Целлюлозные и лигноцеллюлозные структурные материалы и способы и системы для производства таких материалов - RU2499664C2

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Данное изобретение относится к целлюлозным и лигноцеллюлозным структурным материалам, таким как древесина и композиты на основе древесных волокон, и к системам и способам производства таких материалов.

Уровень техники

Древесина представляет собой волокнистую ткань, находящуюся в стволах древесных растений, таких как деревья и кустарники. Согласно статье University of Minnesota Extension, древесина, главным образом, состоит из целлюлозы (приблизительно 50%), гемицеллюлозы (приблизительно 15%-25%) и лигнина (приблизительно 15%-30%). (http://www.extension.umn.edu/distribution/naturalresources/ components/6413chl.html.)

Древесину используют в большом разнообразии применений, например в качестве строительных материалов (включая материалы деревянных рам, декоративные деревянные изделия, полы и т.п.), в лодках, зубочистках, ружейных ложах, шкафах, мебели, спортивном оборудовании и частях для ткацких и вязальных станков. Более того, многие продукты изготавливают путем переработки древесины или древесного волокна в другие материалы. Например, многие продукты изготавливают диспергированием древесных волокон в матрице из смолы, включающей конструкционные материалы композитов, такие как балки, древесностружечную плиту, композитные материалы полов, и многие другие продукты, которые используют в качестве заменителей древесины. Другие продукты изготавливают из слоев древесины, склеенных друг с другом, например ламинатов из фанеры и клееной древесины, таких как шпон.

Древесина имеет ряд преимуществ по сравнению с другими материалами, такими как металл, пластмасса и бетон. Например, деревья представляют собой обновляемый источник, культивирование которого служит противовесом выброса углерода и сохраняет места обитания диких животных. Более того, древесина имеет эстетические качества, которые являются желательными для многих применений, таких как настилка полов и мебель, и проявляет хорошее соотношение прочности к массе и хорошую упругость (по сравнению, например, с металлом или бетоном). Древесина также обычно обладает хорошими термоизоляционными, звукоизоляционными и электроизоляционными свойствами.

Различные типы древесины проявляют различные механические и эстетические свойства и имеют различную стоимость. Например, различные типы древесины обладают широко отличающейся прочностью, жесткостью и эластичными свойствами. Более мягкая древесина, которая имеет более низкий модуль упругости при изгибе, как правило, доступна с более низкой стоимостью, и, в некоторых случаях, она может иметь желательные эстетические свойства, но является непригодной для некоторых применений вследствие ее механических свойств.

Сущность изобретения

Во многих вариантах осуществления используется Natural Force^TM Chemistry. В способах Natural Force^TM Chemistry используется контролируемое применение физических сил, таких как пучки частиц, сила тяжести, свет, и т.д., и манипулирование ими, для внесения в молекулы предполагаемых структурных и химических изменений. В предпочтительных вариантах осуществления способы Natural Force^TM Chemistry изменяют молекулярную структуру без химических реагентов или микроорганизмов. С использованием природных процессов можно создавать новый полезный материал без вреда окружающей среде.

Изобретение основано, по меньшей мере частично, на открытии, что облучение целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, например древесины или древесных волокон (отдельно или в композите или в содержащей волокна композиции), соответствующей дозой ионизирующего излучения благоприятно влияет на физические свойства материалов, например, посредством увеличения молекулярной массы и уровня поперечного сшивания по меньшей мере целлюлозной части древесины или волокон. В результате механические и/или другие свойства целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов могут быть благоприятным образом изменены. Например, модуль упругости при изгибе и другие свойства прочности/жесткости древесины и древесных волокон, содержащих композиты, можно увеличивать путем облучения ионизирующим излучением. Это увеличение модуля улучшает соотношение прочности к массе материала, и, таким образом, позволяет применение в данных применениях более тонких, более легких структурных элементов. В случае композитов свойства части, изготовленной из композита, могут быть сравнимы со свойствами сходной части, образованной полностью из пластмассы, или они могут быть лучше этих свойств, обеспечивая существенную экономию затрат. Другие свойства, которые изменены, рассмотрены ниже, и включают стерилизацию древесины или волокон для ингибирования роста грибов и конечного повреждения.

В одном аспекте изобретение относится к способам гашения облученной древесины, причем облученная древесина включает древесину, облученную радиационным излучением по меньшей мере 0,1 Мрад, имеющим энергию по меньшей мере 1 МэВ, древесина имеет содержание влаги менее чем приблизительно 35 процентов по массе перед облучением, и облучение увеличивает молекулярную массу целлюлозного компонента древесины с первой молекулярной массы до второй, относительно более высокой молекулярной массы, по меньшей мере приблизительно на 10 процентов превышающей первую молекулярную массу.

В другом аспекте изобретение относится к способам облучения древесины, имеющей содержание влаги менее чем приблизительно 35 процентов по массе радиационным излучением по меньшей мере 0,1 Мрад, имеющим энергию по меньшей мере 1 МэВ, для увеличения молекулярной массы целлюлозного компонента древесины с первой молекулярной массы до второй, относительно более высокой молекулярной массы, по меньшей мере приблизительно на 10 процентов превышающей первую молекулярную массу, с последующим гашением облученной древесины.

В другом аспекте изобретение относится к способам обработки древесины, включающим облучение необработанной древесины, имеющей первую молекулярную массу и содержание влаги менее чем приблизительно 35% по массе ионизирующим излучением для повышения молекулярной массы целлюлозного компонента древесины до второй относительно более высокой молекулярной массы.

Некоторые варианты осуществления включают один или несколько из следующих признаков. Древесину можно облучать многократно. Энергия облучения может составлять по меньшей мере 1 МэВ. Кроме того, способы могут включать контроль дозы ионизирующего излучения, чтобы она составляла по меньшей мере 0,10 Мрад. Дозу ионизирующего излучения можно контролировать, чтобы она была на уровне от приблизительно 0,25 до приблизительно 2,5 Мрад. Облучение может включать облучение гамма излучением и/или облучение пучком электронов. Электроны в пучке электронов могут иметь энергию по меньшей мере 1,25 МэВ, например от приблизительно 2,5 МэВ до приблизительно 7,5 МэВ. Кроме того, способы могут включать гашение облученного материала, в некоторых случаях в присутствии газа, выбранного, чтобы он реагировал с радикалами, присутствующими в облученном материале. Увеличение молекулярной массы может составлять по меньшей мере 10%, например по меньшей мере 50%.

В другом аспекте изобретение относится к способам получения композитов, причем способы включают комбинирование материала матрицы с облученным волокнистым материалом, полученным путем облучения волокнистого материала, включающего первый целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал, имеющий первую молекулярную массу, с получением второго целлюлозного и/или лигноцеллюлозного материала, имеющего вторую молекулярную массу, превышающую первую молекулярную массу.

Некоторые варианты осуществления могут включать один или несколько из признаков, описанных выше, и/или представленные ниже признаки. Материалы матриц могут включать смолу. Волокнистые материалы могут включать древесные волокна, древесную стружку и/или древесные частицы. Волокнистые материалы можно облучать до, в процессе или после комбинирования волокнистого материала с материалом матрицы. Кроме того, способы могут включать вулканизацию материала матрицы, например, в ходе стадии облучения. Также облучение можно проводить после вулканизации.

Некоторые варианты осуществления включают обработку поверхности облученной древесины покрытием или красителем. Другие варианты осуществления могут включать прививку материала к участкам прививки облученной древесины, причем древесина является облученной в условиях, выбранных для функционализации древесины, обеспечивающей множество участков прививки. Агент для прививки может включать реактивный краситель. В некоторых случаях древесину облучают в комбинации с агентом для прививки так, чтобы агент для прививки связывался с целлюлозным или лигноцеллюлозным материалом древесины. Агент для прививки может ковалентно связываться с целлюлозным или лигноцеллюлозным материалом. Облученную и гашеную древесину можно использовать в ламинате.

В некоторых случаях облученная древесина является облученной путем направления положительно заряженных ионов, чтобы они падали на древесину, причем положительно заряженные ионы обеспечивались путем образования множества отрицательно заряженных ионов, ускорения отрицательно заряженных ионов до первой энергии, удаления множества электронов по меньшей мере из некоторых из отрицательно заряженных ионов с образованием положительно заряженных ионов, и ускорения положительно заряженных ионов до второй энергии.

В некоторых случаях облученная древесина является облученной путем воздействия на древесину ускоренных заряженных частиц, образованных генерированием множества заряженных частиц и ускорением множества заряженных частиц путем направления каждой из заряженных частиц, чтобы она многократно проходила через резонатор ускорителя, содержащий переменное электрическое поле, или путем направления заряженных частиц, чтобы они проходили через резонатор ускорителя, содержащий множество электродов с различными потенциалами, или путем направления заряженных частиц, чтобы они проходили через ускоритель, содержащий множество световодов, где каждый световод обладает электромагнитным полем.

В другом аспекте изобретение относится к способу, который включает облучение древесины, в которую введена жидкость, содержащая лигнин.

Древесину, которая является облученной с использованием любого из способов, описанных в настоящем документе, можно использовать в строительных материалах (включая материалы деревянных рам, декоративные деревянные изделия, полы и т.п.), в продуктах, изготовленных из древесины, таких как лодки, зубочистки, ружейные ложа, шкафы, мебель, спортивное оборудование и части для ткацких и вязальных станков и в продуктах, изготовленных из слоев древесины, склеенных друг с другом, например ламинатах из фанеры, паркетных ламинатах и ламинатах клееной древесины, таких как шпон и ламинированные балки.

Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал можно выбирать из группы, состоящей из макулатуры, древесины, прессованной древесины, древесных опилок, силоса, трав, рисовой шелухи, жмыха, хлопка, джута, конопли, льна, бамбука, сизаля, абаки, соломы, сердцевин кукурузных початков, кукурузной соломы, проса, люцерны, сена, рисовой шелухи, кокосовых волокон, хлопка, морской травы, водорослей и их смесей.

Термин "необработанная древесина", используемый в настоящем документе, относится к древесине, которая находится в ее природном состоянии после заготовки или после заготовки и высушивания. Это выражение не включает твердую древесину, которая пропитана смолой или другим материалом, не присутствующим в естественных условиях в древесине.

Термин "волокнистый материал", используемый в настоящем документе, включает целлюлозные и лигноцеллюлозные волокнистые материалы, например древесные волокна, частицы и стружку и волокна, происходящие из других целлюлозных материалов, таких как кукурузная солома и конопля. Волокнистый материал может находиться в природном состоянии и/или в переработанном виде, например, подвергнутом делигнификации.

Полное описание каждой из следующих патентных заявок США включено в настоящий документ в качестве ссылок: предварительные заявки США с серийными №№ 61/049,391; 61/049,394; 61/049,395; 61/049,404; 61/049,405; 61/049,406; 61/049,407; 61/049,413; 61/049,415; и 61/049,419, все из которых поданы 30 апреля 2008 года; предварительные заявки США с серийными №№ 61/073,432; 61/073,436; 61/073,496; 61/073,530; 61/073,665; и 61/073,674, все из которых поданы 18 июня 2008 года; предварительная заявка США с серийным № 61/106,861, поданная 20 октября 2008 года; предварительные заявки США с серийными №№ 61/139,324 и 61/139,453, обе из которых поданы 19 декабря 2008 года, и патентные заявки США с серийными №№ 12/417,707; 12/417,720; 12/417,840; 12/417,699; 12/417,731; 12/417,900; 12/417,880; 12/417,723; 12/417,786; и 12/417,904, все из которых поданы 3 апреля 2009 года.

В любом из способов, описанных в настоящем документе, радиационное излучение можно применять из устройства, которое находится в хранилище.

Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют то же значение, которое обычно подразумевают специалисты в области, к которой относится это изобретение. Несмотря на то что на практике или при тестировании настоящего изобретения можно использовать способы и материалы, сходные или эквивалентные способам или материалам, описанным в настоящем документе, пригодные способы и материалы описаны ниже. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем документе, включены в качестве ссылок в полном объеме. В случае противоречия следует руководствоваться настоящим описанием. Кроме того, данные материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из представленного ниже подробного описания и формулы изобретения.

Описание чертежей

На ФИГ.1 представлено схематическое изображение системы для переработки древесины.

На ФИГ.2 представлено схематическое изображение системы для изготовления композита древесины.

На ФИГ.3 представлена диаграмма, на которой проиллюстрировано изменение молекулярной и/или надмолекулярной структуры волокнистого материала.

На ФИГ.4 представлен перспективный вид в сечении гамма-облучателя в бетонном хранилище.

На ФИГ.5 представлен увеличенный вид в перспективе области R с ФИГ.4.

На ФИГ.6 представлена схематическая диаграмма DC-ускорителя.

На ФИГ.7 представлено схематическое изображение источника ионизации полем.

На ФИГ.8 представлено схематическое изображение электростатического сепаратора ионов.

На ФИГ.9 представлено схематическое изображение генератора ионизации полем.

На ФИГ.10 представлено схематическое изображение термоионного эмиссионного источника.

На ФИГ.11 представлено схематическое изображение источника ионов со сверхвысокочастотным разрядом.

На ФИГ.12 представлено схематическое изображение рециркуляционного ускорителя.

На ФИГ.13 представлено схематическое изображение статического ускорителя.

На ФИГ.14 представлено схематическое изображение динамического линейного ускорителя.

На ФИГ.15 представлено схематическое изображение ускорителя Ван-де-Граафа.

На ФИГ.16 представлено схематическое изображение изогнутого тандемного ускорителя.

Подробное описание

Как рассмотрено выше, изобретение основано, частично, на открытии, что при облучении волокнистых материалов, т.е., целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов, на соответствующих уровнях, может изменяться молекулярная структура по меньшей мере целлюлозной части волокнистого материала. Например, изменение молекулярной структуры может включать изменение любого одного или нескольких из средней молекулярной массы, средней кристалличности, площади поверхности, полимеризации, пористости, степени ветвления, привитой сополимеризации и размера домена целлюлозной части. Эти изменения молекулярной структуры, в свою очередь, могут привести к благоприятным изменениям физических характеристик, которыми обладают волокнистые материалы. Более того, могут благоприятным образом изменяться функциональные группы волокнистого материала.

Различные целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы, их применение и употребление, описаны в патентах US №№ 7307108, 7074918, 6448307, 6258876, 6207729, 5973035 и 5952105; и в различных патентных заявках US, включая "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", PCT/US2006/010648, подана 23 марта 2006 года, и "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", публикация патентной заявки US № 2007/0045456. Все указанные выше документы включены в настоящий документ в качестве ссылок в полном объеме. Целлюлозный или лигноцеллюлозный материал может включать, например, бумажные отходы, древесину, картон, древесные опилки, силос, травы, рисовую шелуху, жмых, хлопок, джут, пеньку, лен, бамбук, сизаль, абаку, солому, сердцевины кукурузных початков, кукурузную солому, просо, люцерну, сено, рисовую шелуху, кокосовые волокна, хлопок, морскую траву, водоросли и смеси любых из них. В некоторых случаях целлюлозный или лигноцеллюлозный материал включает прессованный целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, например прессованную траву, солому или сено. Такие прессованные материалы можно использовать, например, в качестве строительных материалов.

