纤维植物材料的木质素改性的无废物处理和木质素改性的纤维植物材料

本公开总体上涉及纤维植物材料的处理，更具体地，涉及用于改性纤维植物材料中的天然木质素的无废物(或至少减少废物)处理及由该处理获得的产品。

背景技术：

1、纤维植物材料具有替代多种不可再生和/或石油产品的潜力，可促进社会的可持续发展。最近在将天然木材处理成高性能、低成本和可持续的结构材料方面取得的进展，为替代建筑、汽车和航空航天工业中广泛使用的现有结构材料(例如，钢和其它合金)开辟了一条前景广阔的道路。例如，通过部分去除天然木材中的木质素和半纤维素，然后进行致密处理，制备得到的致密木材强度可达580mpa。此外，通过去除90％的木质素，同时保持纤维素的高聚合度，还能制造出强度高达1gpa的纳米纤维素薄膜。然而，在传统的木质素去除技术中，脱木质素过程会消耗相对较多的化学品，并产生相对较多的液体废物，从而造成额外的运营成本、能源消耗和环境问题。本公开主题的实施方式可解决一个或多个上述问题和缺点等。

技术实现思路

1、所公开主题的实施方式提供了木质素改性的纤维植物材料以及用于纤维植物材料的木质素改性的基本无废物处理。在一些实施方式中，天然纤维植物材料(例如，木材、竹子等)可通过天然植物微观结构的天然通道(例如，纤维植物材料纵向细胞的基于纤维素的壁形成的管腔)等渗入或注入一种或多种化学品。然后，可对化学品渗入的植物材料进行加热，以得到软化的植物材料，其中保留了天然植物材料的纤维素基微观结构以及起始材料中存在的大部分或基本上全部木质素。在一些实施方式中，保留的木质素可被改性，例如，与天然木质素相比，其大分子链缩短。

2、在一些实施方式中，该过程可以不产生或尽量少产生液体废物(例如，黑液)。相反，木质素和/或半纤维素的解聚片段可固定在软化植物材料的微观结构中。在一些实施方式中，用于产生改性的大部分或基本上全部化学品可在加热过程中与木质素和半纤维素发生反应，例如，生成ph值为中性的软化的植物材料。在一些实施方式中，软化的植物材料可以经受致密(例如，通过按压)和/或干燥，以产生具有所需机械性能(例如，增加强度、增加柔性、各向异性弹性等)的结构材料。在一些实施方式中，处理过程中产生的任何流体(例如，在致密过程中挤出的流体和/或在干燥过程中蒸发的流体或逸散的蒸汽)可以基本上不含用于产生改性的任何化学品和/或由此产生的盐。

3、在一个或多个实施方式中，该方法可以包括用一种或多种化学溶液渗透天然纤维植物材料块。该方法还包括在渗透后，使其中具有一种或多种化学溶液的天然纤维植物材料块经受至少80℃的第一温度，保持第一时间，以产生纤维植物材料软化块。软化块中改性木质素的含量可以是天然纤维植物材料块中天然木质素的含量的至少90％。保留在软化块中的改性木质素可以具有比纤维植物材料中的天然木质素更短的大分子链。

4、在一个或多个实施方式中，结构可以包括纤维植物材料致密块。纤维植物材料致密块的密度至少为1.0g/cm3，其中具有改性木质素。与天然纤维植物材料中的天然木质素相比，改性木质素的大分子链更短。

5、在一个或多个实施方式中，结构可以包括纤维植物材料干燥块。纤维植物材料干燥块中可含有改性木质素，并可保留天然纤维植物材料天然微观结构的开放腔。与天然纤维植物材料中的天然木质素相比，改性木质素的大分子链更短。

6、本公开的各种创新中的任何一种都可以组合使用或单独使用。提供本技术实现要素：，是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。从参考附图进行的以下详细描述中，所公开技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。

技术特征：

1.方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在(b)之后的所述软化块中改性半纤维素的含量是在(a)之前的所述天然纤维植物材料块中天然半纤维素的含量的至少90％。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在(b)之后，所述纤维植物材料软化块包含所述一种或多种化学溶液的盐。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述盐是固定在所述纤维植物材料软化块内的基本上ph中性的盐。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述盐通过所述一种或多种化学溶液与在(b)期间由所述一种或多种化学溶液产生的所述天然纤维植物材料块中天然半纤维素的酸性降解产物反应而形成。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一种或多种化学溶液包括碱性溶液。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述碱性溶液包含对甲苯磺酸、naoh、naoh+na2so3/na2so4、naoh+na2s、nahso3+so2+h2o、nahso3+na2so3、naoh+na2so3、naoh/nah2o3+aq、naoh/na2s+aq、naoh+na2so3+aq、na2so3+naoh+ch3oh+aq、nahso3+so2+aq、naoh+na2sx，用lioh或koh代替naoh的任何前述物质，或前述的任何组合，其中，aq是蒽醌。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度在80-180℃范围内，包括端值。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度在120-160℃范围内，包括端值。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，渗透在所述天然纤维材料块中的所述一种或多种化学溶液在(b)期间被消耗。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，渗透在所述天然纤维材料块中的所述一种或多种化学溶液的至少90％在(b)期间被消耗。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，在(b)之后的所述纤维植物材料软化块具有基本上中性的ph值。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间为至少1小时。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时间在1-5小时的范围内，包括端值。

