木材复合面板产品的木质素强化粘附性
阅读说明：本技术 木材复合面板产品的木质素强化粘附性 (Lignin enhanced adhesion for wood composite panel products ) 是由 章耀林 L·库伊斯奈 M·帕列奥洛古 S·帕拉迪斯-博伊斯 S·雷蒙德 M·W·冯 Z· 于 2018-10-02 设计创作，主要内容包括：提供了一种用木质素改性木质纤维素材料并且将木质素和异氰酸酯或其他木材胶粘剂掺入木材产品组合物中的方法,并且公开了其组合物、制备和用于结合木材产品的应用。所述组合物包含衍生自多种天然资源的木质素、含有两个或更多个异氰酸酯官能团的异氰酸酯化合物、或其他木材胶粘剂。(A method of modifying lignocellulosic material with lignin and incorporating lignin and isocyanates or other wood adhesives into wood product compositions is provided, as well as compositions, preparations, and uses thereof for bonding wood products. The compositions include lignin derived from a variety of natural sources, isocyanate compounds containing two or more isocyanate functional groups, or other wood adhesives.)
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年10月2日提交的美国临时申请序列号62/566,776的优先权，将其内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
其为一种用木质素改性木质纤维素材料并且将木质素和异氰酸酯木材胶粘剂掺入木材产品组合物中的方法。
背景技术
复合木材产品是通常用于构造墙壁、地板、屋顶、门、橱柜、家具和建筑模制品的结构或非结构面板。最常见的木材复合面板产品包括：胶合板、定向刨花板(OSB)、颗粒板(PB)、和不同密度的纤维板[低密度纤维板(LDF)、中密度纤维板(MDF)和高密度纤维板(HDF)]。当前使用的主要木材胶粘剂为：甲醛基树脂，诸如脲-甲醛(UF)、三聚氰胺-甲醛(MF)、三聚氰胺-脲-甲醛(MUF)间苯二酚-甲醛(RF)、苯酚-间苯二酚-甲醛(PRF)和苯酚-甲醛(PF)树脂，以及无甲醛树脂，诸如聚合物亚甲基二苯基二异氰酸酯(pMDI)。用于木材应用的甲醛基树脂是热固型树脂。固化之前，它们在树脂体系中含有一定的游离甲醛含量。固化之后，所述游离甲醛中的大部分与树脂体系的其他组分反应或从面板蒸发。因此，面板中捕获仅少量的游离甲醛。固化之后，PF、RF、PRF和MF的结构十分稳定。这些固化树脂中不再产生游离甲醛，并且从面板的游离甲醛释放随时间降低。然而，由于固化UF的化学结构在高湿度条件下不稳定，因此固化UF在此类条件下产生游离甲醛。
用于大多数木材复合面板产品(例如，OSB、PB和MDF)的树脂体系通常包括树脂(例如，UF、PF、pMDI等)和蜡。蜡在木材复合材料中的作用是降低木材复合面板的吸水率并且改进尺寸稳定性。然而，蜡无助于结合。相反，如果它存在于木材配料颗粒之间，则它会削弱结合。每种类型的木材复合面板对所施用的树脂具有不同要求。对于OSB面板的制造，树脂粘度应低于500cps，通常为150-300cps。对于PB板和MDF板的制造，树脂粘度应小于1000cps。如果树脂粘度高，则需要采取某些措施来调节树脂施用系统以确保树脂施用均匀并且良好地分布在木材配料的表面上。
木材由三个主要组分构成：纤维素(约40％-50％)、半纤维素(约20％-30％)和木质素(约20％-30％)。木质素是所有木质纤维素材料(包括木材)中非常重要的组分。作为大分子，木质素是多酚且无定形的，对木材的天然特性有很大贡献。可想象地，如果可以将另外的木质素含量引入木材，则可以显著地改变或增强木材特性，这将导致新的或改进的木材产品以及各种经济和环境效益。
关于木质素可以如何强化木材复合面板的粘附性，可以做出若干种假设：1)掺入此类产品中的木质素有助于在面板制造过程的热处理步骤期间产生木质纤维素材料之间的强物理相互作用，从而导致木质纤维素材料之间的粘附性，以及2)木质素经由不同的机制(例如，化学反应)与不同的树脂体系(例如，异氰酸酯、酚醛树脂、和/或脲-甲醛树脂与蜡)缔合以强化木质纤维素材料之间的粘附性。
上述第一种假设可以基于以下来证明。通常，在木材复合面板的制造过程中，树脂化木质纤维素材料(木材配料)的水分含量为约6％-15％、优选8％-12％。此外，压制温度为约180℃-225℃。当将另外的木质素以基于干木材重量约0wt％-10wt％或优选0.25wt％-3wt％的剂量掺入木质纤维素材料中时，预期此木质素与水分子缔合(例如，通过离子基团的水合或氢键键合)以形成某种木质素-水络合物。如本领域中已知的，软木木质素的玻璃化转变温度在呈干形式时为约140℃-170℃，而硬木木质素的玻璃化转变温度在呈干形式时为约110℃-140℃。玻璃化转变温度Tg是聚合物从刚性塑料(低于Tg)变为柔性橡胶状材料(高于Tg)时的温度。如还已知的，当木质素呈湿形式和/或存在其他木材组分(例如，纤维素、半纤维素)时，玻璃化转变温度显著降低多达100℃。因此，通过这种机制(所添加的木质素以及在木质纤维素材料中的木质素的并行软化)，预期在木材复合材料的制造过程中，所添加的木质素可以与木质纤维素材料中的木质素建立强的物理相互作用，因为后者由约20wt％-30wt％的木质素构成。结果，预期在面板制造过程中在木质纤维素材料和木质素之间形成强的粘附性，因为湿木质素所暴露的温度与湿木质素的玻璃化转变温度在相同的范围内(压板温度可能大于180℃，而木质纤维素材料的芯温度通常高于130℃或140℃)。在面板冷却之后，预期木质素凝固(刚性塑料形式)，从而在木质纤维素材料(例如，所使用的木材颗粒)之间产生永久粘附性。
上述第二种假设可以基于以下来证明。根据所使用的树脂体系(例如，异氰酸酯树脂、酚醛树脂、脲甲醛树脂与蜡)，木质素将通过不同的机制来强化木质纤维素材料之间的粘附性。例如，下面讨论三种不同树脂体系的情况。
A)异氰酸酯树脂体系(通常为pMDI加蜡)
当异氰酸酯、特别是pMDI(NCO含量为按重量计约30％)用于木质纤维素材料面板制造中时，基于木质纤维素材料的干重，pMDI的剂量为小于5wt％并且最通常为2wt％-3wt％。如果例如在这种胶粘剂体系中，其具有3wt％的木质素、3wt％的pMDI和8wt％的水分(基于压制前木质纤维素材料的干重)，则木质素、pMDI和水的重量比率将是3∶3∶8。官能团摩尔比率将不同于重量比率。木质素的羟基含量通常在200与300mgKOH/g之间。这意味着100克木质素含有0.356-0.534摩尔的可与异氰酸酯中的NCO基团反应的羟基。pMDI通常含有30wt％的NCO含量，在100gpMDI中产生0.714摩尔NCO基团。100g水中的羟基含量将为11.11摩尔。因此，在木质素∶pMDI∶水的重量比率为3∶3∶8的情况下，木质素中的OH∶pMDI中的NCO基团∶水中的OH基团将为0.356-0.534∶0.714∶(11.11x 8/3)＝0.356-0.534∶0.714∶29.629＝1.0-1.5∶2.0∶83。如从这些相对摩尔比率看出，水中的-OH(羟基)基团比木质素中的-OH基团高得多。在25℃非催化条件下异氰酸酯与“OH”基团的相对反应性如下：对于伯羟基(RCH2-OH)为100，对于水(HOH)为100，对于羧酸羟基(RCOOH)为40，对于仲羟基(RR'CH-OH)为30，并且对于叔羟基(RR'R”C-OH)为0.5。异氰酸酯与胺和衍生物的相对反应性如下：对于伯脂族胺(R-NH2)为100,000，对于仲脂族胺(RR'NH)为20,000-50,000，对于伯芳族胺(Ar-NH)为200-300，对于脲(R-NH-CO-NH-R)为15，对于氨基甲酸酯(R-NH-CO-O-R)为0.3，并且对于酰胺(RCO-NH2)为0.1。如果假设所有的OH(羟基)基团都是伯羟基(木质素不是这种情况)，则木质素中的-OH基团与异氰酸酯中的NCO基团的反应性将类似于在类似浓度下在水中的-OH与异氰酸酯中的NCO基团。由于木质素中的-OH、pMDI中的NCO和水中的-OH的官能团摩尔比率为1.0-1.5∶2.0∶83.1，因此人们可能期望与pMDI中的NCO基团反应的来自水的OH基团比与pMDI中的NCO基团反应的来自木质素的OH基团多得多。因此，预期仅非常小一部分pMDI与木质素中的OH基团反应以形成聚氨酯键。最主要的反应很可能是水中的OH基团与pMDI中的NCO基团反应以形成不稳定的中间结构，进一步形成胺和CO2，如下所示：