Относительно низкие дозы радиационного излучения могут приводить к поперечному сшиванию, прививке или иному увеличению молекулярной массы целлюлозного или лигноцеллюлозного материала (например, целлюлозы). В некоторых вариантах осуществления исходная среднечисленная молекулярная масса (перед облучением) древесины составляет от приблизительно 200000 до приблизительно 3200000, например от приблизительно 250000 до приблизительно 1000000 или от приблизительно 250000 до приблизительно 700000. В некоторых вариантах осуществления исходная среднечисленная молекулярная масса (перед облучением) древесных волокон или частиц составляет от приблизительно 20000 до приблизительно 1000000, например от приблизительно 25000 до приблизительно 500000. Среднечисленная молекулярная масса после облучения превышает исходную среднечисленную молекулярную массу, например, по меньшей мере приблизительно на 10%, 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 300% или до 500%. Например, если исходная среднечисленная молекулярная масса находится в диапазоне от приблизительно 20000 до приблизительно 1000000, среднечисленная молекулярная масса после облучения в некоторых случаях составляет от приблизительно 40000 до приблизительно 2000000.

Как подробно описано ниже, поперечное сшивание, прививку или иное повышение молекулярной массы природного или синтетического целлюлозного материала можно осуществлять контролируемым и предопределенным образом для получения желаемых свойств для конкретного применения, таких как прочность, путем выбора типа или типов используемого радиационного излучения и/или дозы или доз применяемого радиационного излучения.

Новые способы можно использовать для благоприятного изменения различных свойств древесины, древесных волокон или содержащих древесные волокна композитов путем применения ионизирующего излучения в заданные моменты времени и в контролируемых дозах. Например, обработка пиломатериалов сосны может привести к относительно более высокой прочности структурного материала.

Древесные волокна, имеющие увеличенную молекулярную массу, можно использовать для изготовления композитов, таких как композиты волокно-смола, имеющих улучшенные механические свойства, например сопротивление истиранию, сопротивление сжатию, сопротивление на излом, ударную прочность, прочность на изгиб, модуль упругости при растяжении, модуль упругости при изгибе и удлинение при разрушении. Поперечное сшивание, прививка или иное увеличение молекулярной массы выбранного материала могут повысить температурную стабильность материала относительно необработанного материала. Повышение температурной стабильности выбранного материала может позволить переработку его при более высоких температурах без деградации. Кроме того, обработка целлюлозного материала радиационным излучением может стерилизовать материал, что должно снизить тенденцию древесины или композита к стимуляции роста грибов, плесени, мучнистой расы, микроорганизмов, насекомых, например короедов, круглых червей или сходных с ними.

Также ионизирующее излучение можно использовать для контроля функционализации волокнистого материала, т.е., функциональных групп, которые присутствуют на материале или в нем.

Ионизирующее излучение можно использовать для увеличения молекулярной массы древесины в любом желательном состоянии в процессе изготовления пиломатериалов или измельчения. Например, как показано на ФИГ.1, радиационным излучением можно воздействовать на сырые бревна, пиломатериалы или после обрезки, отторцовки или другой дополнительной переработки. В некоторых случаях может быть желательным облучение конечного продукта, полученного из древесины, например бейсбольной биты, ружейного ложа, предмета мебели или материала пола. Облучение на этой конечной стадии позволяет измельчение или иную переработку древесины в желаемую форму в относительно мягком состоянии, и последующее облучение для увеличения жесткости и других механических свойств. В других случаях может быть желательным облучение древесины раньше, например, для повышения модуля упругости древесины в достаточной степени, чтобы позволить выдерживание дальнейшей переработки без разрушения или повреждения. Древесину можно облучать до или после стадий высушивания, таких как печная или воздушная сушка. Как правило, может быть предпочтительным, чтобы древесина в процессе облучения была в относительно сухом состоянии.

После относительно низкой дозы радиационного излучения второй целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал можно комбинировать с таким материалом, как смола, и придавать ему форму композита, например, формованием прессованием, инжекционным формованием или экструзией. Формирование композитов смола-волокно описано в WO 2006/102543. После формирования композитов их можно облучать для дополнительного увеличения молекулярной массы углеводсодержащего материала, находящегося в композите.

Альтернативно, волокнистый материал, который включает первый целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал, имеющий первую молекулярную массу, можно комбинировать с материалом, таким как смола, для получения композита, а затем композит можно облучать ионизирующим излучением, чтобы получить второй целлюлозный и/или лигноцеллюлозный материал, имеющий вторую молекулярную массу, превышающую первую молекулярную массу. Например, как показано на ФИГ.2, радиационным излучением можно воздействовать на сырые бревна; после удаления коры; после рубки до желаемого размера частиц волокон; после смешения со смолой, либо до, либо после стадий формования, таких как экструзия, укладка в стопу или опрессовка; после вулканизации или в процессе вулканизации для обеспечения или усиления вулканизации; или до, или после любых других стадий переработки. Следует отметить, что кору, полученную в процессе удаления коры, при необходимости, можно использовать для образования пульпы, например, с использованием способов, описанных в любой из заявок автора изобретения, поданных 30 апреля 2008 года, US SN 61/049391.

Преимущественно, облучение может вызывать образование связей между смолой и волокнистым материалом в участках прививки, оказывая синергический эффект на физические характеристики композита. Это образование связей может быть усилено путем функционализации волокнистого материала в результате облучения.

В некоторых вариантах осуществления смола представляет собой поддающуюся поперечному сшиванию смолу, и, по существу, она подвергается поперечному сшиванию по мере увеличения молекулярной массы углеводсодержащего материала, что может обеспечить синергический эффект для обеспечения максимальных механических свойств композита. Например, такие композиты могут иметь превосходные характеристики при низкой температуре, например уменьшенную тенденцию к разрушению и/или растрескиванию при низких температурах, например при температурах ниже 0°C, например ниже -10°C, -20°C, -40°C, -50°C, -60°C или даже ниже -100°C, и/или превосходные характеристики при высоких температурах, например способность поддерживать их преимущественные механические свойства при относительно высоких температурах, например при температурах выше 100°C, например выше 125°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 400°C или даже выше 500°C. Кроме того, такие композиты могут иметь превосходную химическую устойчивость, например устойчивость к набуханию в растворителе, например углеводородном растворителе, устойчивость к химическому воздействию, например, сильных кислот, сильных оснований, сильных окислителей (например, хлора или отбеливателя) или восстановителей (например, активных металлов, таких как натрий и калий).

В некоторых вариантах осуществления смола, или другой материал матрицы, не подвергается поперечному сшиванию в процессе облучения. В некоторых вариантах осуществления применяют дополнительное радиационное излучение, когда углеводсодержащий материал находится в матрице для дополнительного увеличения молекулярной массы углеводсодержащего материала. В некоторых вариантах осуществления радиационное излучение приводит к образованию связей между матрицей и углеводсодержащим материалом.

В некоторых вариантах осуществления радиационное излучение применяют более чем в одной точке процесса производства. Например, ионизирующим излучением можно воздействовать на древесные волокна до смешивания их с матрицей из смолы, для повышения их пригодности для переработки, и второй дозой можно воздействовать на смеси волокно/смола для улучшения механических свойств композита. В качестве другого примера, первой дозой радиационного излучения можно воздействовать на исходный материал древесины, такой как бревно или деревянная балка, доска или лист, для улучшения их свойств для последующей переработки, и второй дозой радиационного излучения можно воздействовать на продукт, изготовленный из исходного материала древесины, такой как бейсбольная бита, ружейное ложе или предмет мебели, для улучшения его конечных свойств.

Облучение для влияния на функциональные группы материала

После обработки одним или несколькими типами ионизирующего излучения, такими как фотонное излучение (например, рентгеновские лучи и гамма-лучи), облучение пучком электронов или частиц, тяжелее электронов, которые положительно или отрицательно заряжены (например, протоны или ионы углерода), любые из углеводсодержащих материалов или смесей, описанных в настоящем документе, становятся ионизированными; т.е. они включают радикалы на уровнях, которые поддаются детекции с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса. После ионизации любой материал, который является ионизированным, можно гасить для снижения уровня радикалов в ионизированном материале, например, так, чтобы радикалы более не поддавались детекции с помощью спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Например, радикалы можно гасить, применяя достаточное давление на ионизированный материал и/или контактирования ионизированного материала с текучей средой, такой как газ или жидкость, которая реагирует (гасит) с радикалами. Различные газы, например азот или кислород, или жидкости можно использовать по меньшей мере для способствования гашению радикалов и функционализации ионизированного материала желаемыми функциональными группами. Таким образом, облучение с последующим гашением можно использовать для получения материала с желаемыми функциональными группами, включая, например, одну или несколько из следующих: альдегидные группы, енольные группы, нитрозогруппы, нитрильные группы, нитрогруппы, группы кетонов, аминогруппы, алкиламиногруппы, алкильные группы, хлоралкильные группы, хлорфторалкильные группы и/или группы карбоновых кислот. Эти группы повышают гидрофильность области материала, где они присутствуют. В некоторых вариантах осуществления материал облучают и гасят до или после стадий переработки, таких как нанесение покрытия или каландрования, для влияния на функциональность в материале и/или на поверхности материала и, тем самым, влияния на свойства материала, такие как восприимчивость поверхности материала к краске, клею, покрытиям и т.п. В случае композитных материалов функциональные группы могут позволить облученному волокнистому материалу легче распределяться в смоле или другом материале матрицы.

На ФИГ.3 проиллюстрировано изменение молекулярной и/или надмолекулярной структуры волокнистого материала, такого как древесина, древесное волокно или древесные частицы, путем предварительной обработки волокнистого материала ионизирующим излучением, таким как электроны или ионы с энергией, достаточной для ионизации сырья, для обеспечения первого уровня радикалов. Как показано на ФИГ.3, если ионизированный материал остается в атмосфере, он окисляется, например, до такой степени, что образуются группы карбоновых кислот путем реакции с атмосферным кислородом. Поскольку радикалы могут "жить" в течение некоторого времени после облучения, например более 1 суток, 5 суток, 30 суток, 3 месяцев, 6 месяцев или даже более 1 года, свойства материала могут продолжать меняться с течением времени, что, в некоторых случаях, может быть нежелательным.

Детекция радикалов в облученных образцах с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и время жизни радикалов в таких образцах рассмотрены в Bartolotta et al., Physics in Medicine and Biology, 46 (2001), 461-471 и in Bartolotta et al., Radiation Protection Dosimetry, Vol. 84, Nos. 1-4, pp. 293-296 (1999). Как представлено на ФИГ.3, ионизированный материал можно гасить для функционализации и/или стабилизации ионизированного материала.

В некоторых вариантах осуществления гашение включает прикладывание давления к ионизированному материалу, например, путем механической деформации материала, например, прямым механическим сжатием материала в одном, двух или трех измерениях, или прикладывая давление к текучей среде, в которую материал погружен, например изостатическое прессование. В таких случаях деформация материала сама по себе дает радикалы, которые часто захватываются в кристаллические домены, достаточно близко для того, чтобы радикалы могли рекомбинировать или реагировать с другой группой. В некоторых случаях давление используют вместе с использованием нагревания, такого как количество тепла, достаточное для повышения температуры материала до уровня выше температуры плавления или до температуры размягчения компонента ионизированного материала, такого как лигнин, целлюлоза или гемицеллюлоза. Нагревание может увеличить подвижность молекул в материале, что может способствовать гашению радикалов. Когда для гашения используют давление, давление может превышать 1000 фунт/кв. дюйм (6,9 МПа), например превышать приблизительно 1250 фунт/кв. дюйм (8,6 МПа), 1450 фунт/кв. дюйм (10 МПа), 3625 фунт/кв. дюйм (25,2 МПа), 5075 фунт/кв. дюйм (35 МПа), 7250 фунт/кв. дюйм (50 МПа), 10000 фунт/кв. дюйм (69 МПа) или даже более 15000 фунт/кв. дюйм (103,4 МПа).

В некоторых вариантах осуществления гашение включает контактирование ионизированного материала с текучей средой, такой как жидкость или газ, например газ, способный реагировать с радикалами, такой как ацетилен или смесь ацетилена в азоте, этилен, хлорированные этилены или хлорфторэтилены, пропилен или смеси этих газов. В других конкретных вариантах осуществления гашение включает контактирование ионизированного материала с жидкостью, например с жидкостью, растворимой в ионизированном материале, или по меньшей мере способной проникать в ионизированный материал и реагировать с радикалами, такими как диен, такой как 1,5-циклооктадиен. В некоторых конкретных вариантах осуществления гашение включает контактирование ионизированного материала с антиоксидантом, таким как витамин E. При необходимости материал может включать антиоксидант, диспергированный в нем, и гашение может происходить вследствие контактирования антиоксиданта, диспергированного в материале, с радикалами.

Возможны другие способы гашения. Например, для гашения любого ионизированного материала, описанного в настоящем документе, можно использовать любой способ гашения радикалов в полимерных материалах, описанный в публикации патентной заявки US № 2008/0067724, Muratoglu et al., и патенте US № 7166650, Muratoglu et al., описания которых включены в настоящий документ в качестве ссылок в полном объеме. Более того, для гашения любого ионизированного материала биомассы можно использовать любой агент для гашения (описанный в качестве "сенсибилизирующего агента" в указанных выше описаниях Muratoglu) и/или любой антиоксидант, описанный в любой из ссылок Muratoglu.

Функционализацию можно усилить с использованием тяжелых заряженных ионов, таких как любые из более тяжелых ионов, описанных в настоящем документе. Например, если желательно усилить окисление, для облучения можно использовать заряженные ионы кислорода. Если являются желательными функциональные группы азота, можно использовать ионы азота или любой ион, который включает азот. Аналогично, если являются желательными группы серы или фосфора, при облучении можно использовать ионы серы или фосфора.

В некоторых вариантах осуществления после гашения любой из гашеных ионизированных материалов, описанных в настоящем документе, можно далее обрабатывать одним или несколькими из радиационного облучения, такого как ионизирующее или неионизирующее излучение, обработки ультразвуком, пиролиза и окисления для дополнительного изменения молекулярной и/или надмолекулярной структуры.

В некоторых вариантах осуществления перед гашением волокнистый материал облучают в атмосфере инертного газа, например, гелия или аргона.

В некоторых случаях целлюлозные или лигноцеллюлозные материалы можно подвергать облучению пучком частиц в присутствии одной или нескольких дополнительных текучих сред (например, газов и/или жидкостей). Воздействие на материал пучка частиц в присутствии одной или нескольких дополнительных текучих сред может повысить эффективность обработки.