15.根据权利要求1所述的方法，其中：

16.根据权利要求15所述的方法，其中：

17.根据权利要求1所述的方法，其中，经受(b)的所述第一温度包括使用蒸汽来加热其中具有所述一种或多种化学溶液的所述天然纤维植物材料块。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，使用蒸汽对其中具有所述一种或多种化学溶液的天然纤维植物材料块进行加热在压力反应器或流通式蒸汽反应器中进行。

19.根据权利要求1所述的方法，在(b)之后还包括：

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一密度为至少1.15g/cm3。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二密度小于1.0g/cm3。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一密度为至少1.2g/cm3。

23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一密度为至少1.3g/cm3。

24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述压缩的方向与所述纤维植物材料软化块的纵向生长方向交叉。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，在(c)之前的所述纤维植物材料软化块沿基本上垂直于纵向生长方向的方向具有第一厚度，所述第一厚度是沿基本上垂直于所述纤维植物材料致密块的所述纵向生长方向的方向的第二厚度的至少两倍。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一厚度在所述第二厚度的三倍至五倍之间，包括端值。

27.根据权利要求19所述的方法，其中，在(c)之后的所述纤维植物材料致密块在500nm至2500nm包括端值的第一波长范围内具有小于或等于35％的最大反射率。

28.根据权利要求19所述的方法，其中，在(c)之后的所述纤维植物材料致密块在500nm至1000nm包括端值的第二波长范围内的反射率在0-20％包括端值的范围内。

29.根据权利要求19所述的方法，其中，在(c)之后的所述纤维植物材料致密块具有至少500mpa的强度。

30.根据权利要求19所述的方法，其中，所述压缩包括在至少5mpa的压力下按压所述纤维植物材料软化块。

31.根据权利要求19所述的方法，其中，所述压缩包括在5-20mpa包括端值范围内的压力下按压所述纤维植物材料软化块。

32.根据权利要求19所述的方法，其中，所述压缩包括在经受至少80℃的第二温度的同时按压所述纤维植物材料软化块。

33.权利要求32的方法，其中，所述第二温度在80-180℃包括端值的范围内。

34.权利要求32的方法，其中，所述第二温度在100-160℃包括端值的范围内。

35.根据权利要求19所述的方法，其中，所述压缩包括：

36.根据权利要求35所述的方法，其中，在使所述软化块经受第一按压温度的同时在所述第一压力下按压，保持第二时间，并且在使所述软化块经受高于所述第一按压温度的第二按压温度的同时在所述第二压力下按压，保持第三时间。

37.根据权利要求36所述的方法，其中：

38.根据权利要求19所述的方法，其中，在(a)之前的所述天然纤维植物材料块的第一含水量大于在(c)之后的所述纤维植物材料致密块的第四含水量。

39.根据权利要求38所述的方法，其中：

40.根据权利要求19所述的方法，其中：

41.根据权利要求19所述的方法，其中，在(c)之后，所述纤维植物材料致密块包含一种或多种化学溶液的盐。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，在(c)之后的所述纤维植物材料致密块具有基本上中性的ph值。

43.根据权利要求19所述的方法，其中，在(c)之前，在没有任何漂洗以去除所述一种或多种化学溶液的情况下形成所述纤维植物材料致密块。

44.根据权利要求1所述的方法，其中，(b)包括在经受所述第一温度的同时压缩所述纤维植物材料软化块，以产生纤维植物材料致密块，并且(c)之后的所述纤维植物材料致密块的第一密度大于(a)之前的所述天然纤维植物材料块的第二密度。

45.根据权利要求1所述的方法，在(b)之后还包括：

46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述干燥包括在室温下在空气中干燥。

47.根据权利要求45所述的方法，其中，所述第三密度大于1.0g/cm3，和所述第二密度小于0.5g/cm3。

48.根据权利要求45所述的方法，其中，所述纤维植物材料自致密块的强度大于300mpa。

49.根据权利要求1所述的方法，在(b)之后还包括：

50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述干燥包括冷冻干燥、临界点干燥、溶剂交换或前述的任何组合。