H2O+R-NCO→[RNHCOOH]→CO2+RNH2
所述胺将进一步与NCO基团反应以形成(RNH)2CO。在具有pMDI和木质素的木质纤维素材料面板中，仅一小部分木质素很可能与pMDI反应形成面板中的交联结构，从而导致粘附性。预期大部分木质素与木质纤维素材料具有强的物理相互作用，从而导致木质纤维素材料的粘附性和木质纤维素材料面板的强化。
B)酚醛树脂体系(通常是酚醛树脂加蜡)
当在木质纤维素材料面板制造中使用苯酚-甲醛树脂作为胶粘剂时，酚醛树脂的剂量小于5wt％(基于木质纤维素材料的干重)并且最通常为约3wt％或更少。这些面板通常在胶合板的情况下在约130℃-150℃下压制并且在OSB的情况下在约170℃-180℃下压制。在这些条件下，预期一部分木质素参与酚醛树脂固化反应，并且成为所制造的面板中酚醛树脂的交联结构的一部分。蜡可以部分或全部地被木质素替代。由于木质素与木质纤维素材料建立了物理粘附性，并且还参与了与酚醛树脂的固化反应，因此用酚醛树脂和木质素制造的木质纤维素材料面板的性能可以与用酚醛树脂和蜡制造的木质纤维素面板相同或更好。
C)脲-甲醛体系(通常是脲-甲醛树脂加蜡)
当在木质纤维素材料面板制造中使用脲-甲醛树脂时，脲-甲醛树脂的剂量在6wt％-14wt％(基于木质纤维素材料的干重)的范围内并且通常为8wt％-12wt％。由于这种树脂体系中的反应机理，木质素在面板制造过程中可能不参与脲-甲醛固化反应。
目前，对降低从建筑物中所用的复合木材和/或纸产品的甲醛排放的需求不断增长。用于木材产品应用的pMDI和聚氨酯胶粘剂(无甲醛)已显著增加，尤其是在OSB制造中。按体积计，含有异氰酸酯的粘合剂和胶粘剂占北美木材胶粘剂市场份额的约10％。
聚氨酯(PU)被认为是最通用的聚合物材料之一，提供了宽范围的具有各种应用的产品。PU产品可以分为三个类别：柔性泡沫，刚性泡沫，以及包括涂料、胶粘剂和粘合剂、密封剂、弹性体等的其他产品。近年来，在木材和木材产品应用中，无甲醛胶粘剂和粘合剂并且特别是异氰酸酯基和生物基胶粘剂的使用已显著增加。
将生物基产品、尤其是木质纤维素基产品添加到聚合物体系中是生产具有更高机械特性和更环保特征的材料的非常常用且有效的方法。因此，已投入大量精力将木质素掺入若干种木质素基聚氨酯应用中(胶粘剂、泡沫和粘合剂)，因为它在其结构中具有多种官能团并且特别是不同类型的羟基。
美国专利4,317,752描述了一种用于生产多异氰酸酯木质素-纤维素塑料的方法。在第一步骤中，将木材锯屑与氢氧化钠一起在150℃与220℃之间的温度下蒸煮，产生棕色粘稠液体，所述棕色粘稠液体在冷却时凝固并且将其研磨成粉末。在第二步骤中，将经研磨的粉末与多异氰酸酯(诸如以按重量计1∶1比率的甲苯二异氰酸酯或TDI、以2∶3比率的亚甲基二苯基二异氰酸酯或MDI)混合，在20℃-70℃的温度下搅拌10-60分钟，从而产生多异氰酸酯-木质素-纤维素预聚物。在第三步骤中，将固化剂(诸如水、含水催化剂(诸如叔胺)、有机金属化合物等和有机添加剂(诸如醇、醛、羧酸、羧酸氯化物、酯、醚、酮)添加并且混合到多异氰酸酯-木质素-纤维素预聚物中以产生半刚性或刚性多孔产物。
美国专利4,486,557讨论了粘合剂配制品的开发，所述粘合剂配制品包含二异氰酸酯或多异氰酸酯(20wt.％-95wt.％)(诸如MDI)、液体环氧化物(5％-80％wt.)、和作为稀释剂的木质素(1.0％-60％wt.)。建议将这些配制品用作用于制造木质纤维素板的粘合剂。
美国专利5,750,201讨论了用于使用多异氰酸酯与木质素溶剂和木质素的组合来粘合木质纤维素材料的方法的开发。木质素溶剂、特别是环状脲以在基于多异氰酸酯的重量从0.1wt％至6.0wt％的范围内的量使用。所使用的木质素是有机溶剂木质素，并且添加量在基于多异氰酸酯从1wt％至5wt％的范围内。
专利申请CA 2,164,467和专利申请CA 2,164,490讨论了将木质素掺入异氰酸酯中以产生用于聚氨酯的木质素-异氰酸酯预聚物。公开了制备木质素基异氰酸酯预聚物混合物的几个步骤，主要是：1)将木质素粉末(硫酸盐木质素或有机溶剂木质素)添加并且搅拌到PPG或PEG中；2)在真空下在60℃-150℃下除去混合物中的水持续若干小时；3)将经脱水的木质素悬浮液缓慢计量添加并且搅拌到异氰酸酯中，在80℃下加热并且在80℃-120℃下保持2小时以完成反应。含有木质素的预聚物混合物的粘度在很大程度上取决于木质素类型以及多异氰酸酯结构。在50℃下储存60天后，预聚物混合物未转化成凝胶，这指示所述预聚物混合物十分稳定。通过将木质素基异氰酸酯预聚物混合物与含有发泡剂、催化剂、表面活性剂、扩链剂、交联剂和其他添加剂(诸如阻燃剂)的多元醇混合产生聚氨酯泡沫。
专利申请WO 2011/097719描述了一种用于制备粘合剂(木质素基异氰酸酯粘合剂和木质素基苯酚-甲醛树脂)的方法。对于木质素基异氰酸酯粘合剂，将粉末木质素溶解在溶剂(例如，丙酮)中，添加MDI，并且经由真空蒸馏除去大部分溶剂。也可以将木质素直接与MDI混合。MDI-木质素混合物的粘度取决于混合物中的木质素含量并且随时间增加。
专利申请WO 97/24362公开了一种将木质素掺入多元醇中并且然后与异氰酸酯反应以形成聚氨酯产物的方法。将木质素在搅拌下与聚醚多元醇混合，然后加热至约90℃并且搅拌以改进溶解/分散速率。所得木质素-多元醇溶液可用于通过添加异氰酸酯、催化剂和其他添加剂来制造热固性氨基甲酸酯零件、刚性泡沫、或涂料。
专利申请CN 104449501公开了包含0％-90％糠醛、0％-70％木质素和10％-100％多异氰酸酯，优选5％-75％糠醛、5％-50％木质素和20％-90％多异氰酸酯的木材胶粘剂配制品。用70％-40％糠醛/10％-40％木质素/20％pMDI在150℃下180秒制造的2层胶合板具有在干条件和湿条件(在48小时浸泡后)下与通过使用苯酚-甲醛树脂制备的胶合板可比较的剪切强度。
专利申请CN 104449528 A开发了含有木质素的胶粘剂，其包含20％-25％木质素、50％-60％甲苯二异氰酸酯、10％-12％增稠剂(诸如松香)和水。
美国专利3,072,634描述了通过在有/无溶剂的情况下在从75℃至110℃的范围内的温度下使异氰酸酯(诸如异氰酸丁酯、异氰酸苯酯)与木质素(诸如引杜林(Indulin)A)反应而获得的异氰酸酯-木质素产物。
美国专利3,577,358开发了生产用于塑料、胶粘剂、柔性和刚性泡沫的木质素-异氰酸酯的方法。他们使用了将木质素引入异氰酸酯中的若干种方法：1)将木质素溶解在溶剂(诸如1，4-二噁烷、二甘醇单月桂酸酯)中，然后与多异氰酸酯(诸如二苯基甲烷-4，4'-二异氰酸酯(MDI)、80％的2，4-甲苯二异氰酸酯/20％的2，6-甲苯二异氰酸酯(TDI)在升高的温度下并且在有/无催化剂(诸如三乙醇胺)的情况下反应；2)将木质素分散在聚亚烷基二醇(例如，平均MW为400的聚乙二醇)、混合聚丙-乙二醇)中，并且然后与多异氰酸酯(诸如二苯基甲烷-4，4'-二异氰酸酯、80％的2，4-甲苯二异氰酸酯/20％的2，6-甲苯二异氰酸酯)反应；以及3)将木质素直接分散在多异氰酸酯(诸如80％的2，4-甲苯二异氰酸酯和20％的2，6-甲苯二异氰酸酯)中，并且然后在升高的温度下反应(例如，在70℃下10分钟或在120℃下7分钟)。
Glasser等人(1982)“Hydroxy Propylated Lignin-Isocyanate Combinationsas Bonding Agents for Wood and Cellulosic Fibers”，The Journal of Adhesion，14：3，233-255，公布了涉及羟基丙基化木质素(硫酸盐木质素和蒸汽爆炸木质素)和异氰酸酯的组合在颗粒板制造中作为木材胶粘剂的用途的研究工作。他们显示，用经改性的木质素替代25wt％的pMDI时，弯曲强度从约1300psi至约550psi下降了大于50％。
最近，美国专利9,598,529公开了木质素基聚氨酯产品的生产。在第一步骤中，将木质素与异氰酸酯混合。取决于最终产品，可以添加其他添加剂，诸如阻燃剂、起泡剂、多元醇、表面活性剂、催化剂和发泡剂。为了制造木材复合材料，采取几个步骤：1)将经干燥的木质素和异氰酸酯以按重量计1∶2的比率混合；2)将混合物以1∶2的重量比率添加到木材颗粒中；3)将所得的木材颗粒和异氰酸酯-木质素的混合物在压机中模制并且在烘箱中在70℃下保持过夜；4)在冷却至室温后，从压机中释放出木材复合材料。