В некоторых вариантах осуществления материал подвергается облучению пучком частиц в присутствии текучей среды, такой как воздух. Частицы, ускоренные в одном или нескольких типах ускорителей, описанных в настоящем документе (или в ускорителе другого типа), выходят из ускорителя через выходное отверстие (например, тонкую мембрану, такую как металлическая фольга), проходят через объем пространства, занимаемого текучей средой, а затем падают на материал. В дополнение к прямой обработке материала некоторые из частиц образуют дополнительные химические частицы путем взаимодействия с частицами текучей среды (например, ионы и/или радикалы, генерируемые различными составляющими воздуха, такими как озон и оксиды азота). Эти образовавшиеся химические частицы также могут реагировать с материалом, и могут действовать в качестве инициаторов различных реакций разрушения химических связей в материале. Например, любой образовавшийся окислитель может окислять материал, что может приводить к уменьшению молекулярной массы. В некоторых вариантах осуществления на путь пучка частиц до попадания пучка на материал можно селективно подавать дополнительные текучие среды. Как рассмотрено выше, реакции между частицами пучка и частицами поданных текучих сред могут образовывать дополнительные химические частицы, которые реагируют с материалом и могут способствовать функционализации материала, и/или в ином случае селективно изменять определенные свойства материала. Одну или несколько дополнительных текучих сред можно направлять на путь пучка, например, из подводящей трубы. Направление и скорость потока текучей среды(сред), которую подают, можно выбирать в соответствии с желаемой мощностью и/или направлением облучения для контроля эффективности обработки в целом, включая как эффекты, которые являются следствием обработки частицами, так и эффекты, которые являются следствием взаимодействия динамически образовавшихся частиц из поданной текучей среды с материалом. В дополнение к воздуху иллюстративные текучие среды, которые можно подавать в пучок ионов, включают кислород, азот, один или несколько благородных газов, один или несколько галогенов и водород.

Расположение функциональных групп можно контролировать, например, путем выбора конкретного типа и дозы ионизирующих частиц. Например, гамма-излучение имеет тенденцию к влиянию на функциональность молекул в бумаге, в то время как облучение пучком электронов имеет тенденцию к тому, чтобы предпочтительно влиять на функциональность молекул на поверхности.

В некоторых случаях функционализацию материала можно проводить одновременно с облучением, а не в качестве отдельной стадии гашения. В этом случае на тип функциональных групп и степень окисления можно влиять различными путями, например контролируя окружение газом материала, подлежащего облучению, через который проходит облучающий пучок. Пригодные газы включают азот, кислород, воздух, озон, диоксид азота, диоксид серы и хлор.

В некоторых вариантах осуществления функционализация приводит к образованию в волокнистом материале енольных групп. Это может усилить восприимчивость материала к чернилам, клеям, покрытиям и т.п., и может обеспечить участки прививки.

Охлаждение облученных материалов

В процессе обработки материалов, рассмотренных выше, ионизирующим излучением, особенно при высоких уровнях доз, таких как уровни более 0,15 Мрад в секунду, например 0,25 Мрад/c, 0,35 Мрад/c, 0,5 Мрад/с, 0,75 Мрад/c или даже более 1 Мрад/с, материалы могут сохранять значительные количества тепла, так что температура материалов повышается. В то время как, в некоторых вариантах осуществления, повышенные температуры могут быть преимущественными, например, когда является желаемой более высокая скорость реакции, является преимущественным контроль нагревания для сохранения контроля над химическими реакциями, инициируемыми ионизирующим излучением, такими как поперечное сшивание, разделение цепей и/или привитая сополимеризация, например, для сохранения управления процессом.

Например, в одном способе материал облучают при первой температуре ионизирующим излучением, таким как фотоны, электроны или ионы (например, однозарядные или многозарядные катионы или анионы), в течение достаточного времени и/или при достаточной дозе для повышения температуры материала до второй температуры, превышающей первую температуру. Затем облученный материал охлаждают до третьей температуры ниже второй температуры. При необходимости охлажденный материал можно обрабатывать один или несколько раз радиационным излучением, например ионизирующим излучением. При необходимости после и/или в процессе каждой обработки радиационным облучением материал можно охлаждать.

Охлаждение в некоторых случаях может включать контактирование материала с текучей средой, такой как газ, при температуре ниже первой или второй температуры, такой как газообразный азот при приблизительно 77 K (-196°С). В некоторых вариантах осуществления можно использовать даже воду, такую как вода при температуре ниже номинальной комнатной температуры (например, 25 градусов Цельсия).

Типы радиационного излучения

Радиационное облучение можно осуществлять с помощью 1) тяжелых заряженных частиц, таких как альфа-частицы или протоны, 2) электронов, образованных, например, при бета-распаде или в ускорителях электронных пучков, или 3) электромагнитного радиационного излучения, например, гамма-лучей, рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей. Различные формы радиационного излучения ионизируют биомассу через конкретные взаимодействия, определяемые энергией радиационного излучения.

Тяжелые заряженные частицы в основном ионизируют вещество через кулоновское рассеяние; более того, эти взаимодействия генерируют энергетические электроны, которые могут далее ионизировать вещество. Альфа-частицы идентичны ядру атома гелия и образуются путем альфа-распада различных радиоактивных ядер, таких как изотопы висмута, полония, астата, радона, франция, радия, нескольких актиноидов, таких как актиний, торий, уран, нептуний, кюрий, калифорний, америций и плутоний.

Электроны взаимодействуют путем кулоновского рассеяния и торможения радиационного излучения, вызываемого изменениями скорости электронов. Электроны могут генерироваться радиоактивными ядрами, которые претерпевают бета-распад, такими как изотопы йода, цезия, технеция и иридия. Альтернативно, в качестве источника электронов можно использовать электронную пушку с использованием термоионной эмиссии.

Электромагнитное радиационное излучение воздействует через три процесса: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование пар. Преобладающее воздействие определяется энергией падающего радиационного излучения и атомного числа материала. Сумма взаимодействий, приводящих к поглощению радиационного излучения в целлюлозном материале, может быть выражена с помощью массового коэффициента поглощения.

Электромагнитное излучение подразделяют на гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, микроволны или радиоволны, в зависимости от длины волны.

Например, для облучения материалов можно использовать гамма-излучение. Как показано на ФИГ.4 и 5 (увеличенный вид области R), гамма-излучатель 10 включает источники 408 гамма-излучения, например таблетки⁶⁰Co, рабочий стол 14 для содержания материалов, подлежащих облучению, и накопитель 16, например, изготовленный из множества железных пластин, все из которых находятся в камере 20 с бетонной защитой (хранилище), которая включает вход 22 в виде лабиринта позади освинцованной двери 26. Накопитель 16 включает множество каналов 30, например шестнадцать или более каналов, позволяющих источникам гамма-излучения проходить на своем пути через накопитель вблизи рабочего стола.

В процессе работы образец, подлежащий облучению, помещают на рабочий стол. Облучатель адаптирован для того, чтобы доставлять желаемый уровень дозы, и чтобы с экспериментальным блоком 31 было соединено управляющее оборудование. Затем оператор покидает защитную камеру, проходя через вход в виде лабиринта и через освинцованную дверь. Оператор занимает контрольную панель 32, инструктируя компьютер 33 к приведению источников 12 радиационного излучения в рабочее положение с использованием цилиндра 36, присоединенного к гидравлическому насосу 40.

Гамма-излучение имеет преимущество значительной глубины проникновения в различные материалы образца. Источники гамма-лучей включают радиоактивные ядра, такие как изотопы кобальта, кальция, технеция, хрома, галлия, индия, йода, железа, криптона, самария, селена, натрия, талия и ксенона.

Источники рентгеновских лучей включают столкновение электронного пучка с металлическими мишенями, такими как вольфрам или молибден или сплавы, или компактные источники света, такие как источники света, коммерчески производимые Lyncean.

Источники ультрафиолетового излучения включают дейтериевые или кадмиевые лампы.

Источники инфракрасного радиационного излучения включают керамические лампы с окном из сапфира, цинка или селенидов.

Источники микроволн включают клистроны, источники Slevin RF-типа, или источники атомных пучков, в которых используется газообразный водород, кислород или азот.

В некоторых вариантах осуществления в качестве источника радиационного излучения используют пучок электронов. Пучок электронов имеет преимущество высоких уровней доз (например, 1, 5 или даже 10 Мрад в секунду), высокой производительности, меньшей защитной изоляции и меньшего количества изолирующего оборудования. Электроны также могут быть более эффективными в отношении обеспечения разделения цепей. Кроме того, электроны, имеющие энергию 4-10 МэВ, могут иметь глубину проникновения от 5 до 30 мм или более, например 40 мм.

Электронные пучки можно генерировать, например, с помощью электростатических генераторов, каскадных генераторов, трансформаторных генераторов, низкоэнергетических ускорителей со сканирующей системой, низкоэнергетических ускорителей с линейным катодом, линейных ускорителей и импульсных ускорителей. Электроны могут быть пригодны в качестве источника ионизирующего излучения, например, для относительно тонких стоп материалов, например менее чем приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см), например менее чем 0,4 дюйма (1,02 см), 0,3 дюйма (0,76 см), 0,2 дюйма (0,51 см) или менее чем 0,1 дюйма (0,25). В некоторых вариантах осуществления энергия каждого электрона в электронном пучке составляет от приблизительно 0,25 МэВ до приблизительно 7,5 МэВ (мегаэлектронвольт), например от приблизительно 0,5 МэВ до приблизительно 5 МэВ, или от приблизительно 0,7 МэВ до приблизительно 2 МэВ. Устройства для облучения пучком электронов могут быть коммерчески приобретены от Ion Beam Applications, Louvain-la-Neuve, Бельгия, или the Titan Corporation, Сан-Диего, CA. Типичная энергия электронов может составлять 1, 2, 4,5, 7,5 или 10 МэВ. Типичная мощность устройства для облучения пучком электронов может составлять 1, 5, 10, 20, 50, 100, 250 или 500 кВт. Эффективность деполимеризации суспензии сырья зависит от используемой энергии электронов и применяемой дозы, в то время как время воздействия зависит от мощности и дозы. Типичные дозы могут иметь значения 1, 5, 10, 20, 50, 100 или 200 кГр.

При выборе оптимальных характеристик мощности устройства для облучения пучком электронов учитываются затраты на работу, капитальные затраты, амортизационные затраты и зона размещения устройства. При выборе оптимальных уровней экспозиционной дозы облучения пучком электронов учитываются расход энергии и вопросы экологии, безопасности и здоровья (ESH).

Устройство для облучения пучком электронов может генерировать либо фиксированный луч, либо сканирующий луч. Преимущественным может быть сканирующий луч с большой длиной развертки сканирования и высокими скоростями сканирования, поскольку это может эффективно заменить большую ширину фиксированного луча. Кроме того, доступна длина развертки 0,5 м, 1 м, 2 м или более.

В вариантах осуществления, в которых облучение проводят с помощью электромагнитного излучения, электромагнитное излучение может иметь, например, энергию на фотон (в электроновольтах) более 10² эВ, например более 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶ или даже более 10⁷ эВ. В некоторых вариантах осуществления электромагнитное излучение имеет энергию на фотон между 10⁴ и 10⁷, например между 10⁵ и 10⁶ эВ. Электромагнитное излучение может иметь частоту, например, более 10¹⁶ Гц, более 10¹⁷ Гц, 10¹⁸, 10¹⁹, 10²⁰ или даже более 10²¹ Гц. В некоторых вариантах осуществления электромагнитное излучение имеет частоту между 10¹⁸ и 10²² Гц, например между 10¹⁹ и 10²¹ Гц.

Одним из типов ускорителей, которые можно использовать для ускорения ионов, продуцируемых с использованием источников ионов, рассмотренных выше, является Dynamitron® (доступный, например, от Radiation Dynamics Inc., в настоящее время являющийся элементом IBA, Louvain-la-Neuve, Бельгия). Схема ускорителя Dynamitron® 1500 представлена на ФИГ.6. Ускоритель 1500 включает инжектор 1510 (который включает источник ионов) и ускоряющую колонну 1520, которая включает множество кольцевых электродов 1530. Инжектор 1510 и колонна 1520 содержатся в корпусе 1540, который вакуумируется вакуумным насосом 1600.

Инжектор 1510 генерирует пучок ионов 1580 и подает пучок 1580 в ускоряющую колонну 1520. Кольцевые электроды 1530 поддерживаются при различных электрических потенциалах, так что ионы ускоряются по мере того, как они проходят через зазоры между электродами (например, ионы ускоряются в зазорах, но не в электродах, где электрические потенциалы являются единообразными). По мере прохождения ионов с верхней части колонны 1520 в направлении нижней части колонны, представленной на ФИГ.6, средняя скорость ионов возрастает. Расстояние между последующими кольцевыми электродами 1530, как правило, возрастает, таким образом, обеспечивая более высокую среднюю скорость ионов.

После пересечения ускоренными ионами длины колонны 1520 ускоренный пучок ионов 1590 выходит из корпуса 1540 через направляющую трубу 1555. Длину направляющей трубы 1555 выбирают так, чтобы обеспечить помещение надлежащего экранирования (например, экранирования бетоном) рядом с колонной 1520, изолируя колонну. После прохождения через трубу 1555 пучок 1590 ионов проходит через сканирующий магнит 1550. Сканирующий магнит 1550, который контролируется внешним логическим устройством (не показано), может направлять ускоренный пучок 1590 ионов контролируемым образом через двухмерную плоскость, ориентированную перпендикулярно центральной оси колонны 1520. Как показано на ФИГ.6, пучок 1590 ионов проходит через окно 1560 (например, окно с металлической фольгой или экран), а затем он направляется на столкновение с выбранными областями образца 1570 сканирующим магнитом 1550.

В некоторых вариантах осуществления электрические потенциалы, применяемые к электродам 1530, представляют собой статические потенциалы, сгенерированные, например, DC-источниками напряжения. В некоторых вариантах осуществления некоторые или все из электрических потенциалов, прикладываемых к электродам 1530, представляют собой переменные потенциалы, генерируемые источниками переменного напряжения. Пригодные переменные источники больших электрических потенциалов включают источники усиленного поля, например, такие как клистроны. Таким образом, в зависимости от природы потенциалов, прикладываемых к электродам 1530, ускоритель 1500 может действовать либо в импульсном, либо в непрерывном режиме.