51.根据权利要求49所述的方法，其中，所述干燥块沿着垂直于所述纤维植物材料的纵向生长方向的方向基本上是弹性的，并且沿着平行于所述纵向生长方向的方向基本上是无弹性的。

52.根据权利要求1所述的方法，在(b)之后还包括：

53.根据权利要求52所述的方法，其中，在(f)期间所述再水化块的所述含水量为至少50重量％。

54.根据权利要求52所述的方法，在(f)之后还包括：

55.根据权利要求54所述的方法，其中，所述(g)的干燥包括暴露于空气或气体流、暴露于停滞体积的空气或气体、暴露于真空、暴露于室温、加热至室温以上的温度、或前述的任何组合。

56.根据权利要求1所述的方法，在(b)之后还包括：

57.根据权利要求1-56中任一项所述的方法，其中，在(a)之前的所述天然纤维植物材料块具有由基于纤维素的细胞壁形成的开放腔的天然微观结构，并且由(b)产生的所述软化块保留由所述基于纤维素的细胞壁形成的所述开放腔。

58.根据权利要求1-56中任一项所述的方法，其中，所述天然纤维植物材料是木材、竹子、芦苇或草。

59.根据权利要求1-56中任一项所述的方法，其中，(a)和(b)在不产生黑液或其他废液的情况下进行。

60.通过根据权利要求1-56中任一项所述的方法形成的纤维植物材料软化块。

61.通过根据权利要求19-48中任一项是的方法形成的纤维植物材料致密块。

62.通过根据权利要求49-56中任一项所述的方法形成的纤维植物材料干燥或模制块。

63.结构，包括：

64.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块中改性木质素的含量为所述天然纤维植物材料中天然木质素的含量的至少90％。

65.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块中改性木质素的含量至少为20重量％。

66.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块中改性半纤维素的含量为所述天然纤维植物材料中天然半纤维素的含量的至少90％。

67.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块中改性半纤维素的含量至少为15重量％。

68.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块的密度至少为1.15g/cm3。

69.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块的密度至少为1.2g/cm3。

70.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块的密度至少为1.3g/cm3。

71.根据权利要求63所述的结构，其中，所述天然纤维植物材料块的密度小于1.0g/cm3。

72.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块包含固定在微观结构纤维植物材料内的碱性化学品的盐。

73.根据权利要求72所述的结构，其中，所述盐基本上是ph中性的。

74.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块的含水量小于10重量％。

75.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块在基本上垂直于所述纤维植物材料的纵向生长方向的方向上被压缩，使得在所述纤维植物材料的微观结构中由基于纤维素的细胞壁形成的管腔基本塌陷。

76.根据权利要求63所述的结构，其中：

77.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块具有至少500mpa的强度。

78.根据权利要求63所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块通过空气干燥诱导的自致密形成，并且具有至少300mpa的强度。

79.根据权利要求78所述的结构，其中，所述纤维植物材料致密块的密度大于1.0g/cm3，并且所述天然纤维植物材料块的密度小于0.5g/cm3。

80.根据权利要求63所述的结构，其中，所述致密块具有非平面的三维配置。

81.结构，包括：

82.根据权利要求81所述的结构，其中，所述改性木质素在所述纤维植物材料干燥块中的含量为所述天然纤维植物材料中天然木质素的含量的至少90％。

83.根据权利要求81所述的结构，其中，所述改性木质素在所述纤维植物材料干燥块中的含量至少为20重量％。

84.根据权利要求81所述的结构，其中，所述纤维植物材料干燥块中改性半纤维素的含量为所述天然纤维植物材料中天然半纤维素的含量的至少90％。

85.根据权利要求81所述的结构，其中，所述纤维植物材料干燥块中改性半纤维素的含量至少为15重量％。

86.根据权利要求81所述的结构，其中，所述纤维植物材料干燥块沿着垂直于所述纤维植物材料的纵向生长方向的方向基本上是弹性的，并且沿着平行于所述纵向生长方向的方向基本上是无弹性的。

87.根据权利要求63-86中任一项所述的结构，其中，所述天然纤维植物材料是木材、竹子、芦苇或草。

技术总结天然纤维植物材料(例如，木材或竹子)块可以用化学溶液渗透，随后经受至少80℃温度，以产生其中具有改性木质素的纤维植物材料的软化块。所述软化块中改性木质素的含量可以是天然纤维植物材料中天然木质素的含量的至少90％。保留在软化块中的改性木质素可以具有比天然木质素更短的大分子链。软化块可以经受致密处理，例如以产生高强度的结构材料，或者经受后续干燥处理，例如以产生柔性或各向异性弹性材料。天然纤维植物材料的处理可以避免或至少减少黑液或其他废液的产生。技术研发人员：胡良兵,刘宇受保护的技术使用者：马里兰大学派克分院技术研发日：技术公布日：2024/6/2