因此，过去已进行了若干次尝试以将木质素掺入多异氰酸酯中以制造聚氨酯产品。然而，上面描述的大多数方法具有一个或多个缺点，所述缺点使它们无法进入商业阶段。此类缺点包括但不限于：1)在将有机溶剂用于木质素和异氰酸酯的混合/分散的情况下，必须制定规定以除去和回收溶剂-这使得此类方法十分昂贵，其中另外，所得混合物可能仍需要进一步混合；2)在与多异氰酸酯混合之前将木质素溶解/分散到聚酯多元醇或聚醚多元醇中的情况下，所得混合物的稳定性似乎受到限制；以及3)在将木质素直接溶解/分散到多异氰酸酯中的情况下，这种方法的适用性似乎仅限于聚氨酯泡沫。另外，在此类情况下，木质素-异氰酸酯混合物不是非常稳定的，并且粘度达到非常高的水平，尤其是在混合物中木质素含量高(按重量计20％-30％)的情况下。结果，一旦添加到纤维或木材配料中，它可以过早并且不均匀地聚合，从而导致堵塞和其他问题，尤其是在升高的温度下。
异氰酸酯(包括pMDI)是一类具有一些最多样工业应用的化学物。当允许它们与多元醇反应时，形成聚氨酯产物，诸如聚氨酯胶粘剂、聚氨酯泡沫等。多元醇可以是分子结构中含有羟基的任何化学物，诸如乙二醇、糖、木质素、纤维素等。甚至水也可以被认为是多元醇。
异氰酸酯还可以经由二聚作用与自身反应以形成尿丁啶二酮(uretidinedione)(二聚体)，经由三聚作用与自身反应以形成异氰脲酸酯(三聚体)，形成碳二亚胺等。二异氰酸酯(诸如MDI)反应通常比单异氰酸酯反应复杂得多。
因此，仍然需要提供将木质素掺入木质纤维素材料中的方法，使得能够用含有异氰酸酯的木材胶粘剂制造木质素基木质纤维素材料面板(诸如木材复合材料面板和其他产品)，而没有在现有技术中遇到的问题。
发明内容
提供了一种生产木材产品的方法，其包括：将木材材料与木质素、异氰酸酯或其他胶粘剂和部分蜡或无蜡共混，产生树脂化材料；从所述树脂化材料形成垫；以及在升高的温度下压缩或模制所述垫，产生木材产品。
在实施方案中，首先将所述木材材料和木质素在共混器中共混，产生木材材料-木质素混合物；使所述木材材料-木质素混合物流入蒸煮器中，压缩所述木材材料-木质素混合物；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。
在另一个实施方案中，本文描述的方法包括：通过塞式螺杆将所述木质素掺入所述木材材料中，产生木材材料-木质素混合物；使所述木材材料-木质素混合物流入蒸煮器中，压缩所述木材材料-木质素混合物；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。
在实施方案中，使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中，其中掺入所述木质素，产生压缩木材材料-木质素混合物；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。
在另外的实施方案中，使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料；将所述木质素掺入所述压缩木材材料中，产生压缩木材材料-木质素混合物；精制所述压缩木材材料-木质素混合物，产生精制纤维；以及将所述精制纤维与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。
在实施方案中，使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料；精制所述压缩木材材料，产生精制纤维；将所述木质素通过吹制线(blow-line)掺入所述精制纤维中，产生精制纤维-木质素混合物；将所述精制纤维-木质素混合物与异氰酸酯和部分蜡或无蜡共混，产生所述树脂化材料。
在另一个实施方案中，使所述木材材料流过塞式螺杆，压缩所述木材材料；使所述压缩木材材料流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材材料；精制所述压缩木材材料，产生精制纤维；将所述精制纤维共混到所述异氰酸酯和部分蜡或无蜡中，产生精制纤维-异氰酸酯的混合物；将所述精制纤维-异氰酸酯混合物干燥；以及将木质素共混到所述精制纤维-异氰酸酯混合物中，产生所述树脂化材料。
在实施方案中，所述压力蒸汽的温度在130℃-190℃之间。
在另一个实施方案中，所述木材材料是木材碎屑或木材锯屑。
在另外的实施方案中，所述木材产品是绝缘板和/或模制产品。
在另一个实施方案中，所述木材产品是低密度绝缘板、中密度纤维板(MDF)、高密度纤维板(HDF)、纤维基绝缘板、纸产品、或非木材木质纤维素板。
在另一个实施方案中，所述木材产品是颗粒板(PB)、定向刨花板(OSB)、树皮板、或非木材木质纤维素板。
在实施方案中，所述木质素呈粉末形式或呈悬浮液。
在另外的实施方案中，所述木质素是硫酸盐木质素、苏打木质素、水解木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂木质素、二噁烷酸解木质素、碾磨木材木质素、或克拉松木质素。
在另一个实施方案中，其中所述木材材料呈木材颗粒的形式，并且所述木材胶粘剂是脲-甲醛树脂或苯酚-甲醛树脂或异氰酸酯树脂以生产颗粒板。
在实施方案中，所述木材材料呈木条的形式，其中所述单独的条带是约2.0-2.5cmx 10-15cm，并且所述木材胶粘剂是苯酚-甲醛树脂或异氰酸酯树脂以生产OSB面板。
还提供了一种生产木材产品的方法，其包括：在共混器中将木材碎屑与木质素共混，产生木材碎屑-木质素混合物；使所述木材碎屑-木质素混合物流过塞式螺杆，压缩所述木材碎屑-木质素混合物；使所述压缩木材碎屑-木质素混合物流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材碎屑-木质素混合物；精制所述压缩木材碎屑-木质素混合物，产生精制纤维；向所述精制纤维中添加异氰酸酯和部分蜡或无蜡，产生异氰酸酯-精制纤维的混合物；将所述异氰酸酯-精制纤维的混合物干燥，产生干树脂化纤维；从所述干树脂化纤维形成垫；以及压缩或模制所述垫，产生所述木材产品。
在另一个实施方案中，一种生产木材产品的方法，其包括：将木材碎屑与木质素共混；使所述木材碎屑和木质素混合物流过塞式螺杆并且压缩所述木材碎屑和木质素，产生压缩木材碎屑-木质素混合物，使所述压缩木材碎屑-木质素混合物流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材碎屑-木质素混合物，精制所述压缩木材碎屑-木质素混合物，产生精制纤维；向所述精制纤维中添加异氰酸酯和部分蜡或无蜡，产生异氰酸酯-精制纤维的混合物；将所述异氰酸酯-精制纤维的混合物干燥，产生干树脂化纤维；从所述干树脂化纤维形成垫；以及压缩或模制所述垫，产生所述木材产品。
在另一个实施方案中，一种生产木材产品的方法，其包括：将木材碎屑共混；使所述木材碎屑流过塞式螺杆并且压缩所述木材碎屑；使所述压缩木材碎屑流入蒸煮器中，其中掺入所述木质素，产生压缩木材碎屑-木质素混合物；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材碎屑-木质素混合物；精制所述压缩木材碎屑-木质素混合物，产生精制纤维；向所述精制纤维中添加异氰酸酯和部分蜡或无蜡，产生异氰酸酯-精制纤维的混合物；将所述异氰酸酯-精制纤维的混合物干燥，产生干树脂化纤维；从所述干树脂化纤维形成垫；以及压缩或模制所述垫，产生所述木材产品。
还提供了一种生产木材产品的方法，其包括：将木材碎屑共混；使所述木材碎屑流过塞式螺杆并且压缩所述木材碎屑；使所述压缩木材碎屑流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材碎屑并且随后将所述木质素掺入所述压缩木材碎屑中，产生木材碎屑-木质素混合物；精制所述压缩木材碎屑-木质素混合物，产生精制纤维；向所述精制纤维中添加异氰酸酯和部分蜡或无蜡，产生异氰酸酯-精制纤维的混合物；将所述异氰酸酯-精制纤维的混合物干燥，产生干树脂化纤维；从所述干树脂化纤维形成垫；以及压缩或模制所述垫，产生所述木材产品。
还提供了一种生产木材产品的方法，其包括：将木材碎屑共混；使所述木材碎屑流过塞式螺杆并且压缩所述木材碎屑；使所述压缩木材碎屑流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材碎屑；精制所述压缩木材碎屑，产生精制纤维；将所述木质素通过吹制线掺入所述精制纤维中，产生精制纤维-木质素混合物；向所述精制纤维-木质素混合物中添加异氰酸酯和部分蜡或无蜡，产生异氰酸酯-精制纤维的混合物；将所述异氰酸酯-精制纤维的混合物干燥，产生干树脂化纤维；从所述干树脂化纤维形成垫；以及压缩或模制所述垫，产生所述木材产品。
在另外的实施方案中，提供了一种生产木材产品的方法，其包括：将木材碎屑共混；使所述木材碎屑流过塞式螺杆并且压缩所述木材碎屑；使所述压缩木材碎屑流入蒸煮器中；通过注射压力蒸汽蒸煮所述压缩木材碎屑；精制所述压缩木材碎屑，产生精制纤维；向所述精制纤维中添加异氰酸酯和部分蜡或无蜡，产生异氰酸酯-精制纤维的混合物；将所述异氰酸酯-精制纤维的混合物干燥，产生干树脂化纤维；将木质素共混到所述干树脂化纤维中，产生树脂化材料；从所述干树脂化材料形成垫；以及压缩或模制所述垫，产生所述木材产品。