Для достижения выбранной энергии ионов на выходе из колонны 1520 длину колонны 1520 и потенциалы, прикладываемые к электродам 1530, выбирают, исходя из факторов, хорошо известных в данной области. Однако следует отметить, что для уменьшения длины колонны 1520 можно использовать многозарядные ионы вместо однозарядных ионов. Таким образом, ускоряющий эффект выбранной разности электрических потенциалов между двумя электродами является более высоким для иона, несущего заряд величиной 2 или более, чем для иона, несущего заряд величиной 1. Таким образом, произвольный ион X²⁺ можно ускорять до конечной энергии E на протяжении более короткой длины, чем соответствующий произвольный ион X⁺. Ионы с тройным или четверным зарядом (например, X³⁺ и X⁴⁺) можно ускорять до конечной энергии E на еще более коротких расстояниях. Таким образом, длина колонны 1520 может быть значительно уменьшена, когда пучок 1580 ионов включает, главным образом, многозарядные типы ионов.

Для ускорения положительно заряженных ионов разности потенциалов между электродами 1530 колонны 1520 выбирают так, чтобы направление повышения силы поля на ФИГ.6 было нисходящим (например, в направлении нижней части колонны 1520). Напротив, когда ускоритель 1500 используют для ускорения отрицательно заряженных ионов, разность электрических потенциалов между электродами 1530 является обратной в колонне 1520, и направление возрастания силы поля на ФИГ.6 является восходящим (например, в направлении верхней части колонны 1520). Изменение конфигурации электрических потенциалов, прикладываемых к электродам 1530, является несложным, так что ускоритель 1500 можно преобразовывать относительно быстро с ускорения положительных ионов на ускорение отрицательных ионов, или наоборот. Аналогично, ускоритель 1500 можно быстро конвертировать с ускорения однозарядных ионов на ускорение многозарядных ионов, и наоборот.

Дозы

В некоторых вариантах осуществления облучение некой дозы для увеличения молекулярной массы (с любым источником радиационного излучения или комбинацией источников) проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере 0,1 Мрад, например по меньшей мере 0,25, 0,5, 0,75, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 4,0 или 5,0 Мрад. В некоторых вариантах осуществления облучение проводят до тех пор, пока материал не получит дозу по меньшей мере между 0,25 Мрад и 5,0 Мрад, например между 0,5 Мрад и 4 Мрад или между 1,0 Мрад и 3,0 Мрад.

Дозы, рассмотренные выше, также пригодны для функционализации материала, причем степень функционализации, как правило, является более высокой при более высокой дозе.

Может быть желательным многократное облучение для достижения данной конечной дозы, например, путем доставки дозы 1 Мрад 10 раз, для обеспечения конечной дозы 10 Мрад. Это может предотвратить перегревания облученного материала, в частности, если материал охлаждают между дозами.

Также может быть желательным облучения с нескольких направлений, одновременно или последовательно, для достижения желаемой степени проникновения радиационного излучения в материал. Например, в зависимости от плотности и содержания влаги в древесине и типа используемого источника радиационного излучения (например, гамма-излучения или пучка электронов), максимальное проникновение радиационного излучения в древесину может составлять только 0,75 дюйма (1,9 см). В таком случае более толстый слой (вплоть до 1,5 дюйма (3,8 см)) можно облучать, сначала облучая древесину с одной стороны, а затем переворачивая древесину и облучая ее с другой стороны. Облучение с нескольких направлений может быть особенно полезным в случае облучения пучком электронов, который облучает быстрее, чем гамма-излучение, но, как правило, не обеспечивает значительной глубины проникновения.

В некоторых вариантах осуществления облучение проводят при уровне дозы между 5,0 и 1500,0 килорад/час, например между 10,0 и 750,0 килорад/час или между 50,0 и 350,0 килорад/час. Когда является желательным высокий выход, облучение можно применять, например, при от 0,5 до 3,0 Мрад/с или даже быстрее, с использованием охлаждения для того, чтобы избежать перегревания облученного материала.

В некоторых вариантах осуществления, в которых облучают композит, матрица смолы включает смолу, которая является поддающейся поперечному сшиванию, и сама по себе подвергается поперечному сшиванию по мере повышения молекулярной массы углеводсодержащего материала, что может обеспечить синергический эффект для оптимизации физических свойств композита. В этих вариантах осуществления дозу облучения выбирают так, чтобы она была достаточно высокой, чтобы повысить молекулярную массу целлюлозных волокон, т.е. по меньшей мере приблизительно 0,1, и чтобы одновременно она была достаточно низкой, чтобы избежать неблагоприятного воздействия на матрицу для смолы. Верхний предел дозы может варьировать, в зависимости от состава покрытия, однако в некоторых вариантах осуществления предпочтительная доза составляет менее чем приблизительно 10 Мрад.

В некоторых вариантах осуществления используют два или более источников радиационного излучения, таких как два или более источников ионизирующего излучения. Например, образцы можно обрабатывать, в любом порядке, пучком электронов, а затем гамма-излучением и УФ-излучением, имеющим длину волны от приблизительно 100 нм до приблизительно 280 нм. В некоторых вариантах осуществления образцы обрабатывают тремя источниками ионизирующего излучения, такими как пучок электронов, гамма-излучение и энергетическое УФ-излучение.

Облучение древесины

Способы, описанные в настоящем документе, можно использовать на любом желаемом типе древесины. Древесину можно облучать в ее первоначальной форме, т.е. в качестве бревна, или ее можно облучать при любой последующей стадии переработки. Предпочтительно, древесина имеет относительно низкое содержание влаги, например содержание влаги менее чем 25%, например менее чем 20%. В некоторых случаях, например, когда древесина является высушенной, содержание влаги составляет от приблизительно 6% до приблизительно 18%. В некоторых вариантах осуществления содержание воды в процентах по массе (содержание влаги) может составлять менее чем 5%, 4%, 3%, 2%, 1% или даже менее чем 0,5%. Содержание влаги может, в некоторых вариантах осуществления, находиться в диапазонах от 1% до 8%, например от 2% до 6%. Относительно низкое содержание влаги позволяет проникновение в древесину ионизирующего излучения, и может повысить стабильность радикалов, образованных в древесине при облучении.

Как правило, древесина имеет плотность менее чем 1,4 г/см³, например приблизительно от 1,0 до 1,2 г/см³.

Композитные материалы

Термин "древесный композит", используемый в настоящем документе, относится к материалу, который включает древесную стружку, древесные волокна, древесные частицы или древесную муку, диспергированную в матрице из смолы. Такие композиты включают, например, древесностружечную плиту, фибролит, плиту с ориентированными пучками (OSB), вафельную плиту, плиту Sterling и оргалит.

Древесностружечную плиту часто изготавливают из низкокачественных бревен и остатков производства древесных продуктов. Например, быстрорастущие виды, такие как осина и тополь, можно использовать в форме древесной массы из цельного дерева (частиц древесины). В некоторых вариантах осуществления стружку уменьшают до частиц с использованием молотковой мельницы, дисковой мельницы или кремнедробилки, после чего частицы сушат до низкого содержания влаги, например, приблизительно от 3 до 5%. При необходимости высушенную древесную массу можно разделять согласно заданному размеру частиц, на тонкую и грубую, с использованием сит с различным размером ячеек. Затем древесную массу (или часть массы, имеющую желаемый размер частиц) смешивают с матрицей из смолы или связующим веществом. Концентрация связующего вещества в готовом продукте, как правило, является относительно низкой, например приблизительно от 5 до 20%, как правило, приблизительно от 5 до 10%, например приблизительно от 1 до 5%. В некоторых случаях смесь древесная масса/смола формуют в виде плиты перед вулканизацией. При необходимости смесь смолы с древесной массы с тонкодисперсными частицами можно использовать для формирования наружного слоя сверху или снизу центрального слоя, который образован смесью смолы с древесной массой с грубодисперсными частицами. Затем плиту вулканизируют, например, при нагревании и под давлением, с образованием готовой древесностружечной плиты.

Плита с ориентированными пучками (OSB) и сходные с ней также представляют собой продукты из резаного дерева, которые образованы наслоением пучков или стружки древесины или других волокон в конкретной ориентации. Эти плиты, как правило, изготавливают в виде плит из перекрестно ориентированных слоев тонких, перпендикулярных древесных или других лент волокон, прессованных и связанных друг с другом с помощью воска и клеев на основе смолы (например, приблизительно 95% древесины/волокон и приблизительно 5% воска/смолы). Слои создают путем нарезания древесины/волокон на ленты, которые просеивают, а затем ориентируют, например, на конвейерной ленте. Чередование слоев дает конечный продукт, который помещают в термический пресс для прессования материалов и связывания их активацией нагреванием и вулканизации смолы. Затем из плиты можно вырезать отдельные панели с конечными размерами.

Облучение можно проводить на любой желаемой стадии (или не нескольких стадиях) в этих процессах. Например, бревна или стружку можно получать до образования древесной массы, лент или стружки, или древесную массу можно облучать перед смешением со смолой/воском. В некоторых случаях облучают смесь смолы и древесной массы, и в этом случае облучение может способствовать поперечному сшиванию смолы. Если используют радиационное облучение поддающейся поперечному сшиванию смолы, горячая вулканизация и/или уплотнение под давлением древесностружечной плиты или OSB могут быть необязательными. Облучение также можно проводить на готовой вулканизированной древесностружечной плите или OSB. При необходимости облучение можно проводить более чем на одной стадии процесса, например на древесной массе, а затем на вулканизированной древесностружечной плите.

Процесс формирования фибролита сходен с процессом образования древесностружечной плиты и OSB, за исключением того, что вместо относительно более крупных частиц, используемых в древесной массе, описанной выше, используют древесные волокна. Стружку можно конвертировать в волокна с использованием различных способов, включая, например, листорезальные устройства с вращающимся ножом, дисковую мельницу с единичным или двойным диском, дефибраторы, мельницы под давлением и мельницы атмосферного давления. Полученное волокно смешивают со смолой и вулканизируют, как рассмотрено выше в отношении древесностружечной плиты. Как рассмотрено выше, облучение можно проводить на любой желательной стадии процесса, от облучения бревен, из которых формируют волокна, до облучения вулканизированной плиты.

В любом из этих процессов смола может представлять собой любую термопластическую, термореактивную пластмассу, эластомер, адгезив или смеси этих смол. Пригодные смолы включают эпоксиды, формальдегиды мочевины, меламины, фенольные смолы и уретаны.

Другие композиты формируют, например, экструзией, инжекционным формованием, формованием прессованием, центробежным формованием или литьем, смеси древесной стружки, частиц или волокон и связующей смолы или матрицы. В этом типе композита концентрация смолы, как правило, является более высокой, например от приблизительно 40% до приблизительно 80% смолы. Такие композиты можно облучать способом, описанным выше для древесностружечной плиты и фибролитовой плиты.

В некоторых вариантах осуществления частицы или волокна случайным образом ориентированы в матрице. В других вариантах осуществления волокна могут быть по существу ориентированы, например, в одном, двух, трех или четырех направлениях. При необходимости волокна могут быть непрерывными или дискретными. Частицы или волокна могут иметь высокое аспектное отношение (L/D). Например, среднее отношение длины к диаметру волокнистого материала может восставлять более 8/1, например более 10/1, более 15/1, более 20/1, более 25/1 или более 50/1. Средняя длина волокнистого материала может составлять, например, между приблизительно 0,5 мм и 2,5 мм, например между приблизительно 0,75 мм и 1,0 мм, и средняя ширина (т.е. диаметр) волокнистого материала может составлять, например приблизительно между 5 мкм и 50 мкм, например приблизительно между 10 мкм и 30 мкм.

В некоторых вариантах осуществления древесностружечную плиту, OSB или фибролитовую плиту используют в качестве промежуточного продукта для формирования ламината, например ламината высокого давления (HPL), или шпона. В этом случае материал покрытия, такой как бумага, фольга, меламин, пропитанная бумага или полимерная пленка, ламинируют на одну или обе широких поверхности плиты. Облучение можно проводить до, в процессе и/или после стадии ламинирования. В некоторых случаях облучение также может улучшить механические свойства покрытия, например, если покрытие включает бумагу, и таким образом может быть желательным проведение стадии облучения в процессе ламинирования или после него.

В любом из процессов, описанных выше, вместо древесной стружки и частиц можно использовать другие типы волокнистого материала, например волокнистый материал из целлюлозных источников.

Генерирование ионов

Для генерирования ионов, пригодных для пучков ионов, которые можно использовать при обработке целлюлозных или лигноцеллюлозных материалов, можно использовать различные способы. После генерирования ионов они, как правило, ускоряются в одном или нескольких типах ускорителей, а затем направляются на столкновение с целлюлозными или лигноцеллюлозными материалами.

(i) Ионы водорода

Ионы водорода можно генерировать в источнике ионов с использованием множества различных способов. Как правило, ионы водорода подаются в ионизирующую камеру источника ионов, и ионы образуются путем воздействия энергии на молекулы газа. В процессе работы такие камеры могут продуцировать большие ионные токи, пригодные для использования в последующем ускорителе ионов.

В некоторых вариантах осуществления ионы водорода генерируются путем ионизации поля газообразного водорода. Схема источника ионизации полем представлена на ФИГ.7. Источник 1100 ионизации полем включает камеру 1170, где происходит ионизация молекул газа (например, молекул газообразного водорода). Молекулы 1150 газа попадают в камеру 1170 путем течения вдоль направления 1155 в подводящей трубе 1120. Источник 1100 ионизации полем включает электрод 1110 для ионизации. В ходе работы к электроду 1110 прикладывают большой потенциал V_E (относительно обычного потенциала для заземления системы). Молекулы 1150, которые циркулируют в области, соседней с электродом 1110, ионизируются электрическим полем, которое появляется в результате потенциала V_E. Также в процессе работы прикладывается потенциал вытягивания V_X к устройствам 1130 для вывода. Вновь образующиеся ионы мигрируют в направлении устройств 1130 для вывода под влиянием электрических полей потенциалов V_E и V_X. В действительности вновь образованные ионы подвергаются действию сил отталкивания в отношении ионизирующего электрода 1110 и сил притяжения в отношении устройства 1130 для вывода. В результате некоторые из вновь образованных ионов поступают в отводящую трубу 1140 и распространяются в направлении 1165 под влиянием потенциалов V_E и V_X.

В зависимости от знака потенциала V_E (относительно обычного потенциала заземления) могут образовываться как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Например, в некоторых вариантах осуществления, положительный потенциал можно прикладывать к электроду 1110, а отрицательный потенциал можно прикладывать к устройству 1130 для вывода. Положительно заряженные ионы водорода (например, протоны H⁺), которые образуются в камере 1170, отгоняются от электрода 1110 в направлении устройства 1130 для вывода. В результате поток 1160 разряженных частиц включает положительно заряженные ионы водорода, которые транспортируются в систему инжектора.

В некоторых вариантах осуществления отрицательный потенциал можно прикладывать к электроду 1110, а положительный потенциал можно прикладывать к устройству 1130 для вывода. Отрицательно заряженные ионы водорода (например, гидрид ионы H^-), которые образуются в камере 1170, отгоняются от электрода 1110 в направлении устройства 1130 для вывода. Поток 1160 разряженных частиц включает отрицательно заряженные ионы водорода, которые затем транспортируются в систему инжектора.

