力成形材料，它包含熔合的具有小于约20％的含湿量和不大于约0.5英寸(1.3cm)的颗粒尺寸的离散的纤维增强的蛋白质基颗粒以及一种异氰酸酯粘合剂；所说的熔合的离散颗粒包含豆科植物基树脂和纤维状纤维素材料。
32.权利要求31的刚性生物复合压力成形材料，其中豆科植物基树脂和纤维状纤维素材料的含量使得纤维素固体与树脂固体的比例为约0.8∶1.0到约1.5∶1.0。
33.权利要求32的刚性生物复合压力成形材料，其中熔合的离散的纤维增强的蛋白质基颗粒的含湿量在熔合前为约6～8％。
34.权利要求31的刚性生物复合压力成形材料，其断裂模量大于约3500psi、弹性模量大于约500,000psi。
35.权利要求34的刚性生物复合压力成形材料，其断裂模量大于约4000psi、弹性模量大于约600,000psi。
36.权利要求35的刚性生物复合压力成形材料，其断裂模量大于约4500psi、弹性模量大于约700,000psi。
37.权利要求31的刚性生物复合压力成形材料，其中异氰酸酯粘合剂包含芳族异氰酸酯。
38.权利要求31的刚性生物复合压力成形材料，它还包含拒水性上浆剂。
39.权利要求38的刚性生物复合压力成形材料，其中拒水性上浆剂的含量约为0.5～2.5％。
40.权利要求31的刚性生物复合压力成形材料，其中异氰酸酯粘合剂的含量约为2～20％。
41.权利要求31的刚性生物复合压力成形材料，它还包含镶嵌材料，它是压力成形材料整体的一部分。
42.权利要求31的刚性生物复合压力成形材料，其中豆科植物基树脂包含至少一种着色剂。
43.一种制备包含离散的纤维增强的蛋白质基颗粒的生物复合粒状材料的方法所说方法包括(a)制备pH值约为10～14的含水豆科植物基树脂；以及(b)将纤维状纤维素材料与含水豆科植物基树脂结合，其用量和方式能有效地形成具有约55～75％的含湿量、不大于约0.5英寸(1.3cm)的颗粒尺寸以及约0.8∶1.0到1.5∶1.0的纤维素固体对树脂固体的比例的离散生物复合物颗粒。
44.权利要求43的方法，其中结合的步骤包括在足以形成离散的生物复合物颗粒的剪切力作用下将纤维状纤维素材料与含水的豆科植物基树脂混合。
45.权利要求43的方法，该方法还包括将粒状材料干燥到含湿量小于约20％以形成干粒状材料的离散颗粒的步骤。
46.权利要求43的方法，其中制备含水豆科植物基树脂的步骤包括把占树脂总重量约15～40％的磨碎的豆科材料与高碱性水溶液结合。
47.权利要求46的方法，其中含水豆科植物基树脂在65°F(18℃)下的粘度约为37,000～640,000cps。
48.权利要求43的方法，其中制备豆科植物基树脂的步骤包括加入着色剂的步骤。
49.一种制备刚性压力成形生物复合材料的方法，包括(a)制备pH值约为10～14的含水豆科植物基树脂；(b)将纤维状纤维素材料与含水豆科植物基树脂结合，其用量和方式能有效地形成具有约55～75％的含湿量、不大于约0.5英寸(1.3cm)的颗粒尺寸以及约0.8∶1.0到1.5∶1.0的纤维素固体对树脂固体的比例的离散生物复合物颗粒。(c)把离散的生物复合物颗粒的含湿量降低到小于约20％以形成干的生物复合物颗粒；以及(d)在高温和高压下将干的生物复合物颗粒压制一段时间以有效地使颗粒熔合为刚性生物复合压力成形材料。
50.权利要求49的方法，其中压制步骤发生在约250～340°F(121～171℃)的温度下。
51.权利要求50的方法，其中压制步骤发生在约450～750psi的压力下。
52.权利要求49的方法，其中压制步骤包括将粒状材料置于电加热压板式压机内压制。
53.权利要求49的方法，其中结合步骤包括在足以形成离散的生物复合物颗粒的剪切力作用下将纤维状纤维素材料与含水豆科植物基树脂混合。
54.权利要求49的方法，其中制备豆科植物基树脂的步骤包括加入着色剂的步骤。
55.一种制备刚性压力成形生物复合材料的方法，包括(a)制备pH值约为10～14的含水豆科植物基树脂；(b)将纤维状纤维素材料与含水豆科植物基树脂结合，其用量和方式能有效地形成具有约55～75％的含湿量、不大于约0.5英寸(1.3cm)的颗粒尺寸以及约0.8∶1.0到1.5∶1.0的纤维素固体对树脂固体的比例的离散生物复合物颗粒。(c)把离散的生物复合物颗粒的含湿量降低到小于约20％以形成干的生物复合物颗粒；(d)用辅助热固性粘合剂涂布干的生物复合物颗粒；以及(e)在高温及高压下将涂布的干生物复合物颗粒压制一段时间以有效地将颗粒熔合为刚性生物复合压力成形材料。
56.权利要求55的方法，其中辅助热固性粘合剂是异氰酸酯粘合剂。
57.权利要求55的方法，该方法还包括用拒水性上浆剂涂布干生物复合物颗粒的步骤。
58.权利要求55的方法，其中制备豆科植物基树脂的步骤包括加入着色剂的步骤。
全文摘要
本发明提供了纤维增强的蛋白质基生物复合粒状材料，它含有豆科植物基热固性树脂和纤维素材料，还提供了由该粒状材料制成的刚性生物复合压力成型材料。该粒状材料和制成的压力成型材料包含豆科植物基树脂和纤维状纤维素材料，其含量使得纤维素固体与树脂固体的比例为约0.8∶1.0到约1.5∶1.0。特别优选的压力成型材料还包含辅助热固性粘合剂，如异氰酸酯。
文档编号C08L1/02GK1143971SQ94193644
公开日1997年2月26日 申请日期1994年8月10日 优先权日1993年8月11日
发明者M·J·里贝尔, P·L·托古森, K·D·卢斯, D·E·安德逊, C·格鲁伯 申请人:菲尼克斯生物组合物有限公司