在实施方案中，还提供了一种通过本文描述的方法生产的木质纤维素材料。
附图说明
现在将参考附图。
图1在(A)中呈现了用于使用pMDI生产纤维板的已知方法；在(B)中呈现了根据本公开的实施方案的用于生产纤维板的方法；在(C)中呈现了用于生产颗粒板或OSB的已知方法；并且在(D)中呈现了根据本公开的另一个实施方案的用于生产颗粒板或OSB的方法。
图2展示了压制循环图。
具体实施方式
根据本公开，提供了木质素-异氰酸酯木材产品，其组成、制备和结合。
本文公开了木材组合物和用于制造木材组合物的方法以及木材产品。
本文描述的木材组合物包含衍生自多种天然资源的木质素、含有两个或更多个异氰酸酯官能团的异氰酸酯化合物、和合适的分散剂。可以添加其他材料作为催化剂以促进所描述的组合物中的异氰酸酯和聚氨酯反应。“木质素”通常是指一组赋予植物材料强度和刚度(rigidity)的酚类聚合物。木质素是复杂的聚合物并且倾向于以上义术语被提及。木质素可以包括以下中的任何一种或多种：若干种可能的工业木质素制备物，诸如硫酸盐木质素、硫酸盐制浆过程的副产物、苏打木质素、苏打制浆过程的副产物、木质素磺酸盐、亚硫酸盐制浆过程的副产物，以及有机溶剂木质素、生物乙醇和/或其他溶剂过程的副产物，以及其他木质素制备物，诸如二噁烷酸解木质素、碾磨木材木质素、克拉松木质素(klasonlignin)等。还如本文所用的木质素还涵盖通过对木质纤维素材料(例如，木材)进行化学、热化学或酶处理以产生糖基化学物和木质素而产生的其他酚类聚合物。一个这样的例子是通过美国专利申请2011/0143411中描述的方法生产的水解木质素，所述方法涉及木材的碱处理、盘精制和所得生物质的酶处理以分解木材配料的碳水化合物部分。此方法的残留生物质大部分由木质素和化学和/或物理上附接于所述木质素的碳水化合物构成。
“木质素组分”表示任何含有木质素的材料。木质素组分可以衍生自工业木质素制备物或其他木质素制备物，其源自于可再生资源、尤其源自于木质纤维素材料。木质素组分可以是材料或组合物，其中掺入了经改性、处理或纯化部分的木质素，诸如丙氧基化木质素。
如本文所描述，木质素用于通过取决于最终产品使用根据本文描述的实施方案的新颖方法制备纤维产品(例如，中密度纤维板(MDF)、高密度纤维板(HDF)、纤维基绝缘板和潜在地纸产品)以及木材产品诸如颗粒板(PB)和定向刨花板(OSB)等(树皮板、非木材木质纤维素板)。因此，本文描述的方法不基于将木质素与溶剂和/或异氰酸酯混合，这需要泵、罐和混合器来制备溶液/混合物并且可能导致若干问题，诸如：在木质素溶解于多元醇的情况下的高粘度；在制备木质素-异氰酸酯混合物的情况下，由于混合物的高粘度及其潜在的预聚合作用(更特别地，在将混合物添加到用于制造MDF的吹制线中的过程中)，泵送和堵塞问题；和由于木质素中的水分和木质素本身与异氰酸酯随时间反应而导致的短的混合物保质期。
因此，提供了一种通过在生产中密度纤维板(MDF)、颗粒板、OSB板和/或其他木材产品的不同阶段而不是作为木材胶粘剂的整合配制品(诸如木质素-pMDI络合物)掺入木质素来改进此类面板或木材产品的特性(诸如耐水性和尺寸稳定性)的方法。在施用木质素和木材胶粘剂并且将其与木质纤维素材料混合以形成均匀的树脂化木质纤维素材料之前，避免木质素与木材胶粘剂(诸如pMDI)之间的直接反应或聚合。此类反应应在形成树脂化木质纤维素材料垫之后以及在升高的温度下在压机中进行垫压制期间发生。本文涵盖的木材产品不需要现有技术中发现的任何其他胶粘剂(例如，环氧化物)；
对于纤维板制造的干法过程，可以在过程的不同位置处掺入木质素：1)在过程开始时，通过在精制器之前与诸如木材碎屑或锯屑的原料共混以通过木质素改性纤维，从而导致对pMDI树脂和/或蜡的要求降低。使用本文描述的方法用木质素改性木材纤维有助于在纤维板(例如，MDF)和/或低密度绝缘板的制造中为节省化学物(例如，pMDI和蜡)创造若干新的机遇。本文描述的方法还可适用于其他树脂体系(除了pMDI以外)，例如像苯酚-甲醛和/或脲-甲醛树脂体系以降低蜡消耗。2)也可以将木质素在原料料箱进料器与塞式螺杆之间掺入。3)也可以将木质素直接掺入蒸煮器中。4)也可以将木质素在蒸煮器与精制器之间掺入。5)也可以将木质素在精制器后的吹制线处掺入。最后6)也可以将木质素在干燥过程结束时掺入到经干燥的纤维中。将pMDI树脂与湿纤维一起施用于吹制线，并且将树脂化纤维在闪蒸管干燥器处干燥。然后收集经干燥的树脂化纤维，并且然后形成树脂化纤维垫并且然后将其在升高的温度下用压机压制成板。还涵盖的是将pMDI树脂施用于经干燥的纤维。然后形成树脂化纤维垫，并且然后将其在升高的温度下用压机压制成纤维板以达到目标密度。对于OSB的制造，从去皮的木材原木制备约1.5-2.5cm乘10-15cm的条带或薄片，并且将其干燥至所需的水分含量。在室温下将木质素(呈悬浮液或粉末的形式)与木材条带或薄片一起掺入旋转式共混器中，然后将其他添加剂和pMDI经由旋转盘以所需的量引入所述共混器中。然后形成树脂化条带垫，并且在升高的温度下将所述垫压制成OSB板以达到目标密度。
颗粒板过程与OSB过程相似。原料是木材颗粒，而不是条带。通常在表层中使用细颗粒，而在芯层中使用粗颗粒。如与在OSB过程中类似地，木质素将在共混器中掺入木材颗粒中。将pMDI在共混器中经由空气加压喷嘴共混到木材颗粒中。然后，以一定的表层与芯层与表层的重量比率，将树脂化木材颗粒垫形成三层夹心结构，并且然后在升高的温度下将所述垫压制成板以达到目标密度。可以使用木材颗粒制造均匀的颗粒板。
在这些情况下，当将木质素和pMDI单独地引入制造过程中时，不形成木质素和pMDI的低聚物或预聚物。木材可以呈不同的形式(诸如木材纤维、木材颗粒、木材薄片等)，取决于树脂化纤维或薄片或颗粒的制造过程和产品(例如，纤维板、颗粒板、OSB等)。可能存在一小部分直接接触的木质素和pMDI，并且他们可能具有或可能不具有在木质素与pMDI之间的反应，因为木质素需要与水竞争来与pMDI反应。在木质素、pMDI和水分的重量比率为3％wt∶3％wt∶8％wt的情况下，木质素中的-OH基团∶pMDI中的NCO基团∶水分中的OH基团的比率将为1.0-1.5∶2.0∶83。如果仅一小部分木质素与pMDI接触，则木质素与pMDI之间发生反应的机会将甚至更低。在没有催化剂的情况下，在室温下pMDI中的NCO基团与木质素和水分中的OH基团的反应将是低的。这表明在压制之前，在树脂化材料中，木质素和pMDI的低聚物或预聚物的形成机会将十分低。在升高的温度下，所有反应都加速。
更特别地，如图1A中所描绘，为了生产例如纤维板，将木材碎屑10沉积在料箱12中，其中使用压缩木材碎屑的双螺杆14和/或塞式螺杆16来控制木材碎屑从料箱12流向蒸煮器18的流速。在蒸煮器18中添加蒸汽允许稳定地调理待加工的木材碎屑。然后将经加工的木材碎屑排放到精制器20中以进行精制，从而产生精制纤维。然后将精制纤维通过吹制线22导入，在闪蒸管干燥器24和干燥器26中干燥，以产生干树脂化纤维。如本领域中已知，通常将pMDI和蜡直接添加到吹制线22中，并且然后由从干树脂化纤维形成垫28并且压缩30以产生面板32，诸如MDF面板。
根据一个实施方案，为了避免木质素与异氰酸酯的预混合和预聚合/反应，如图1B所示，在共混器11中将木质素直接添加到木材碎屑10(对于MDF)、木条(对于OSB)、木材颗粒(对于颗粒板)、或木材纤维(对于木材纤维基绝缘板)中。湿木质素和干木质素都可以使用，因为木质素以浆料形式添加到木材碎屑、木条、木材颗粒或木材纤维(对于绝缘板是后一种情况)中。可选地，也可以将木质素在料箱12与塞式螺杆16或双螺杆之间的位置处进料，使得其与木材碎屑一起进料到蒸煮器18中或在精制器20之前进料。根据大多应用于MDF的另一个实施方案，在精制和干燥过程之后并且更具体地在旋风干燥器26中添加木质素。这种方法避免了由于木质素-异氰酸酯混合物的高粘度以及在将pMDI与木质素并行添加到吹制线中时两者预反应而导致的堵塞问题。
因此，在MDF的情况下，可以将木质素例如添加到木材碎屑10中，同时将异氰酸酯(pMDI)照例-在吹制线22中(精制后)-添加到含有木质素的木材纤维中。这种方法不仅允许替代显著部分的异氰酸酯，而且由于木质素的疏水特性，它还允许替代显著量的石蜡，通常将石蜡添加到木材纤维中以增加其疏水性并且最终改进pMDI和/或其他胶粘剂配制品的反应性。
根据大多应用于MDF的另一个实施方案，在精制和干燥过程之后并且更具体地在旋风干燥器26中添加木质素。这种方法避免了由于木质素-异氰酸酯混合物的高粘度以及pMDI与木质素在吹制线中的预反应而导致的堵塞问题。