В некоторых вариантах осуществления, как положительные, так и отрицательные, ионы водорода можно получать путем прямого нагревания газообразного водорода. Например, газообразный водород можно направлять, чтобы он входил в нагревающую камеру, которая является вакуумированной для удаления остаточного кислорода и других газов. Затем газообразный водород можно нагревать с помощью нагревательного элемента для генерирования ионных частиц. Пригодные нагревающие элементы включают, например, электроды дугового разряда, нити накала, нагревательные спирали и множество других элементов теплообмена.

В некоторых вариантах осуществления, когда ионы водорода продуцируются посредством либо полевой эмиссии, либо нагревания, могут продуцироваться различные типы ионов водорода, включая как положительно и отрицательно заряженные типы ионов, так и однозарядные и многозарядные типы ионов. Различные типы ионов можно отделять друг от друга с помощью одного или нескольких электростатических и/или магнитных сепараторов. На ФИГ.8 представлена схема электростатического сепаратора 1175, который адаптирован для разделения множества частиц ионов водорода друг от друга. Электростатический сепаратор 1175 включает пару параллельных электродов 1180, к которым прикладывается потенциал V_S из источника напряжения (не показан). Поток 1160 частиц, проходящий в направлении, указанном стрелкой, включает множество положительно и отрицательно заряженных, и однозарядных и многозарядных типов ионов. По мере прохождения различных ионов через электроды 1180 электрическое поле между электродами отклоняет траектории ионов в соответствии с величиной и знаком типов ионов. На ФИГ.8, например, электрическое поле направлено от нижнего электрода к верхнему электроду в области между электродами 1180. В результате положительно заряженные ионы отклоняются вдоль восходящей траектории на ФИГ.8, а отрицательно заряженные ионы отклоняются вдоль нисходящей траектории. Каждый из пучков 1162 и 1164 ионов соответствует положительно заряженным типам ионов, причем тип ионов в пучке 1162 ионов имеет больший положительный заряд, чем тип ионов в пучке 1164 (например, вследствие большего положительного заряда ионов в пучке 1162, пучок отклоняется в большей степени).

Аналогично, каждый из пучков 1166 и 1168 ионов соответствует отрицательно заряженному типу ионов, причем тип ионов в пучке 1168 ионов имеет больший отрицательный заряд, чем тип ионов в пучке 1166 ионов (и, тем самым, он в большей степени отклоняется электрическим полем между электродами 1180). Пучок 1169 включает нейтральные частицы, исходно присутствующие в пучке 1160 частиц; на нейтральные частицы электрическое поле между электродами 1180 влияет в меньшей степени, и, таким образом, они проходят через электроды без отклонения. Каждый из отдельных потоков частиц попадает в направляющие трубы 1192, 1194, 1196, 1198 и 1199, и может быть доставлен в систему инжектора для последующего ускорения частиц, или направлен так, чтобы падать непосредственно на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал. Альтернативно или дополнительно, любой или все из разделенных потоков частиц могут быть блокированы для препятствования достижения типами ионов и/или атомов целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. В качестве другой альтернативы, с использованием известных способов определенные потоки частиц можно объединять, а затем направлять в систему инжектора и/или направлять непосредственно, чтобы падать на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал.

Как правило, также в сепараторах пучка частиц для отклонения заряженных частиц в дополнение электрическим полям, или вместо них, могут использоваться магнитные поля. В некоторых вариантах осуществления сепараторы пучка частиц включают несколько пар электродов, где каждая пара электродов генерирует электрическое поле, которое отклоняет частицы, проходящие через него. Альтернативно или дополнительно, сепараторы пучка частиц могут включать один или несколько магнитных дефлекторов, которые адаптированы для отклонения заряженных частиц согласно величине и знаку зарядов частиц.

(ii) Ионы благородных газов

Атомы благородных газов (например, атомы гелия, атомы неона, атомы аргона) образуют положительно заряженные ионы при действии на них относительно сильных электрических полей. Таким образом, способы получения ионов благородных газов, как правило, включают генерирование высокоинтенсивного электрического поля, а затем подачу атомов благородных газов в область поля для обеспечения ионизации полем атомов газа. Схема генератора ионизации полем для ионов благородных газов (а также для других типов ионов) представлена на ФИГ.9. Генератор 1200 ионизации полем включает сужающийся электрод 1220, расположенный в камере 1210. Вакуумный насос 1250 находится в сообщении по текучей среде с внутренней стороной камеры 1210 через входной канал 1240, и в процессе работы он снижает давление фоновых газов в камере 1210. Один или несколько атомов благородных газов 1280 впускаются в камеру 1210 через впускную трубу 1230.

В процессе работы к сужающемуся электроду 1220 прикладывают относительно высокий положительный потенциал V_T (например, положительный относительного общего внешнего заземления). Атомы благородных газов 1280, которые попадают в область пространства, окружающего концевую часть электрода 1220, ионизируются сильным электрическим полем, простирающимся от концевой части; атомы газа теряют электрон на концевой части, и образуют положительно заряженные ионы благородного газа.

Положительно заряженные ионы благородных газов ускоряются от концевой части, и определенная фракция ионов газа 1290 проходит через устройство 1260 для выведения и выходную камеру 1210 в оптическую колонну, которая включает линзу 1270, которая далее отклоняет и/или фокусирует ионы.

Электрод 1220 сужается для повышения величины локального электрического поля вблизи вершины концевой части. В зависимости от остроты сужения и величины потенциала V_T область пространства в камере 1210, в которой происходит ионизация атомов благородных газов, можно относительно строго контролировать. В результате после выводящего устройства 1260 можно получить относительно хорошо коллимированный пучок ионов благородного газа 1290.

Как рассмотрено выше в отношении ионов водорода, конечный пучок ионов благородного газа 1290 может транспортироваться через оптическую колонну заряженных частиц, которая включает различные оптические элементы для отклонения и/или фокусирования пучка ионов благородного газа. Этот пучок ионов благородного газа также может проходить через электростатический и/или магнитный сепаратор, как рассмотрено выше применительно к ФИГ.8.

Ионы благородных газов, которые образуются в генераторе 1200 ионизации полем, включают ионы гелия, ионы неона, ионы аргона и ионы криптона. Кроме того, генератор 1200 ионизации полем можно использовать для формирования ионов других газообразных химических веществ, включая водород, азот и кислород.

Ионы благородных газов могут иметь конкретные преимущества относительно других типов ионов при обработке целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Например, в то время как ионы благородных газов могут реагировать с целлюлозными или лигноцеллюлозными материалами, нейтрализованные ионы благородных газов (например, атомы благородных газов), которые продуцируются в таких реакциях, как правило, являются инертными, и далее не реагируют с целлюлозным или лигноцеллюлозным материалом. Более того, нейтральные атомы благородных газов не остаются погруженными в целлюлозный или лигноцеллюлозный материал, а вместо этого диффундируют из материала. Благородные газы являются нетоксичными, и их можно использовать в больших количествах без неблагоприятных последствий как для здоровья человека, так и для окружающей среды.

(iii) Ионы углерода, кислорода и азота

Ионы углерода, кислорода и азота, как правило, могут продуцироваться ионизацией полем в такой системе, как источник 1100 ионизации полем или генератор 1200 ионизации полем. Например, молекулы газообразного кислорода и/или атомы кислорода (например, образованные нагреванием газообразного кислорода) могут подаваться в камеру, где молекулы и/или атомы кислорода подвергаются ионизации полем с образованием ионов кислорода. В зависимости от знака потенциала, прикладываемого к электроду для ионизации полем, могут образовываться положительно и/или отрицательно заряженные ионы. Предпочтительно, желаемый тип ионов может быть выбран из различных типов ионов и нейтральных атомов и молекул с помощью электростатического и/или магнитного сепаратора частиц, как показано на ФИГ.8.

В качестве другого примера, молекулы газообразного азота могут подаваться в камеру либо источником 1100 ионизации полем, либо генератором 1200 ионизации полем, и ионизироваться с образованием положительно и/или отрицательно заряженных ионов азота посредством относительно сильного электрического поля в камере. Затем желаемый тип ионов можно отделять от других ионных и нейтральных частиц с помощью электростатического и/или магнитного сепаратора, как показано на ФИГ.8.

Для образования ионов углерода атомы углерода могут поступать в камеру либо источника 1100 ионизации полем, либо генератора 1200 ионизации полем, где атомы углерода могут ионизироваться с образованием положительно и/или отрицательно заряженных ионов углерода. Желаемый тип ионов можно отделять от других ионных и нейтральных частиц с помощью электростатического и/или магнитного сепаратора, как показано на ФИГ.8. Атомы углерода, которые подаются в камеру либо источника 1100 ионизации полем, либо генератора 1200 ионизации полем, могут продуцироваться путем нагревания мишени на основе углерода (например, графитовой мишени) для обеспечения теплового испускания атомов углерода из мишени. Мишень может быть помещена относительно близко к камере, так чтобы испускаемые атомы углерода входили в камеру непосредственно после испускания.

(iv) Более тяжелые ионы

Ионы более тяжелых атомов, таких как натрий и железо, можно генерировать рядом способов. Например, в некоторых вариантах осуществления, тяжелые ионы, такие как ионы натрия и/или ионы железа, генерируют путем термоионной эмиссии из материала мишени, который включает натрий и/или железо, соответственно. Пригодные материалы мишеней включают материалы, такие как силикаты натрия и/или силикаты железа. Материалы мишеней, как правило, включают другие инертные материалы, такие как бета-оксид алюминия. Некоторые материалы мишеней представляют собой цеолитовые материалы, и включают каналы, образованные в них для обеспечения выхода ионов из материала мишени.

На ФИГ.10 представлен термоионный эмиссионный источник 1300, который включает нагревательный элемент 1310, который контактирует с материалом 1330 мишени, оба из которых расположены внутри вакуумированной камеры 1305. Нагревающий элемент 1310 контролируется контролером 1320, который регулирует температуру нагревающего элемента 1310 для контроля тока ионов, образующихся из материала 1330 мишени. Когда к материалу 1330 мишени применяют достаточное количество тепла, термоионное испускание из материала мишени генерирует поток ионов 1340. Ионы 1340 могут включать положительно заряженные ионы материалов, таких как атомные частицы натрия, железа и другие относительно тяжелые атомные частицы (например, ионы других металлов). Затем ионы 1340 могут коллимироваться, фокусироваться и/или иным образом отклоняться электростатическими и/или магнитными электродами 1350, которые также могут доставлять ионы 1340 в инжектор.

Термоионная эмиссия для формирования ионов относительно тяжелых типов атомов также рассмотрена, например, в патенте US № 4928033, под названием "Thermionic Ionization Source", полное содержание которого включено в настоящий документ в качестве ссылки.

В некоторых вариантах осуществления относительно тяжелые ионы, такие как ионы натрия и/или ионы железа, могут продуцироваться посредством сверхвысокочастотного разряда. На ФИГ.11 представлена схема источника 1400 сверхвысокочастотного разряда, который продуцирует ионы из относительно тяжелых атомов, таких как натрий и железо. Источник 1400 разряда включает генератор 1410 микроволнового поля, трубу световода 1420, концентратор 1430 поля и ионизационную камеру 1490. В ходе работы генератор 1410 поля продуцирует микроволновое поле, которое проходит через световод 1420 и концентратор 1430; концентратор 1430 увеличивает силу поля путем пространственного ограничения поля, как показано на ФИГ.11. Микроволновое поле попадает в ионизационную камеру 1490. В первой области внутри камеры 1490 соленоид 1470 продуцирует сильное магнитное поле 1480 в области пространства, которая также включает микроволновое поле. Источник 1440 доставляет атомы 1450 в эту область пространства. Концентрированное микроволновое поле ионизирует атомы 1450, и магнитное поле 1480, сгенерированное соленоидом 1470, ограничивает ионизированные атомы с образованием локализованной плазмы. Часть плазмы выходит из камеры 1490 в качестве ионов 1460. Затем ионы 1460 могут отклоняться и/или фокусироваться одним или несколькими электростатическими и/или магнитными элементами, и доставляться в инжектор.

Атомы 1450 материалов, таких как натрий и/или железа, могут генерироваться, например, тепловой эмиссией из материала мишени. Пригодные материалы мишеней включают материалы, такие как силикаты и другие стабильные соли, включая материалы на основе цеолита. Пригодные материалы мишеней также могут включать металлы (например, железо), которые могут быть нанесены на инертный материал подложки, такой как материал стекла.

Источники сверхвысокочастотного разряда также рассмотрены, например, в следующих патентах US: патент US № 4409520 под названием "Microwave Discharge Ion Sources" и патент US № 6396211 под названием "Microwave Discharge Type Electrostatic Accelerator Having Upstream and Downstream Acceleration Electrodes". Полное содержание каждого из представленных выше патентов включено в настоящий документ в качестве ссылки.

Источники пучка частиц

Источники пучка частиц, которые генерируют пучки для применения в облучении целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, как правило, включают три группы компонентов: инжектор, который генерирует или получает ионы и подает ионы в ускоритель; ускоритель, который получает ионы из инжектора и повышает кинетическую энергию ионов; и сопряженные с выведением элементы, которые манипулируют пучком ускоренных ионов.

(i) Инжекторы

Инжекторы могут включать, например, любой из источников ионов, рассмотренных в предшествующих разделах, который может предоставлять поток ионов для последующего ускорения. Также инжекторы могут включать различные типы электростатических и/или магнитных оптических элементов для частиц, включая линзы, дефлекторы, коллиматоры, фильтры и другие такие элементы. Эти элементы можно использовать для обработки пучка ионов перед вхождением в ускоритель; т.е. эти элементы можно использовать для контроля характеристик распространения ионов, которые поступают в ускоритель. Также инжекторы могут включать предварительно ускоряющие электростатические и/или магнитные элементы, которые ускоряют заряженные частицы до выбранного порога энергии перед поступлением в ускоритель. Пример инжектора представлен в Iwata, Y. et al.

(ii) Ускорители

Одним типом ускорителей, который можно использовать для ускорения ионов, продуцируемых с использованием источников, рассмотренных выше, является Dynamitron® (доступный, например, от Radiation Dynamics Inc., в настоящее время элемент IBA, Louvain-la-Neuve, Бельгия). Схема ускорителя Dynamitron® 1500 представлена на ФИГ.6 и рассмотрена выше.

Другим типом ускорителей, который можно использовать для ускорения ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, является ускоритель Rhodotron® (доступный, например, от IBA, Louvain-la-Neuve, Бельгия). Как правило, ускорители типа Rhodotron включают один рециркуляционный резонатор, через который ионы, подвергаемые ускорению, многократно проходят. В результате ускорители Rhodotron® могут работать в непрерывном режиме при относительно высоких постоянных токах ионов.

На ФИГ.12 представлена схема ускорителя Rhodotron® 1700. Ускоритель 1700 включает инжектор 1710, который подает ускоренные ионы в рециркуляционный резонатор 1720. Источник 1730 электрического поля расположен во внутренней камере 1740 резонатора 1720, и он генерирует колебательное радиальное электрическое поле. Частоту колебаний радиального поля выбирают так, чтобы она соответствовала времени однократного прохождения инжектированных ионов через рециркуляционную полость 1720. Например, положительно заряженный ион инъецируется в полость 1720 инжектором 1710, когда радиальное электрическое поле в полости имеет нулевую амплитуду. По мере прохождения ионов через камеру 1740 амплитуда радиального поля в камере 1740 возрастает до максимальной величины, а затем вновь снижается. Радиальное поле направлено внутрь камеры 1740, и ион ускоряется радиальным полем. Ион проходит через отверстие в стенке внутренней камеры 1740, пересекает геометрический центр резонатора 1720, и выходит через другое отверстие в стенке внутренней камеры 1740. Когда ион находится на входе в резонатор 1720, амплитуда электрического поля внутри резонатора 1720 снижается до нуля (или практически до нуля). Когда ион выходит из внутренней камеры 1740, амплитуда электрического поля в резонаторе 1720 начинает вновь возрастать, однако теперь поле ориентировано радиально наружу. Величина поля во время второй половины пути иона через резонатор 1720 снова достигает максимума, а затем начинает снижаться. В результате положительный ион вновь ускоряется электрическим полем, как только ион завершает вторую половину первого прохождения через резонатор 1720.

При достижении стенки резонатора 1720 величина электрического поля в резонаторе 1720 равна нулю (или практически равна нулю), и ион проходит через отверстие в стенке и встречает один из отклоняющих пучок магнитов 1750. Отклоняющие пучок магниты по существу изменяют траекторию иона на обратную, как показано на ФИГ.12, направляя ион на повторное вхождение в резонатор 1720 через другое отверстие в стенке камеры. Когда ион повторно входит в резонатор 1720, амплитуда электрического поля в нем снова начинает возрастать, но теперь оно опять ориентировано радиально внутрь. Второе и последующие прохождения иона через резонатор 1720 происходят сходным образом, так что ориентация электрического поля всегда совпадает с направлением движения иона, и ион ускоряется при каждом прохождении (и каждую половину пути) через резонатор 1720.

Как показано на ФИГ.12, после шести прохождений через резонатор 1720, ускоренный ион выходит из резонатора 1720 в качестве части ускоренного пучка 1760 ионов. Ускоренный пучок ионов проходит через один или несколько электростатических и/или магнитных оптических элементов 1770 частиц, которые включают линзы, коллиматоры, дефлекторы пучка, фильтры и другие оптические элементы. Например, под контролем внешнего логического устройства, элементы 1770 могут включать электростатический и/или магнитный дефлектор, который направляет ускоренный пучок 1760 через двухмерную плоскую область, ориентированную перпендикулярно направлению прохождения пучка 1760.

Ионы, инжектируемые в резонатор 1720, ускоряются при каждом прохождении резонатора 1720. Как правило, таким образом, для получения ускоренных пучков, имеющих различную среднюю энергию ионов, ускоритель 1700 может включать более одного сопряженного выхода. Например, в некоторых вариантах осуществления, один или несколько отклоняющих магнитов 1750 могут быть модифицированы так, чтобы позволить части ионов достигать магнита для выведения из ускорителя 1700, а часть ионов возвращалась в камеру 1720. Таким образом, из ускорителя 1700 можно получить множество ускоренных выходящих пучков, причем каждый пучок соответствует средней энергии ионов, которая связана с количеством прохождений через резонатор 1720 для ионов в пучке.

Ускоритель 1700 включает 5 отклоняющих магнитов 1750, и после инжекции в резонатор 1720 ионы делают 6 прохождений через резонатор. Однако, как правило, ускоритель 1700 может включать любое количество отклоняющих магнитов, и после инжекции в резонатор 1720 ионы могут осуществлять соответствующее количество прохождений через резонатор. Например, в некоторых вариантах осуществления, ускоритель 1700 может включать по меньшей мере 6 отклоняющих магнитов, и ионы могут осуществлять по меньшей мере 7 прохождений через резонатор (например, по меньшей мере 7 отклоняющих магнитов и 8 прохождений через резонатор, по меньшей мере 8 отклоняющих магнитов и 9 прохождений через резонатор, по меньшей мере 9 отклоняющих магнитов и 10 прохождений через резонатор, по меньшей мере 10 отклоняющих магнитов и 11 прохождений через резонатор).

Как правило, электрическое поле, образованное источником 1730 поля, обеспечивает возрастание при однократном прохождении через резонатор инжектированного иона, составляющее приблизительно 1 МэВ. Однако, как правило, является возможным более высокое возрастание при однократном прохождении путем обеспечения электрического поля в резонаторе 1720 с более высокой амплитудой. В некоторых вариантах осуществления, например, возрастание при однократном прохождении через резонатор составляет приблизительно 1,2 МэВ или более (например, 1,3 МэВ или более, 1,4 МэВ или более, 1,5 МэВ или более, 1,6 МэВ или более, 1,8 МэВ или более, 2,0 МэВ или более, 2,5 МэВ или более).

Возрастание при однократном прохождении через резонатор также зависит от величины заряда, который несет инжектированный ион. Например, ионы, несущие множество зарядов, претерпевают более высокое возрастание при однократном прохождении через резонатор, чем ионы, несущие единичные заряды, для того же электрического поля в резонаторе. В результате возрастание при однократном прохождении через резонатор в ускорителе 1700 можно далее повышать путем инжекции ионов, имеющих множество зарядов.

В представленном выше описании ускорителя 1700 положительно заряженный ион инжектировался в резонатор 1720. Ускоритель 1700 также может ускорять отрицательно заряженные ионы. Для этого отрицательно заряженные ионы подвергают инжекции так, чтобы направление их траекторий было не в фазе с направлением радиального электрического поля. Таким образом, инжекция отрицательно заряженных ионов происходит таким образом, что на каждой половине пути через резонатор 1720 направление траектории каждого иона является противоположным направлению радиального электрического поля. Достижение этого вовлекает простую коррекцию времени, за которое происходит инжекция отрицательно заряженных ионов в резонатор 1720. Таким образом, ускоритель 1700 способен одновременно ускорять ионы, имеющие ту же приближенную массу, но противоположные заряды. Более часто ускоритель 1700 способен одновременно ускорять различные типы как положительно, так и отрицательно заряженных (и как однозарядных, так и многозарядных) ионов при условии, что время прохождения ионов через резонатор 1720 является относительно сходным. В некоторых вариантах осуществления ускоритель 1700 может включать множество сопряжений с выходом, обеспечивая различные типы ускоренных пучков ионов, имеющих сходные или отличающиеся энергии.

Также для ускорения ионов для облучения целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать другие типы ускорителей. Например, в некоторых вариантах осуществления, ионы можно ускорять до относительно высокой средней энергии в ускорителях на базе циклотрона и/или синхротрона. Конструкция и работа таких ускорителей хорошо известны в данной области. В качестве другого примера, в некоторых вариантах осуществления, для генерирования и/или ускорения ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать источники ионов типа Пеннинга. Схема источника типа Пеннинга рассмотрена в разделе 7.2.1 Prelec (1997).

Также для ускорения ионов широко используют статические и/или динамические ускорители различных типов. Статические ускорители, как правило, включают множество электростатических линз, которые поддерживаются при различных DC-напряжениях. Путем выбора соответствующих значений напряжений, прикладываемых к каждому из элементов линз, ионы, поступающие в ускоритель, можно ускорять до выбранной конечной энергии. На ФИГ.13 представлена упрощенная схема статического ускорителя 1800, который адаптирован для ускорения ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала 1835. Ускоритель 1800 включает источник 1810 ионов, который продуцирует ионы и подает ионы в ионную колонну 1820. Ионная колонна 1820 включает множество электростатических линз 1825, которые ускоряют ионы, сгенерированные источником 1810 ионов, продуцируя пучок 1815 ионов. DC-напряжения прикладывают к линзам 1825; потенциалы линз остаются приблизительно постоянными в ходе работы. Как правило, электрический потенциал в каждой линзе является постоянным, и ионы пучка 1815 ионов ускоряются в зазорах между различными линзами 1825. Ионная колонна 1820 также включает отклоняющую линзу 1830 и коллимирующую линзу 1832. Эти две линзы действуют, направляя пучок 1815 ионов в выбранную область целлюлозного или лигноцеллюлозного материала 1835 и фокусируя пучок 1815 ионов на целлюлозном или лигноцеллюлозном материале.

Хотя на ФИГ.13 представлен конкретный вариант осуществления статического ускорителя, множество других вариантов являются возможными и пригодными для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. В некоторых вариантах осуществления, например, относительное расположение отклоняющей линзы 1830 и коллимирующей линзы 1832 по ионной колонне 1820 можно менять местами. Также в ионной колонне 1820 могут присутствовать дополнительные электростатические линзы, и ионная колонна 1820 может, кроме того, включать магнитостатические оптические элементы. В некоторых вариантах осуществления, в ионной колонне 1820 может присутствовать большое количество дополнительных элементов, включая дефлекторы (например, квадрупольные, гексапольные и/или октопольные дефлекторы), фильтрующие элементы, такие как отверстия для удаления нежелательных частиц (например, нейтральных частиц и/или определенных типов ионов) из пучка 1815 ионов, устройства для вывода (например, для установления пространственного профиля для пучка 1815 ионов), и другие электростатические и/или магнитостатические элементы.

Динамические линейные ускорители, часто называемые LINAC, также можно использовать для генерирования пучка ионов, который можно использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Как правило, динамические линейные ускорители включают ионную колонну с линейной серией радиочастотных резонаторов, каждый из которых продуцирует интенсивное колебательное радиочастотное (RF) поле, которое синхронизировано по времени с инжекцией и прохождением ионов в ионную колонну. В качестве примера, для генерирования RF-полей в резонаторах можно использовать устройства, такие как клистроны. Путем совмещения колебаний поля со временем инжекции ионов RF-резонаторы могут ускорять ионы до высоких энергий без сохранения пиковых потенциалов в течение длительных периодов времени. В результате LINAC, как правило, не имеют тех же требований к экранированию, что и DC-ускорители, и, как правило, имеют более короткую длину. LINAC, как правило, действуют с частотами 3 ГГц (S-полоса, как правило, ограничена до относительно низкой мощности) и 1 ГГц (L-полоса, способная значительно повышать работу на мощности). Типичные LINAC имеют общую длину 2-4 метра.

Схема динамического линейного ускорителя 1850 (например, LINAC) представлена на ФИГ.14. LINAC 1850 включает ионный источник 1810 и ионную колонну 1855, которая включает три ускоряющих резонатора 1860, дефлектор 1865 и фокусирующую линзу 1870. Дефлектор 1865 и фокусирующая линза 1870 функционируют, направляя и фокусируя пучок 1815 ионов на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал 1835 после ускорения, как рассмотрено выше. Ускоряющие резонаторы 1860 изготовлены из проводящего материала, такого как медь, и функционируют в качестве световода для ускоренных ионов. Клистроны 1862, соединенные с каждым из резонаторов 1860, генерируют динамические RF-поля, которые ускоряют ионы в резонаторах. Клистроны 1862 индивидуально адаптируют для продукции RF-полей, которые, вместе, ускоряют ионы в пучке 1815 ионов до конечной выбранной энергии перед попаданием на целлюлозный или лигноцеллюлозный материал 1835.

Как рассмотрено выше применительно к статическим ускорителям, возможны многие варианты динамического ускорителя 1850, и их можно использовать для генерирования пучка ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Например, в некоторых вариантах осуществления, также в ионной колонне 1855 могут присутствовать дополнительные электростатические линзы 1855, и ионная колонна 1855 может дополнительно включать магнитостатические элементы. В некоторых вариантах осуществления в ионной колонне 1855 может присутствовать большое количество дополнительных элементов, включая дефлекторы (например, квадрупольные, гексапольные и/или октопольные дефлекторы), фильтрующие элементы, такие как отверстия для удаления нежелательных частиц (например, нейтральных частиц и/или определенных типов ионов) из пучка 1815 ионов, устройства для вывода (например, для установления пространственного профиля для пучка 1815 ионов), и другие электростатические и/или магнитостатические элементы. В дополнение к конкретным статическим и динамическим ускорителям, рассмотренным выше, другие пригодные системы ускорителей включают, например: системы типа DC-трансформатор с изолированной магнитной сеткой (ICT), доступные от Nissin High Voltage, Япония; LINACS S-полосы, доступные от L3-PSD (США), Linac Systems (France), Mevex (Канада) и Mitsubishi Heavy Industries (Япония); LINACS L-полосы, доступные от Iotron Industries (Канада); и ускорители на основе ILU, доступные от Budker Laboratories (Россия).

В некоторых вариантах осуществления для генерирования и/или ускорения ионов для последующей обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать ускорители Ван-де-Граафа. На ФИГ.15 представлен вариант осуществления ускорителя 1900 Ван-де-Граафа, который включает электрод 1902 в сферической оболочке и изоляционный ремень 1906, который рециркулирует между электродом 1902 и основанием 1904 ускорителя 1900. В ходе работы ремень 1906 проходит над роликами 1910 и 1908 в направлении, показанном стрелкой 1918, и несет заряд в электрод 1902. Заряд снимается с ремня 1906 и переносится на электрод 1902, так чтобы величина электрического потенциала на электроде 1902 возрастала до тех пор, пока электрод 1902 не разрядится посредством искры (или альтернативно до тех пор, пока зарядный ток не уравновесится с током нагрузки).

Ролик 1910 заземлен, как показано на ФИГ.15. Коронный разряд поддерживается между серией точек или тонкой проволокой на одной стороне ремня 1906. Проволока 1914 адаптирована для поддержания коронного разряда в ускорителе 1900. Проволоку 1914 поддерживают при положительном потенциале, так что ремень 1906 перехватывает положительные ионы, двигающиеся от проволоки 1914 к ролику 1910. Поскольку ремень 1906 двигается в направлении стрелки 1918, перехваченные заряды переносятся на электрод 1902, где они удаляются с ремня 1906 острием 1916 иглы и транспортируются на электрод 1902. В результате на поверхности электрода 1902 накапливаются положительные заряды; эти заряды могут разряжаться с поверхности электрода 1902 и их можно использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. В некоторых вариантах осуществления ускоритель 1900 может быть адаптирован для обеспечения отрицательно заряженных ионов с помощью рабочей проволоки 1914 и острия 1916 иглы с отрицательным потенциалом относительно заземленного ролика 1910.