如图1C中所见，用于生产颗粒板和OSB的已知方法通常是通过将木材碎屑或颗粒40干燥至目标水分42开始的。然后将经干燥的木材碎屑或颗粒与蜡、pMDI和水共混44，以这样的方式从而产生树脂化材料46。如上文针对纤维板过程所描述的，从树脂化材料46形成垫48，并且将其压缩52以产生面板52，诸如OSB或颗粒板面板。如本文所涵盖的，也可以将木质素悬浮液或粉末单独地而不是作为预混合的pMDI-木质素混合物掺入共混器44中(参见图1D)。使用这种方法，可以实现蜡和pMDI的量降低，而不负面地影响最终板/面板52的特性。
因此，本文公开了通过在升高的温度和蒸汽压力下的机械精制将木质素与木材和/或其他木质纤维素材料共混的新颖方法，所述机械精制可以有效地软化木质素(通过达到或超过其玻璃化转变温度)，从而允许木质素成功地且均匀地粘附到木材纤维和/或木材颗粒上。作为这种方法的结果，证明了可以在MDF生产中使用经洗涤的硫酸盐木质素(在其他方面称为低残留含量(LRC木质素))完全或部分地替代蜡，并且具有部分地替换pMDI胶粘剂树脂的潜力。特此公开了通过使用机械精制来用木质素改性木材纤维特性的方法。
因此，描述了一种生产纤维产品或木材产品的方法，其导致所需的蜡和/或异氰酸酯的量降低。
因此，本发明提供了一种新颖方法，所述方法用于通过在升高的温度和压力下的机械精制来通过木质素改性木质纤维素材料，从而赋予木质纤维素纤维材料改进的特性，所述木质纤维素纤维材料适合于制造新的或改进的纤维产品，诸如中密度纤维板、绝缘板、模制纤维制品、新等级的纸和包装产品等。具体地，提供了一种新颖方法，所述方法用于在MDF的生产中掺入经洗涤的硫酸盐木质素(LRC木质素)以替代蜡以用于面板产品的尺寸稳定性和/或部分地替换胶粘剂树脂以节省成本。还涵盖了将这些应用扩展到在对高残留有机物和/或无机物含量不敏感的领域(例如，用于汽车应用等的木材纤维和聚酯纤维的混合物的模制品)中未经洗涤的硫酸盐木质素(在其他方面称为高残留含量(HRC木质素)或经部分洗涤的硫酸盐木质素(在其他方面称为中等残留含量(MRC木质素)。
通过参考以下实施例将更容易理解本公开。
实施例I
颗粒板的制造
从Huntsman获得1840。这是具有轻微芳香气味的呈深棕色液体形式的聚合物二苯基甲烷二异氰酸酯(pMDI)。NCO含量为约30％。
从加拿大安大略省桑德贝的FPInnovations木质素示范工厂获得软木硫酸盐木质素(特此称为KL)。使用LignoForceTM方法从来自加拿大西部磨机(Westem Canadian mill)的黑液制备用于这项工作的木质素。作为LignoForce方法的一部分，将这种木质素用硫酸和水充分洗涤以产生残留有机物和无机物含量低的木质素，特此称为低残留含量(LRC)木质素。15％固体的这种木质素水性悬浮液具有约2.5-3.0的pH。为了将这种木质素的pH调节至更高水平，如下处理这种木质素：a)将木质素分散在水中以制备20wt％木质素悬浮液；b)使用50％氢氧化钠溶液将pH调节至6-6.5；c)将木质素悬浮液过滤以除去过量的水和碱；d)将木质素饼干燥直到水分含量为约5wt％；e)将木质素使用Wiley磨机研磨并且通过100目筛(149微米)。
从工业伙伴获得丙氧基化软木硫酸盐木质素(特此称为OL)。将这种木质素使用Wiley磨机研磨，通过100目筛(149微米)，干燥直到水分含量≤0.5％，冷却并且保持在良好密封的容器中以备进一步使用。表1中列出了丙氧基化木质素的化学组成和其他特征。
表1
丙氧基化木质素的化学组成和特征
STEPANPOL PS-2352(来自Stepan Company)是具有出色纯度和低粘度的芳族聚酯多元醇。聚酯多元醇含量在60％-85％的范围内，并且二甘醇含量为10％-20％。羟基值为230-250mg KOH/g。在77°F(25℃)下的比重为1.19。
聚乙二醇400(下文称为PEG400)是分子量为400的聚乙二醇。
聚乙二醇200(下文称为PEG200)是分子量为200的聚乙二醇。
实验1.在颗粒板制备中通过溶解在多元醇中或与木材颗粒一起捣入来添加硫酸 盐木质素
基于图1C和图1D所指示的过程制造颗粒板面板。下表2中呈现了颗粒板面板的制造条件：
表2
用于颗粒板制造的条件
表3中列出了所使用的配制品。
表3
用于样品I-1至I-9的木材胶粘剂配制品
对于所有面板制造，掺入添加剂的顺序如下：1)装载乳液蜡，2)装载多元醇或多元醇与木质素，3)装载木质素(如果需要)，和4)装载pMDI。
下表4中呈现了颗粒板的挠曲特性、内部结合、24h厚度膨胀率和吸水率特性：
表4
颗粒板的评估(样品I-1至I-9)
木材胶粘剂在木材颗粒中的分布对面板性能具有显著影响。通常，用于颗粒板的木材胶粘剂的粘度在25℃下为小于1000cps。如果胶粘剂的粘度高，则人们可以将木材胶粘剂的温度升高至30℃或40℃以将其降低至合理的水平。聚酯多元醇PS 2352具有高粘度(在25℃下2000-4500cps)。PEG 400的粘度在20℃下为120cps。PEG 200的粘度在20℃下为60cps。当将木质素添加到多元醇(例如，PEG 200、PEG 400或PS 2352)中时，混合物的粘度急剧增加。高的混合物粘度(例如，样品编号I-2、I-4、I-5、I-6、I-7)通常导致多元醇在木材表面上的分布不均匀，并且因此多元醇与pMDI相遇并且反应的机会较小。以粉末形式捣入木质素可以避免具有木质素在多元醇中和/或木质素在异氰酸酯中的高粘度混合物，并且因此木质素可以很好地分布在木材表面上。如表4中所见，关于包括MOR、MOE、TS、WA和IB的大部分特性，其中木质素与木材颗粒一起捣入的样品编号I-8和I-9显示出与对照样品编号I-1可比较的性能。
实验2.在颗粒板制备中通过与木材颗粒一起捣入来添加硫酸盐木质素(KL)或丙 氧基化硫酸盐木质素(OL)
在与样品I-1至I-9相同的条件下制造更多颗粒板，但是在所研究的任何情况下，均不将木质素与多元醇预混合。将木质素以粉末形式直接添加到共混器中，并且与木材颗粒一起捣入。使用两种木质素：1)KL和2)OL。表5中列出了胶粘剂剂量信息和混合后木材的水分。
表5
用于颗粒板制造的配制品
*基于烘箱干燥木材质量，**木材与胶粘剂的混合物
对于所有面板制造，掺入添加剂的顺序如下：1)装载乳液蜡，2)捣入木质素，和3)添加pMDI。表6中列出了所制造的颗粒板面板的特性。
表6
颗粒板面板的评估(样品I-10至I-15)
如表6中所见，关于包括MOR、MOE、TS、WA和IB的大部分特性，其中木质素与木材颗粒一起捣入并且胶粘剂中的木质素部分不超过所使用的总胶粘剂的25 wt％的样品编号I-10至I-14显示出与对照样品编号I-1可比较的性能。
实验3.以水性分散体形式向木材颗粒中添加硫酸盐木质素
如样品I-1至I-9那样制造另外的颗粒板面板，但是首先将木质素分散在水中以具有15％-20％水性分散体并且然后使用共混器将其与木材颗粒混合，如图1D中所指示。所使用的木质素是来自TMP-Bio过程的未经洗涤的水解木质素(H-木质素)。表7中列出了胶粘剂剂量信息和混合后木材的水分。
表7
用于颗粒板制造的配制品
*基于烘箱干燥木材质量
对于面板制造，掺入添加剂的顺序是：1)装载乳液蜡，2)添加木质素悬浮液和3)添加pMDI。表8中列出了所制造的颗粒板面板的特性。
表8
颗粒板的评估(样品I-16至I-19)
如表8中所见，关于包括MOR、MOE、TS、WA和IB的大部分特性，其中木质素作为15wt％-20wt％悬浮液添加并且胶粘剂中的木质素部分不超过所使用的总胶粘剂的20wt％的样品编号I-17和I-18显示出与对照样品编号I-16可比较的性能。
实施例II
中密度纤维板(MDF)的制造
从Huntsman获得1840。这是具有轻微芳香气味的呈深棕色液体形式的聚合物二苯基甲烷二异氰酸酯(pMDI)。NCO含量为约30wt％。
从加拿大安大略省桑德贝的FPInnovations木质素示范工厂获得软木硫酸盐木质素(特此称为KL)。使用LignoForceTM方法从来自加拿大西部磨机(Westem Canadian mill)的黑液中制备用于这项工作的木质素。作为LignoForce方法的一部分，将这种木质素用硫酸和水充分洗涤以产生残留有机物和无机物含量低的木质素，特此称为低残留含量(LRC)木质素。15％固体的这种木质素水性悬浮液具有约4.0-5.5的pH。
实验4.在注射到吹制线中之前将硫酸盐木质素添加到pMDI中
在此实验中，使用KL替代10wt％和15wt％的pMDI，并且在注射到吹制线中之前将木素与pMDI混合(如图1A所展示)。表13中示出了树脂剂量和胶粘剂添加速率。木质素的水分含量为约5wt％。
表9
用于MDF制造的树脂剂量(样品II-1和II-2)
表10中示出了用于MDF面板制造的条件。
表10
MDF面板制造条件