Как правило, ускоритель 1900 можно адаптировать для обеспечения широкого множества различных типов положительных и отрицательных зарядов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Иллюстративные типы зарядов включают электроны, фотоны, ионы водорода, ионы углерода, ионы кислорода, ионы галогена, ионы металл и другие типы ионов.

В некоторых вариантах осуществления для генерирования пучка ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать тандемные ускорители (включая изогнутые тандемные ускорители). Пример изогнутого тандемного ускорителя 1950 представлен на ФИГ.16. Ускоритель 1950 включает ускоряющую колонну 1954, отделитель 1956 зарядов, дефлектор 1958 пучка и источник 1952 ионов.

В ходе работы источник 1952 ионов генерирует пучок 1960 отрицательно заряженных ионов, которые направляются на вхождение в ускоритель 1950 через входное отверстие 1964. Как правило, источник 1952 ионов может представлять собой источник ионов любого типа, который генерирует отрицательно заряженные ионы. Например, пригодные источники ионов включают источник отрицательных ионов с распылением цезия (SNICS), RF-источник ионизации в газоразрядной камере или источник ионов с тороидным объемом (TORVIS). Каждый из представленных выше источников ионов доступен, например, от National Electrostatics Corporation (Middleton, WI).

После попадания внутрь ускорителя 1950 отрицательные ионы в пучке 1960 ускоряются ускоряющей колонной 1954. Как правило, ускоряющая колонна 1954 включает множество ускоряющих элементов, таких как электростатические линзы. Разность потенциалов, применяемую в колонне 1954 для ускорения отрицательных ионов, можно генерировать с использованием различных типов устройств. Например, в некоторых вариантах осуществления (например, ускорители Pelletron®), потенциал генерируется с использованием зарядного устройства Pelletron®. Устройства Pelletron® включают несущий заряд ремень, который образован из множества металлических (например, стальных) цепных связей или шариков, которые соединены изоляционными соединительными вставками (например, образованными из материала, такого как нейлон). В ходе работы ремень рециркулирует между парой роликов, один из которых поддерживается на потенциале заземления. По мере того как ремень перемещается между заземленным роликом и противоположным роликом (например, терминальным роликом), металлические шарики положительно заряжаются путем индукции. При достижении терминального ролика положительный заряд, накопленный на ремне, снимается, и шарики отрицательно заряжаются, по мере того как они покидают терминальный ролик и возвращаются к заземленному ролику.

Устройство Pelletron® генерирует большой положительный потенциал в колонне 1954, который используется для ускорения отрицательных ионов пучка 1960. После ускорения в колонне 1954 пучок 1960 проходит через отделитель 1956 зарядов. Отделитель 1956 зарядов может быть выполнен в качестве тонкой металлической фольги и/или трубки, содержащей газ, который, например, отделяет электроны от отрицательных ионов. Таким образом, отрицательно заряженные ионы конвертируются в положительно заряженные ионы, которые выходят из отделителя 1956 зарядов. Траектории выхода положительно заряженных ионов изменяются так, что положительно заряженные ионы возвращаются через ускоряющую колонну 1954, подвергаясь второму ускорению в колонне перед выходом в качестве положительно заряженного пучка 1962 ионов из выходного отверстия 1966. Затем положительно заряженный пучок 1962 ионов может быть использован для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала согласно различным способам, описанным в настоящем документе.

Вследствие изогнутой геометрии ускорителя 1950 ионы ускоряются до кинетической энергии, которая соответствует удвоенной разности потенциалов, генерируемой зарядным устройством Pelletron®. Например, в ускорителе Pelletron® 2 МВ, гидридные ионы, которые подаются из источника 1952 ионов могут ускоряться до промежуточной энергии 2 МэВ в процессе первого прохождения через колонну 1954, конвертироваться в положительные ионы (например, протоны), и ускоряться до конечной энергии 4 МэВ в ходе второго прохождения через колонну 1954.

В некоторых вариантах осуществления колонна 1954 может включать элементы в дополнение к зарядному устройству Pelletron®, или альтернативно ему. Например, колонна 1954 может включать статические элементы ускорения (например, DC-электроды) и/или динамические ускоряющие резонаторы (например, резонаторы типа LINAC с генераторами импульсного RF-поля для ускорения частиц). Потенциалы, прикладываемые к различным ускоряющим устройствам, выбирают так, чтобы ускорять отрицательно заряженные ионы пучка 1960.

Иллюстративные тандемные ускорители, включая как изогнутые, так и неизогнутые ускорители, доступны, например, от National Electrostatics Corporation (Middleton, WI).

В некоторых вариантах осуществления для генерирования пучков ионов, которые пригодны для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, можно использовать комбинации двух или более из различных типов ускорителей. Например, изогнутый тандемный ускоритель можно использовать в комбинации с линейным ускорителем, ускорителем Rhodotron®, Dynamitron®, статическим ускорителем, или ускорителем любого другого типа для генерирования пучка ионов. Ускорители можно использовать последовательно, причем выходящий пучок ионов из ускорителя одного типа направляется на вход ускорителя другого типа для дополнительного ускорения. Альтернативно, для генерирования множества пучков ионов можно использовать множество ускорителей параллельно. В некоторых вариантах осуществления для генерирования ускоренных пучков ионов можно использовать множество ускорителей одного типа параллельно и/или последовательно.

В некоторых вариантах осуществления для генерирования пучков ионов, имеющих различные составы, можно использовать множество сходных и/или различных ускорителей. Например, для генерирования пучка ионов одного типа можно использовать первый ускоритель, в то время как для генерирования пучка ионов второго типа можно использовать второй ускоритель. Затем каждый из пучков ионов можно далее ускорять в другом ускорителе или можно использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, для генерирования пучков ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала можно использовать один ускоритель. Например, любой из ускорителей, рассмотренных в настоящем документе (а также другие типы ускорителей), можно модифицировать для генерирования множества выходящих пучков ионов путем деления исходного тока ионов, подаваемого в ускоритель из источника ионов. Альтернативно или дополнительно, любой пучок ионов, генерируемый любым из ускорителей, описанных в настоящем документе, может включать только один тип ионов или множество различных типов ионов.

Как правило, когда для продукции одного или нескольких пучков ионов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала используют несколько различных ускорителей, множество различных ускорителей могут быть расположены в любом порядке относительно друг друга. Это обеспечивает значительную гибкость в отношении генерирования одного или нескольких пучков ионов, каждый из которых имеет тщательно подобранные свойства для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала (например, для обработки различных компонентов в целлюлозном или лигноцеллюлозном материале).

Ускорители ионов, описанные в настоящем документе, также можно использовать в комбинации с любой из других стадий обработки, описанных в настоящем документе. Например, в некоторых вариантах осуществления, электроны и ионы можно использовать в комбинации для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Электроны и ионы можно генерировать и/или ускорять по отдельности, и использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала последовательно (в любом порядке) и/или одновременно. В некоторых вариантах осуществления пучок электронов и ионов можно генерировать в обычном ускорителе и использовать для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала. Например, многие из ускорителей ионов, описанные в настоящем документе, могут быть адаптированы для генерирования пучка электронов в качестве альтернативы пучку ионов, или дополнительно к нему. Например, ускорители Dynamitron®, ускорители Rhodotron® и LINAC могут быть адаптированы для генерирования пучка электронов для обработки целлюлозного или лигноцеллюлозного материала.

Более того, обработку целлюлозного или лигноцеллюлозного материала пучком ионов можно комбинировать с другими способами, такими как обработка ультразвуком. Как правило, обработку на основе обработки ультразвуком проводят до, в процессе или после обработки ионами. Другие способы обработки, такие как обработка пучком электронов, также можно проводить в любой комбинации и/или в любом порядке с обработкой ультразвуком и обработкой пучком ионов.

Добавки

Любые из множества добавок, используемых при изготовлении композитов древесных волокон, но не ограничиваясь ими, добавки, описанные ниже, можно добавлять в композиты, описанные в настоящем документе, или применять к ним. Добавки, например, в форме твердого вещества или жидкости, можно добавлять к комбинации целлюлозного материала (например, древесных частиц или волокон) и смолы.

Добавки включают наполнители, такие как карбонат кальция, графит, волласчонит, слюда, стекло, стекловолокно, диоксид кремния и тальк; неорганические ингибиторы горения, такие как тригидрат оксида алюминия или гидроксид магния; органические ингибиторы горения, такие как хлорированные и бромированные органические соединения; измельченные строительные отходы; измельченный шинный каучук; углеродное волокно; или металлическое волокно или порошки (например, алюминий, нержавеющая сталь). Эти добавки могут усилить, расширить или изменить электрические, механические свойства и/или свойства совместимости.

Другие добавки включают лигнин, отдушки, связующие вещества, средства, улучшающие совместимость, например малеинированный полипропилен, технологические добавки, смазывающие вещества, например фторированный полиэтилен, пластификаторы, антиоксиданты, замутнители, термостабилизаторы, красители, пенообразующие вещества (например, эндотермические или экзотермические пенообразующие вещества), добавки, модифицирующие ударную прочность, полимеры, фотостабилизаторы, биоциды, антистатические средства, например стеараты или этоксилированные амины жирных кислот.

В случае лигнина лигнин можно добавлять к древесине или древесным волокнам так, чтобы он проникал в целлюлозный материал. В некоторых случаях лигнин подвергается поперечному сшиванию в процессе облучения, усиливая свойства облученного продукта. В некоторых вариантах осуществления лигнин добавляют для повышения содержания лигнина в целлюлозном материале, который в его естественном состоянии имеет низкое содержание лигнина. В некоторых вариантах осуществления лигнин растворяют в растворителе или системе растворителей и вводят в древесину, например, под высоким давлением. Растворитель или система растворителей может быть в форме одной фазы, или двух, или более фаз. Системы растворителей для целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов включают системы DMSO-соль. Такие системы включают, например, DMSO в комбинации с солью лития, магния, калия, натрия или цинка. Соли лития включают LiCl, LiBr, LiI, перхлорат лития и нитрат лития. Соли магния включают нитрат магния и хлорид магния. Соли калия включают йодид и нитрат калия. Примеры солей натрия включают йодид и нитрат натрия. Примеры солей цинка включают хлорид и нитрат цинка. Любая соль может быть безводной или гидратированной. Типичное содержание соли в DMSO составляет между приблизительно 1 и приблизительно 50 процентами, например между приблизительно 2 и 25, между приблизительно 3 и 15 или между приблизительно 4 и 12,5 процентами по массе.

Пригодные антистатические соединения включают проводящие углистые вещества, углеродное волокно, металлические наполнители, катионные соединения, например четвертичные соединения аммония, например хлорид N-(3-хлор-2-гидроксипропил)триметиламмония, алканоламиды и амины. Иллюстративные деградируемые полимеры включают полигидроксикислоты, например полилактиды, полигликолиды и сополимеры молочной кислоты и гликолевой кислоты, поли(гидроксимасляную кислоту), поли(гидроксивалериановую кислоту), сополимер лактида и e-капролактона, сополимер гликолида и e-капролактона, поликарбонаты, поли(аминокислоты), поли(гидроксиалканоат)ы, полиангидриды, сложные полиортоэфиры и смеси этих полимеров.

Когда описанные добавки включены, они могут присутствовать в количествах, вычисленных в расчете на сухую массу, составляющих от менее 1 процента вплоть до 15 процентов в расчете на общую массу волокнистого материала. Более конкретно, количества находятся в диапазоне от приблизительно 0,5 процента до приблизительно 7,5 процентов по массе.

Любые добавки, описанные в настоящем документе, могут быть инкапсулированными, например высушенными распылительной сушкой, или микроинкапсулированными, например, для защиты добавок от нагревания или влажности в процессе хранения.

Волокнистые материалы, уплотненные волокнистые материалы, смолы или добавки можно окрашивать. Например, волокнистый материал можно окрашивать до комбинирования со смолой и смешивания с получением композитов. В некоторых вариантах осуществления это окрашивание может быть полезно при маскировании или скрывании волокнистого материала, особенно крупных агломератов волокнистого материала, в подвергнутых формованию или экструзии частях, когда это желательно. Такие крупные агломераты, когда они присутствуют в относительно высоких концентрациях, могут выглядеть как крупинки на поверхностях подвергнутых формованию или экструзии частей.

Например, желаемый волокнистый материал можно окрашивать с использованием кислотного красителя, прямого красителя или реактивного красителя. Такие красители доступны от Spectra Dyes, Kearny, NJ или Keystone Aniline Corporation, Chicago, IL. Конкретные примеры красителей включают SPECTRA^TM LIGHT YELLOW 2G, SPECTRACID^TM YELLOW 4GL CONC 200, SPECTRANYL^TM RODAMINE 8, SPECTRANYL^TM NEUTRAL RED B, SPECTRAMINE^TM BENZOPERPURINE, SPECTRADIAZO^TM BLACK OB, SPECTRAMINE^TM TURQUOISE G и SPECTRAMINE^TM GREY LVL 200%, каждый из которых доступен от Spectra Dyes.

В некоторых вариантах осуществления с красителями смешивают концентраты красителей в смолах, содержащих пигменты. Когда такие смеси затем смешивают с желательным количеством волокнистого материала, волокнистый материал может окрашиваться in situ в процессе перемешивания. Концентраты красителей доступны от Clariant.

Может быть преимущественным добавление в волокнистый материал или композиты ароматизатора или отдушки. Например, для композитов может быть преимущественным иметь запах и/или быть подобными природному дереву, например кедру. Например, отдушки, например отдушки природной древесины, можно примешивать к смоле, используемой для изготовления композита. В некоторых вариантах осуществления отдушку смешивают непосредственно со смолой в качестве масла. Например, масло можно изготавливать в виде смолы с использованием роликовой мельницы, например смесителя Banbury® или экструдера, например двухшнекового экструдера со встречным движением шнеков. Примером смесителя Banbury® является смеситель F-Series Banbury®, изготавливаемый Farrel. Примером двухшнекового экструдра является WP ZSK 50 MEGAcompunder^TM, изготавливаемый Krupp Werner & Pfleiderer. После примешивания ароматизированную смолу можно добавлять к волокнистому материалу и экструдировать или формовать. Альтернативно, маточные смеси смол с ароматизаторами являются коммерчески доступными от International Flavors и Fragrances, под торговым названием Poly Iff^TM, или от RTP Company. В некоторых вариантах осуществления количество отдушки в композите составляет между приблизительно 0,005% по массе и приблизительно 2% по массе, например между приблизительно 0,1% и приблизительно 1%.

Другие отдушки природной древесины включают отдушки хвойных деревьев или красного дерева. Другие отдушки включают отдушки мяты перечной, вишни, земляники, персика, лайма, мяты курчавой, корицы, аниса, базилика, бергамота, черного перца, камфоры, ромашки, цитронеллы, эвкалипта, сосны, пихты, герани, имбиря, грейпфрута, жасмина, можжевеловой ягоды, лаванды, лимона, мандарина, майорана, мускуса, мирры, апельсина, пачули, розы, розмарина, шалфея, сандала, чайного дерева, тимьяна, грушанки, иланг-иланга, ванили, "новой машины" или смеси этих отдушек. В некоторых вариантах осуществления количество отдушки в комбинации волокнистый материал-отдушка составляет между приблизительно 0,005% по массе и приблизительно 20% по массе, например между приблизительно 0,1% и приблизительно 5% или 0,25% и приблизительно 2,5%.

Пригодные наполнители включают, например, неорганические наполнители, такие как карбонат кальция (например, преципитированный карбонат кальция или природный карбонат кальция), аргонитовая глина, орторомбические глины, кальцитовые глины, ромбоэдрические глины, каолин, глина, бентонитовая глина, дикальцийфосфат, трикальцийфосфат, пирофосфат кальция, нерастворимый метафосфат натрия, преципитированный карбонат кальция, ортофосфат магния, тримагнийфосфат, гидроксиапатиты, синтетические апатиты, оксид алюминия, ксерогель на основе диоксида кремния, алюминосиликатные комплексы металлов, алюмосиликаты натрия, силикат циркония, диоксид углерода или комбинации неорганических добавок. Наполнители могут иметь, например, размер частиц более 1 микрометра, например более 2 микрометров, 5 микрометров, 10 микрометров, 25 микрометров или даже более 35 микрометров.

Также можно использовать наполнители нанометрового диапазона отдельно, или в сочетании с волокнистыми материалами любого размера и/или формы. Наполнители могут быть в форме, например, частиц, пластины или волокна. Например, можно использовать глины нанометрового размера, кремниевые и углеродные нанотрубки и кремниевые и углеродные нанопровода. Наполнитель может иметь поперечный размер менее 1000 нм, например менее 900 нм, 800 нм, 750 нм, 600 нм, 500 нм, 350 нм, 300 нм, 250 нм, 200 нм, менее 100 нм или даже менее 50 нм.

В некоторых вариантах осуществления наноглина представляет собой монтмориллонит. Такие глины доступны от Nanocor, Inc. и Southern Clay Products, и они описаны в патентах US №№ 6849680 и 6737464. Глины можно подвергать поверхностной обработке перед примешиванием, например, в смолу или волокнистый материал. Например, глину можно подвергать поверхностной обработке, чтобы ее поверхность имела ионные свойства, например катионные или анионные.

Также можно использовать агрегированные или агломерированные наполнители нанометрового диапазона, или наполнители нанометрового диапазона, которые собираются в надмолекулярные структуры, например самоагрегированные надмолекулярные структуры. Агрегированные или агломерированные наполнители могут иметь открытую или закрытую структуру, и они могут иметь различные формы, например решетчатую, трубчатую или сферическую.

Технологическая вода

В процессах, описанных в настоящем документе, когда в каком-либо из процессов используют воду, она может представлять собой бытовые сточные воды, например городские сточные воды, или фекальные воды. В некоторых вариантах осуществления сточную или фекальную воду стерилизуют перед применением. Стерилизацию можно проводить любым желаемым способом, например посредством облучения, паровой или химической стерилизации.

Примеры

Представленные ниже примеры не являются ограничивающими для изобретения, описанного в формуле изобретения.

Пример 1 - Способы определения молекулярной массы целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов посредством гель-проникающей хроматографии

В этом примере проиллюстрировано, как определяют молекулярную массу материалов, рассмотренных в настоящем документе. Целлюлозные и лигноцеллюлозные материалы для анализа обрабатывали следующим образом:

Стапель, массой 1500 фунтов (680 кг), из чистого отбеленного крафт-картона, имеющего объемную плотность 30 фунт/фут³ (0,48 г/см³), получали от International Paper. Материал складывали до плоского состояния, а затем подавали в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения было оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливали на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства для измельчения материал напоминал конфетти (см. выше). Похожий на конфетти материал подавали в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имело отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливали приблизительно на 0,020 дюйма (0,05). Резательное устройство с вращающимся ножом дробило похожие на конфетти фрагменты краями лезвий. Материал, полученный после первого дробления, снова подавали в ту же описанную выше установку, и сито заменяли на сито с отверстиями 1/16 дюйма (0,16 см). Материал дробили. Материал, полученный после второго дробления, снова подавали в ту же описанную выше установку, и сито заменяли на сито с отверстиями 1/32 дюйма (0,08 см). Этот материал дробили. Полученный волокнистый материал имел площадь поверхности BET 1,6897±0,0155 м²/г, пористость 87,7163 процентов и объемную плотность (при 0,53 фунта на кв. дюйм абс. (3,7 кПа)) 0,1448 г/мл. Средняя длина волокон составляла 0,824 мм, и средняя ширина волокон составляла 0,0262 мм, давая среднее L/D 32:1.

Материалы образцов, представленные в следующих таблицах 1 и 2, ниже, включают крафт-бумагу (P), пшеничную солому (WS), люцерну (A) и просо (SG). Число "132" в ID образца относится к размеру частиц материала после дробления через сито с отверстиями 1/32 дюйма (0,08 см). Число после дефиса относится к дозировке радиационного излучения (Мрад), и "US" относится к ультразвуковой обработке. Например, ID образца "P132-10" относится к крафт-бумаге, которую подвергали дроблению до размера частиц калибра 132 и облучали дозой 10 Мрад.

Гель-проникающую хроматографию (GPC) используют для определения распределения молекулярной массы полимеров. В ходе анализа GPC раствор образца полимера пропускают через колонну, заполненную пористым гелем, улавливающим небольшие молекулы. Образец разделяется на основе размера молекул, причем более крупные молекулы элюируются быстрее молекул меньших размеров. Время удержания каждого компонента наиболее часто определяют с помощью индекса рефракции (RI), рассеяния света при испарении (ELS) или ультрафиолетового излучения (UV) и сравнивают с калибровочной кривой. Затем полученные данные используют для вычисления распределения молекулярной массы для образца.

Распределение молекулярной массы используют для охарактеризации синтетических полимеров вместо индивидуальной молекулярной массы. Для охарактеризации этого распределения используют статистические средние значения. Наиболее распространенным из этих средних значений являются "среднечисленная молекулярная масса" (M_n) и "средневзвешенная молекулярная масса" (M_w).

M_n сходна со стандартным арифметическим средним значением, ассоциированным с группой чисел. При применении к полимерам M_n относится к средней молекулярной массе молекул в полимере. M_n вычисляют, предполагая один уровень значимости каждой молекулы, независимо от ее индивидуальной молекулярной массы. Среднюю M_n вычисляют по следующей формуле, где N_i представляет собой количество молекул с молярной массой, равной M_i. Способы вычисления этих величин описаны, например, в примере 9 WO 2008/073186.

Индекс полидисперсности или PI определяют как отношение M_w/M_n. Чем более высоким является PI, тем более широким или более дисперсным является распределение. Наиболее низкое значение, которое может иметь PI, составляет 1. Оно соответствует монодисперсному образцу; т.е. полимеру, в котором все молекулы в распределении имеют одинаковую молекулярную массу.

Пиковое значение молекулярной массы (M_P) является другим описательным признаком, определяемым как мода распределения молекулярной массы. Оно означает молекулярную массу, которая наиболее распространена в распределении. Эта величина также дает представление о распределении молекулярной массы.

Большинство измерений GPC проводят относительно различных стандартов полимеров. Точность результатов зависит от того, насколько близко характеристики анализируемого полимера совпадают с характеристиками используемого стандарта. Ожидаемая ошибка воспроизводимости между различными сериями определений, калиброванными по отдельности, составляет приблизительно 5-10% и является характерной для ограниченной точности определений GPC. Таким образом, результаты GPC являются наиболее пригодными, когда проводят сравнение между распределениями молекулярной массы различных образцов в ходе одной серии определений.

Для лигноцеллюлозных образцов перед анализом GPC требовалась подготовка. Сначала приготавливали насыщенный раствор (8,4% по массе) хлорида лития (LiCl) в диметилацетамиде (DMAc). Приблизительно 100 мг каждого образца добавляли приблизительно к 10 г свежеприготовленного насыщенного раствора LiCl/DMAc, и смесь нагревали приблизительно до 150°C-170°C при перемешивании в течение 1 часа. Полученные растворы имели цвет, главным образом, от светло-желтого до темно-желтого. Температуру растворов снижали приблизительно до 100°C, и растворы нагревали в течение дополнительных 2 часов. Затем температуру растворов снижали приблизительно до 50°C, и растворы образцов нагревали в течение приблизительно от 48 до 60 часов. Следует отметить, что образцы, облученные при 100 Мрад, легче солюбилизировались по сравнению с их необработанными аналогами. Кроме того, раздробленные образцы (обозначенные числом 132) имели немного более низкую среднюю молекулярную массу по сравнению с ненарезанными образцами.

Полученные растворы образцов разбавляли 1:1 с использованием DMAc в качестве растворителя и фильтровали через 0,45-мкм фильтр PTFE. Затем отфильтрованные растворы образцов анализировали с помощью GPC. Пиковая средняя молекулярная масса (Mp) образцов, при определении гель-проникающей хроматографией (GPC), обобщенно представлена в таблицах 1 и 2, в условиях анализа, представленных в таблице 3. Каждый образец приготавливали в двух экземплярах, и каждый препарат образца анализировали в двух параллелях (две инъекции), всего с четырьмя инъекциями на образец. Для получения калибровочной кривой для шкалы молекулярной массы приблизительно от 580 до 750000 Дальтон использовали полистироловые стандарты PS1A и PS1B EasiCal.

Пример 2 - Обработка радиационным излучением образцов самшита

Доски самшита, толщиной 1/8 дюйма (0,32 см), обрабатывали облучением пучком электронов (пучок 5 МэВ), в дозировках от 1 Мрад до 100 Мрад, причем номер после "B" в таблицах, представленных ниже, указывает на полученную дозу (например, B означает, что доску не облучали, B1 означает, что доска получила 1 Мрад, и B10 означает, что доска получила 10 Мрад). Затем тестировали прочность досок при изгибе с использованием ASTM D 790 и D 143 (скорость поперечины составляла 0,1 дюйма/мин (0,25 см/мин), и зазор/толщина составляли 14:1), и прочность на разрыв тестировали с использованием ASTM D 638 (с использованием образцов типа I и скорости поперечины 0,2 дюйма/мин (0,5 см/мин)). Результаты этого тестирования представлены в таблицах I и II, ниже.

Пример 3 - Получение раздробленного волокнистого материала из отбеленного крафт-картона

Стапель, массой 1500 фунтов (680 кг), из чистого отбеленного крафт-картона, имеющего объемную плотность 30 фунт/фут³ (0,48 г/см³), получали от International Paper. Материал складывали до плоского состояния, а затем подавали в устройство для измельчения 3 hp Flinch Baugh со скоростью приблизительно от 15 до 20 фунтов в час (6,8-9,1 кг/ч). Устройство для измельчения было оборудовано двумя 12-дюймовыми (30-см) вращающимися лезвиями, двумя фиксированными лезвиями и 0,30-дюймовым (0,8-см) разгрузочным ситом. Расстояние между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливали на 0,10 дюйма (0,25 см). Выходящий из устройства для измельчения материал напоминал конфетти (см. выше). Похожий на конфетти материал подавали в резательное устройство с вращающимся ножом Munson, модель SC30. Разгрузочное сито имело отверстия 1/8 дюйма (0,32 см). Зазор между вращающимися и фиксированными лезвиями устанавливали приблизительно на 0,020 дюйма (0,05). Резательное устройство с вращающимся ножом дробило похожие на конфетти фрагменты краями лезвий. Материал, полученный после первого дробления, снова подавали в ту же описанную выше установку, и сито заменяли на сито с отверстиями 1/16 дюйма (0,16 см). Материал дробили. Материал, полученный после второго дробления, снова подавали в ту же описанную выше установку, и сито заменяли на сито с отверстиями 1/32 дюйма (0,08 см). Этот материал дробили. Полученный волокнистый материал имел площадь поверхности BET 1,6897±0,0155 м²/г, пористость 87,7163 процентов и объемную плотность (при 0,53 фунта на кв. дюйм абс. (3,7 кПа)) 0,1448 г/мл. Средняя длина волокон составляла 0,824 мм, и средняя ширина волокон составляла 0,0262 мм, давая среднее L/D 32:1.

Пример 4 - Переработка образцов необработанной древесины и композитов волокно/смола пучком электронов

Композиты толщиной 0,5 дюйма (1,3 см), которые включали 50 процентов по массе крафт-бумаги по примеру 3 и полиэтилена, получали согласно способу, описанному в "FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITES", PCT/US2006/010648, поданной 23 марта 2006 года. Доски из белой древесины с номинальной толщиной 0,5 дюйма (1,3 см) приобретали от Home Depot. Образцы обрабатывали пучком электронов с использованием дугообразного ускорителя с незатухающими волнами Rhodotron® TT200, доставляющего электроны с энергией 5 МэВ при выходной мощности 80 кВт. В таблице 4 описаны номинальные параметры для TT200. В таблице 5 описаны номинальные дозы (в Мрад) и истинные дозы (в кГр), доставляемые к образцам.

Все образцы были более жесткими на ощупь, чем необработанные контроли, но в остальном выглядели идентичными контролям.

Другие варианты осуществления

Понятно, что хотя изобретение описано с помощью его подробного описания, представленное выше описание предназначено для иллюстрации, а не для ограничения объема изобретения, которое определяется объемом прилагаемой формулы изобретения. Другие аспекты, преимущества и модификации находятся в объеме прилагаемой формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к способам производства целлюлозных и лигноцеллюлозных структурных материалов, таких как древесина и композиты на основе древесных волокон. Осуществляют гашение древесины, облученной радиационным излучением по меньшей мере 0,1 Мрад, имеющим энергию по меньшей мере 1 МэВ. Содержание влаги в древесине составляет менее чем 35 процентов по массе перед облучением. Облучение увеличивает молекулярную массу целлюлозного компонента древесины с первой молекулярной массы до второй. Вторая молекулярная масса по меньшей мере на 10 процентов превышает первую молекулярную массу. Облучение ионизирующим излучением проводят на уровне от 0,25 до 2,5 Мрад. Древесину облучают гамма-излучением или пучком электронов. Электроны имеют энергию по меньшей мере 1,25 МэВ. Гашение проводят в присутствии газа, выбранного так, чтобы он реагировал с радикалами, присутствующими в облученной древесине. Увеличение молекулярной массы составляет по меньшей мере 50 процентов. Поверхность облученной древесины обрабатывают покрытием. Облученную и гашеную древесину используют при изготовлении ламината. По второму варианту осуществления способа облучают древесину, в которую введена жидкость, содержащая лигнин. Улучшаются механические свойства целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов, обеспечивается ингибирование роста грибов. 2 н. и 13 з. п. ф-лы, 16 ил.

Формула