然而，在此试验中，在注射木质素-pMDI混合物几分钟后，吹制线的注射口被堵塞。这指示木质素可能已与pMDI反应并且在70℃-80℃下在短的时间段内胶凝。这也可能归因于木质素中的水分和/或木质素-pMDI混合物的高粘度。此实验非常清楚地证明，在注射到MDF制造过程中之前将木质素直接与pMDI混合将不导致用于将木质素引入此类过程中的技术上和商业上可行的方法。
实施例III
在MDF生产中用硫酸盐木质素部分地替代蜡和pMDI胶粘剂树脂
从Huntsman获得1840。这是具有轻微芳香气味的呈深棕色液体形式的聚合物二苯基甲烷二异氰酸酯(pMDI)。NCO含量为约30wt％。
木材原料是来源于加拿大魁北克的SPF木材碎屑。木材碎屑的稠度为约50％。获得并且使用约250kg木材(基于干重)。
木质素是呈细粉末形式的LignoForceTM软木LRC硫酸盐木质素。出于替换pMDI树脂固体含量的目的，确定此木质素的水分含量。
从魁北克省潘特克莱尔(Pointe-Claire)的FPInnovations获得水解木质素(下文称为H-木质素)。此木质素是使用美国专利号9,580,454中描述的TMP-Bio方法生产的。所收到的H-木质素是未经洗涤的H-木质素和经洗涤的H-木质素，呈通过60筛的筛网的粉末的形式。在与木材碎屑混合之前，将其分散在水中以制备15wt％-20wt％水性分散体。
使用乳液蜡。乳液蜡的pH为8.25-9.25。固体含量为约58％。比重为约1.0。
实验5.在MDF制造过程的精制器之前将硫酸盐木质素添如到木材碎屑中
将每批木材碎屑与计算量的水、E-蜡和来自工业供应商的LignoForceTM软木LRC硫酸盐木质素预混合。测量所得木材/木质素/蜡混合物以获得其水分含量。经研磨的木质素的水分含量为28.7％。木材碎屑的稠度为约50％。用旋转盘喷雾乳液蜡。将木质素浆料倒入在OSB共混器内的木材碎屑中并且混合几分钟。表11中列出了配制品。
表11
化学配制品
对于纤维精制，装载原料并且将其在蒸汽压力下调理以达到目标温度。表12中列出了精制条件。目标干木材纤维流量为25kg/h。
表12
精制过程条件
一旦精制过程稳定(树脂共混)，就经由吹制线注射pMDI树脂。每种共混物的批量大小为约50kg(OD基准)。
将精制和树脂化的纤维通过闪蒸管干燥器干燥至约8％的目标水分含量。通过调节干燥器的入口温度实现纤维的目标水分含量。
在中试工厂中手工制备纤维垫。将垫热压成3/4”厚的MDF面板。面板尺寸为24”x24”x 3/4”(即，610mm x 610mm x 19mm)。表13中示出了压制操作条件。使用蜡纸作为用于板压制的释放方法。制造总共15个面板(3个面板x 5个过程条件)。进行热IB测试以确保树脂体系的充分固化和足够的板强度以备进一步测试。基于热IB测试结果来确定最终压制循环(如图2中作为例子所展示)。
表13
面板制造过程条件
将所有面板在调理室中在65％相对湿度下在20℃下调理至少三周，以使面板达到平衡水分含量(表14)。
对于每种制造条件生产三个面板，并且根据ASTM D 1037和ANSI A 208.2测试它们的机械和物理特性。在面板上进行的测试包括：平均密度、内部结合强度(IB)、24小时水浸泡后的厚度膨胀率(TS)和吸水率(WA)、MOE/MOR和竖直密度分布(表15-17)。
表14
MDF面板密度
表15
耐水性
1九个(9)试样的平均值
2基于干木材的固体
表16
弯曲强度
1三个(9)试样的平均值
2基于干木材的固体
表17
内部结合强度
1八个(24)试样的平均值
2基于干木材的固体
如表15-17中所见，关于包括TS、WA、MOR、MOE和IB的大部分特性，其中在MDF过程的精制器之前将硫酸盐木质素添加到木材碎屑中并且胶粘剂中的木质素部分不超过所使用的总胶粘剂的25wt％的样品编号III-3至III-5显示出与对照样品编号III-1可比较的性能。
此外，如表15-17中所见，关于包括TS、WA、MOR、MOE和IB的大部分特性，其中在MDF过程的精制器之前将硫酸盐木质素作为蜡的100％替代物添加到木材碎屑中的样品编号III-2显示出与对照样品编号III-1可比较的性能。
实验6.在MDF制造过程的精制器之前将水解木质素添加到木材碎屑中
在不使用旋转盘的情况下，通过OSB旋转共混器将每批SPF木材碎屑与计算量的H-木质素和/或乳液蜡的浆料预混合。浆料中干H-木质素/水的比率为大约1∶4。测量所得木材/木质素/蜡混合物以获得其水分含量。混合物的稠度为约50％。表18中描述了所制备的配制品。
表18
化学配制品
所使用的方法在图1B中示出，其中使用共混器掺入木质素。表19中列出了精制条件。目标干木材纤维流量为40kg/h。以如表18中列出的剂量经由吹制线注射pMDI。将精制和树脂化的纤维通过闪蒸管干燥器干燥至约8％的目标水分含量。通过调节干燥器的入口温度实现纤维的目标水分含量。
表19
精制过程条件
项目
设定点
塞式螺杆速度
12RPM
进料料箱速度
0.8RPM
蒸煮器蒸汽压力
8巴
精制器板间隙
0.1mm
保留时间
2.5min
精制器速度
2000RPM
pMDI负载量
对于不同配制品，参见上表
干燥器温度
110℃
干纤维流速
目标40kg/m3
干燥纤维的目标水分
8％
在中试工厂中手工制备纤维垫。将垫热压成3/4”厚的MDF面板。面板尺寸为24”x24”x 3/4”(即，610mm x 610mm x 19mm)。表20中示出了压制操作条件。面板密度为约700kg/m3。
表20
MDF面板制造的参数
将所有面板在调理室中在65％相对湿度下在20℃下调理至少三周，以使面板达到平衡水分含量。
调理后，根据ASTM D 1037和ANSI A 208.2测试MDF面板以获得其机械和物理特性。面板的测试包括平均密度、内部结合强度(IB)、在24小时水浸泡后的厚度膨胀率(TS)和吸水率(WA)、MOE/MOR。表21-23中列出了所有结果。
表21
内部结合(IB)强度
编号
木质素类型
木质素
pMDI
蜡
密度
IB
％
％
％
kg/m3
MPa
III-6
-
-
3
0.5
700±7
0.38±0.14
III-7
-
-
2.25
0.5
717±10
0.06±0.05
III-8
经洗涤的
1.25
3
0
722±10
0.31±0.16
III-9
经洗涤的
0.75
2.55
0.5
718±10
0.40±0.18
III-10
经洗涤的
1.26
2.25
0.5
729±11
0.36±0.12
III-11
未经洗涤的
2.14
3
0
709±8
0.34±0.07
III-12
未经洗涤的
1.29
2.55
0.5
707±4
0.24±0.15
III-13
未经洗涤的
2.14
2.25
0.5
705±6
0.05±0.03
III-14
未经洗涤的
0.45
2.55
0.5
707±9
0.45±0.11
表22
厚度膨胀率和吸水率
表23
MDF面板的弯曲特性
样品
木质素类型
木质素
pMDI
蜡
密度
MOR
MOE
％
％
％
kg/m3
MPa
MPa
III-6
-
-
3
0.5
704±46
21.9±7.2
2228±331
III-7
-
-
2.25
0.5
718±7
12.9±1.5
2056±66
III-8
经洗涤的
1.25
3
0
713±16
19.1±1.7
2336±197
III-9
经洗涤的
0.75
2.55
0.5
707±18
16.8±1.9
2177±209
III-10
经洗涤的
1.26
2.25
0.5
713±24
15.6±3.4
2131±259
III-11
未经洗涤的
2.14
3
0
699±11
16.8±1.0
2084±117
III-12
未经洗涤的
1.29
2.55
0.5
712±29
18.4±3.7
2285±255
III-13
未经洗涤的
2.14
2.25
0.5
702±8
13.2±1.8
1938±152
III-14
未经洗涤的
0.45
2.55
0.5
714±19
17.0±1.0
2124±98
基于表21-23中出现的结果，可以得出以下结论：
a)其中将pMDI加料量从3wt％降低至2.25％同时将蜡加料量维持在0.5wt％的样品编号III-7在诸如内部结合强度、TS、WA、MOR和MOE的特性方面表现出显著下降
b)关于内部结合强度、TS、WA、MOR和MOE，其中在MDF过程的精制器之前将经洗涤的水解木质素作为蜡的100％替代物添加到木材碎屑中的样品编号III-8显示出与对照可比较的特性。
c)关于包括TS、WA、MOR、MOE和IB的大部分特性，其中在MDF过程的精制器之前将经洗涤的水解木质素添加到木材碎屑中并且木质素对pMDI的替代水平不超过对照实验中所使用的总胶粘剂(3wt％)的25wt％的样品编号III-8至III-10显示出与对照样品编号III-1相比稍差但仍可接受的性能。
d)关于内部结合强度、TS、WA、MOR和MOE，其中在MDF过程的精制器之前将未经洗涤的水解木质素作为蜡的100％替代物添加到木材碎屑中的样品编号III-11显示出与对照相比稍低但仍可接受的特性。
e)关于包括TS、WA、MOR、MOE和IB的大部分特性，其中在MDF过程的精制器之前将未经洗涤的水解木质素添加到木材碎屑中，木质素对MDF的替代水平不超过在对照实验中使用的总胶粘剂(3wt％)的15wt％并且实际木质素添加水平为0.45wt％的样品编号III-14显示出与对照样品编号III-1可比较的性能。此相同的样品证明了优于其中未经洗涤的木质素加料量为1.29wt％的样品III-12的性能以及与其中未经洗涤的木质素加料量为2.14％的样品III-13相比显著优越的性能。从这些数据看出，使用过多未经洗涤的木质素(基于干木材，＞1.29wt％)替代pMDI导致较差的结果。
实验7.重复实验6的大部分以产生更高密度的MDF板(在MDF制造过程的精制器之 前将水解木质素添加到木材碎屑中)
表24中描述了样品代码和所使用的配制品。此实验的所有过程参数与实施例6相同，除了MDF面板的目标密度，其目标为约770kg/m3。表25中列出了所有结果，包括内部结合强度(IB)、在24小时水浸泡后的厚度膨胀率(TS)和吸水率(WA)以及MOE/MOR。
表24
胶粘剂配制品
表25
在实验7中用pMDI和H-木质素制造的MDF面板的物理特性
基于表25中出现的结果，可以得出以下结论：
a)可以确认的是，其中将pMDI加料量从3wt％降低至2.25％同时将蜡加料量维持在0.5wt％的样品编号III-16在诸如内部结合强度、TS和WA的特性方面表现出显著下降
b)可以确认的是，关于内部结合强度、TS、WA、MOR和MOE，其中在MDF过程的精制器之前将经洗涤的水解木质素作为蜡的100％替代物添加到木材碎屑中的样品编号III-17显示出与对照可比较的特性。
c)关于包括TS、WA和IB的大部分特性，其中在MDF过程的精制器之前将经洗涤的水解木质素添加到木材碎屑中并且木质素对pMDI的替代水平不超过对照实验中所使用的总胶粘剂(3wt％)的25wt％的样品编号III-17至III-19显示出与对照编号III-15相似的MOR、MOE，但与对照样品编号III-1相比稍差但仍可接受的性能。
d)关于TS和WA，其中在MDF过程的精制器之前将未经洗涤的水解木质素作为蜡的100％替代物添加到木材碎屑中的样品编号III-20显示出与对照相比良好的内部结合强度，但与对照相比稍低但仍可接受的特性。
实施例IV
在采用脲-甲醛树脂的MDF生产中木质素对蜡的替代
从Hexion获得脲-甲醛(UF)树脂。UF树脂的固体含量为按重量计67％。
所使用的木材原料是来源于加拿大魁北克的SPF木材碎屑。木材碎屑的稠度为约50wt％。
所使用的木质素是呈细粉末形式的LignoForceTM软木LRC硫酸盐木质素。此木质素的固体含量为约85％。使木质素通过60目筛，并且制备15wt％-20wt％木质素水性分散体。
使用乳液蜡。乳液蜡的pH为8.25-9.25。固体含量为约58％。比重为约1.0。
实验8.在MDF制造过程的精制器之前将硫酸盐木质素添加到木材碎屑中
在不使用旋转盘的情况下，使用OSB旋转共混器将每批SPF木材碎屑与计算量的硫酸盐木质素和/或乳液蜡的水性分散体预混合。分散体中木质素的浓度为按重量计15％-20％。木材碎屑和木质素/蜡的混合物的稠度为约50wt％。表26中描述了所制备的配制品。
表26
化学配制品
所使用的方法在图1B中示出，其中使用共混器掺入木质素/蜡。表27中列出了精制条件。目标干木材纤维流量为40kg/h。以如表26中列出的剂量经由吹制线注射UF树脂。将精制和树脂化的纤维通过闪蒸管干燥器干燥至约8wt％的目标水分含量。通过调节干燥器的入口温度实现纤维的目标水分含量。
表27
精制过程条件
项目
设定点
塞式螺杆速度
15RPM
进料料箱速度
0.9RPM
蒸煮器蒸汽压力
8巴
蒸煮器温度
175℃
精制器板间隙
0.1mm
保留时间
2.0min
精制器速度
2000RPM
闪蒸管干燥器设定温度
125℃
UF树脂负载量
基于表29中的干纤维重量，为10％
在中试工厂中手工制备纤维垫。将垫热压成1/2”厚的MDF面板。面板尺寸为28”x28”x 1/2”。表28中示出了压制操作条件。面板密度为约780kg/m3。
表28
MDF面板制造的参数
将所有面板在调理室中在65％相对湿度下在20℃下调理至少三周，以使面板达到平衡水分含量。
调理后，根据ASTM D 1037和ANSI A 208.2测试MDF面板以获得其机械和物理特性。面板的测试包括平均密度、内部结合强度(IB)、在24小时水浸泡后的厚度膨胀率(TS)和吸水率(WA)、MOE/MOR。表29中列出了所有结果。
表29
在实验9中用UF树脂和木质素制造的MDF面板的物理特性
基于表29中出现的结果，可以得出以下结论：
a)当蜡的剂量从0.5wt％降低至0.25wt％或根本不添加时，面板的厚度膨胀率从在0.5％蜡时的34.6％增加至在0.25％蜡时的38.7％，增加至在无蜡时的42.5％，而吸水率从在0.5％蜡时的97.4％增加至在0.25％蜡时的103.6％并且进一步增加至在无蜡时的108.6％。在考虑了测量中的标准偏差之后，在上述三种蜡水平下，各种面板的内部结合强度和弯曲特性无显著差异。
b)用木质素替代蜡(样品IV-4)显示出可比较的厚度膨胀率(在0.5wt％蜡时34.6％的TS相比于在0.65wt％木质素时34.4％的TS)和吸水率(在0.5wt％蜡时97.4％的WA相比于在0.65wt％木质素时96.7％的WA)。内部结合和弯曲特性也是可比较的。这指示对于木材复合材料用木质素替代蜡是可能的。
实施例V
使用木质素强化用pMDI粘合剂制造的定向刨花板(OSB)中的粘附性
使用来自Huntsman的具有轻微芳香气味的呈深棕色液体形式的pMDI。NCO含量为约30wt％。
所使用的木材原料是来源于加拿大魁北克的白杨(aspen)。将商业条筛选至＞1/16英寸并且干燥至约2％的水分含量。
使用了三种类型的木质素：1)呈细粉末形式的LignoForceTM软木LRC硫酸盐木质素(通过100目筛)(下文称为KL)；2)使用如美国专利9,580,454中描述的TMP-Bio方法生产的未经洗涤的水解木质素。所收到的木质素在通过60目筛网后呈粉末形式。将此木质素进一步研磨以通过100目筛(下文称为UHL)；3)使用如美国专利9,580,454中描述的TMP-Bio方法生产的经洗涤的水解木质素。所收到的木质素呈通过60筛的筛网的粉末形式。将木质素进一步研磨以通过100目筛(下文称为WHL)。
使用乳液蜡。乳液蜡的pH为8.25-9.25。固体含量为约58％，并且比重为约1.0。
实验9.在OSB制造中通过与木条一起 捣入来添加呈粉末形式的木质素
下表30中呈现了OSB的制造条件。
表30
实验9中用于OSB制造的条件
将经干燥的木条放置到旋转鼓式共混器中，并且在混合过程中通过旋转盘添加蜡、pMDI和水。将木质素捣入共混器中并且与木条混合。下表31中列出了配制品。
表31
实验9中用于OSB制造的配制品
将OSB面板储存在室中65％RH(相对湿度)下以平衡水分含量。之后，切割OSB面板以评估以下性能参数：内部结合强度(IB)、挠曲特性(MOE、MOR)、厚度膨胀率(TS)和吸水率(WA)。下表32-33中示出了结果。
表32
实验9的OSB面板的IB、TS和WA
1：24个试样的平均值；2：9个试样的平均值
表33
实验9的OSB面板的MOR、MOE
1：6个试样的平均值；2：在煮沸2小时并且在湿状态下测试后，6个试样的平均值
基于表32和33中出现的结果，可以得出以下结论：
a)向配制品中添加木质素，通过降低厚度膨胀率和吸水率来改进OSB的耐水性。对于硫酸盐木质素，厚度膨胀率降低了24.88％(从28.94％降低至21.74％)，对于未经洗涤的水解木质素，降低了34.83％(从28.94％降低至18.86％)，并且对于经洗涤的水解木质素，降低了20.59％(从28.94％降低至22.98％)。对于硫酸盐木质素、未经洗涤的水解木质素和经洗涤的水解木质素，吸水率也分别降低了21.7％、20.9％和11.9％。
b)在添加木质素的情况下改进了在干条件下OSB的挠曲特性：在硫酸盐木质素的情况下为7.4％的MOR改进、在未经洗涤的水解木质素的情况下为14.5％的MOR改进、以及在经洗涤的水解木质素的情况下为12.5％的MOR改进。
c)在煮沸两小时后采用木质素的OSB的挠曲强度略高于对照面板
d)采用木质素的OSB的内部结合强度与对照相比相同或更好。
实验10.在OSB制造中用呈粉末形式的水解木质素部分地替代pMDI
在此实验中，所使用的原料与实验9的原料相似，不同之处在于未经洗涤的水解木质素和经洗涤的水解木质素在施用前通过200目筛。木质素仅施用于夹心OSB面板的面层，而不施用于此类OSB面板的芯层。表34中展示了OSB的制造条件
表34
实验10中用于OSB制造的条件
下表35中展示了配制品。
表35
实验10中用于OSB制造的配制品
1：重量基于烘箱干重。基于木质素中所含的水分含量来调节实际木质素重量。
在达到平衡水分含量之前，切割并且测试OSB面板。在测试过程中测量水分含量，将试样储存在65％RH室中以平衡水分含量，然后进行评估。表36中列出了内部结合强度(IB)、厚度膨胀率(TS)和吸水率。表37中展示了挠曲特性(MOE和MOR)和D4弯曲能力。
表36
实验10的OSB面板的IB、TS和WA
1：9个试样的平均值；2：9个试样的平均值
表37
实验10的OSB面板的MOR和MOE
1：9个试样的平均值；2：9个试样的平均值
表36和37中的结果显示，未经洗涤的水解木质素和经洗涤的水解木质素可以部分地替代OSB的面层中的pMDI，而不负面地影响OSB面板的物理特性。
实验11.在OSB制造中用呈粉末形式的未经洗涤的水解木质素部分地替代pMDI
在此实验中使用商业干白杨条(通过％英寸筛筛选)。使未经洗涤的木质素通过200目筛。下表38中展示了OSB的制造条件。
表38
实验11中用于OSB制造的条件
将经干燥的木条放置在旋转鼓式共混器中。向共混器中添加材料的顺序如下：乳液蜡、水、pMDI粘合剂、和未经洗涤的H-木质素粉末。下表39中列出了所使用的配制品。
表39
实验11中用于OSB制造的配制品
1：重量基于烘箱干重。基于木质素中所含的水分含量来调节实际木质素重量。
表42和43示出了在表38中所示的条件下制造OSB之后以及在使用表39中所示的配制品之后获得的结果。测试的特性包括：内部结合强度(IB)、挠曲特性(MOE和MOR)、厚度膨胀率(TS)和吸水率(WA)、刚度能力(stiffness capacity，El)和最大弯曲力矩(MM)。刚度能力和最大弯曲力矩根据标题为“Performance Standard For Wood Structural-UsePanels[木材结构用面板的性能标准]”的APA PS 2来确定，测试两组试样的El和MM：1)在65％RH室内几周以平衡水分含量之后在干条件下；以及2)在一个水分循环(也称为单循环)后。所述一个水分循环程序如下：1)将试样放置在架上以确保水和空气在试样周围自由移动，2)然后将试样放置在真空压力容器中，然后向所述真空压力容中填充66℃水，3)在容器上在30min内抽50.6kPa的真空，4)然后释放真空，并且允许试样在大气压下浸泡在水中持续30min，5)然后将容器排空，并且在具有风机强制空气循环的烘箱中以45至50次空气替换/分钟在82℃下将试样干燥至少15小时直到达到初始质量，以及然后6)根据适当的测试方法对试样进行干测试。
对于OSB，根据基于ASTM D-3043方法D的原理的方法评估沿着和跨越面板强度轴样品的干弯曲和刚度两者。试样尺寸：115mm宽，510mm长。表40中列出了7/16英寸OSB面板的品质保证值。
表40
7/16英寸PS 2的品质保证值的参考
基于APA PS2，当根据参考测试方法进行测试时，面板必须满足影响胶粘剂结合体系的特性的结合分类性能要求。暴露1OSB-当根据基于ASTM D-3043方法D的原理的方法沿着强度轴在水分循环(单个循环)后测试时，被评级为暴露1的OSB面板必须满足或超过下表41中的标准。
表41
根据PS2中7.16节循环的、根据7.6节沿强度轴测试的OSB的暴露1标准
表42
实验11的OSB结果的IB、TS、WA、MOE和MOR
表43
实验11的OSB结果的MM和El
基于表42和43中出现的结果，可以得出以下结论：
a)与不用木质素制造的对照OSB面板相比，在面层中用pMDI和合适量的未经洗涤的水解木质素制造的OSB面板具有相似或更好的挠曲特性(MOE：在木质素的情况下3894MPa相比于在无木质素的情况下3766MPa；MOR：在木质素的情况下29.3MPa相比于在无木质素的情况下28.4)
b)与不用木质素制造的对照面板相比，在面层中用pMDI和合适量的未经洗涤的水解木质素制造的OSB面板在干条件下和在单循环后具有相似或更好的最大力矩(在干条件下的MM：在木质素的情况下709.9N·mm/mm相比于在无木质素的情况下681.3N·mm/mm；在单循环后的MM：在木质素的情况下503N·mm/mm相比于在无木质素的情况下490N·mm/mm
c)与不用木质素制造的对照面板相比，在面层中用pMDI和合适量的未经洗涤的水解木质素制造的OSB面板在干条件下和在单循环后具有相似或更好的刚度能力(El)(在干条件下的El：在木质素的情况下535N·mm2/mm相比于在无木质素的情况下515N·mm2/mm；在单个循环后的El：在木质素的情况下452N·mm2/mm相比于在无木质素的情况下430N·mm2/mm)
实施例VI
在中密度纤维板(MDF)生产中用木质素部分地替代pMDI
在此实验中，使用来自Huntsman的具有轻微芳香气味的呈深棕色液体形式的pMDI。NCO含量为约30wt％。
所使用的50％云杉和50％松木的商业木材碎屑混合物来源于加拿大艾伯塔省。使用筛网孔尺寸为25.4mm和1.6mm的甲板筛选器筛选木材碎屑。
使用三种木质素：1)呈细粉末形式的LignoForceTM软木低残留含量(LRC)硫酸盐木质素(通过200目筛)(下文称为KL)；2)使用如美国专利9,580,454中描述的TMP-Bio方法生产的未经洗涤的水解木质素。所收到的木质素在通过60目筛网后呈粉末形式。将此木质素进一步研磨以通过200目筛(下文称为UHL)；3)使用如美国专利9,580,454中描述的TMP-Bio方法生产的经洗涤的水解木质素。所收到的木质素在通过60目筛网后呈粉末形式。将此木质素进一步研磨以通过200目筛。将三种木质素(KL、UHL、WHL)中的每一种单独地与水混合以制造15wt％固体分散体，在转鼓式共混器中使用旋转盘式雾化器以8000rpm将所述分散体施用于木材碎屑，所述旋转盘式雾化器用于递送基于木材碎屑重量所需量的木质素(烘箱干燥重量)。
实验12.用未经洗涤的水解木质素、经洗涤的水解木质素和硫酸盐木质素部分地 替代pMDI以制造MDF
将每种木质素类型以0.60wt％和1.05wt％的施用率添加到木材碎屑中。还在未施用木质素的情况下制备木材碎屑对照组。在所有情况下，目标水分含量均为25％。
利用Pallmann PR32精制器(加压精制器系统)在8.0巴1.5分钟的压力蒸煮器设定下将每组制备的木材碎屑单独地加工成MDF纤维。将所产生的纤维通过闪蒸管干燥器干燥。将每种纤维类型放置在单独的干燥器盒中大约24小时，以风干并且将水分含量平衡至约6.0％。表44中示出了用于制造MDF面板的配制品。
表44
实验12中用于MDF制造的配制品
1：在精制过程中木质素与纤维一起掺入
用以12000rpm旋转的旋转盘式雾化器以表42中所指示的施用率施用商业pMDI粘合剂。在安装有纤维混合风机的旋转鼓式共混器中进行所有材料的共混，所述纤维混合风机在施用pMDI时将MDF纤维再循环。添加速率基于MDF纤维的烘箱干重和所有组分的固体含量。转鼓共混完成后，使共混的MDF纤维通过二级混合系统。
将每组共混材料手工形成为均质垫(762mm乘762mm)。在特氟龙片上形成垫，其中另外的特氟龙片放置在顶面上。在形成过程中，将垫手工地预压一半和最终重量以降低潜在的脱落(slough off)。下表45中展示了面板制造参数。
表45
实验12中用于MDF制造的条件
将MDF面板切割成用于测量内部结合强度(IB)、厚度膨胀率(TS)和吸水率(WA)的试样，制备两组试样以测量挠曲特性(MOE和MOE)并且在65％RH室中调理。在测试之前，将IB试样的面层的每侧的约0.5mm砂磨。表46和47中列出了MDF试样的测试结果。将特性调节至775kg/m3的密度。
表46
实验12的MDF面板的MOR和MOE
1：在2小时蒸煮并且以湿形式测试后
表47
实验12中MDF面板的TS、WA和IB
基于表46和47中出现的结果，可以得出以下结论：
a)所使用的三种木质素(UHL、WHL和KL)有助于在MDF面板中的粘附性。
b)分别地，用UHL、WHL和KL以15wt％和25wt％替代pMDI制造的MDF面板具有与以2.8wt％加料量的pMDI(基于烘箱干燥木材重量)制造的对照MDF面板相似的MOR；用UHL、WHL和KL以15wt％和25wt％替代pMDI制造的MDF面板具有比以2.4wt％或2.1wt％加料量的pMDI制造的对照MDF面板高的MOE。
c)用UHL、WHL和KL以15wt％替代pMDI制造的MDF面板具有与以2.8wt％或2.4％pMDI制造的对照MDF面板可比较的TS和WA。
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