耐用的高级木板及其制造方法.pdf

本发明的一个方面为工程木板。所述木板具有主面并且由木条构成，所述木条以纹理相对于所述主面垂直的方式定向。另外，所述木板含有添加剂，所述添加剂为改善木材的室外耐久性而存在。本发明的另一方面为一种制造具有主面的工程木板的方法。所述方法包括获得具有平的纹理表面和垂直纹理表面的木条步骤。那些木条并排装配，并且以所述垂直纹理表面限定板主面的方式定向。一旦装配了木条就将它们结合在一起。在所述方法的任意阶段，对木材进行处理以改善其防水性和室外耐久性。

1.  一种具有主面的工程木板，其包含：
ο 以纹理相对于该主面垂直的方式定向并且并排结合在一起的木条；和
ο 改善木材的室外耐久性的添加剂组合物。

2.  权利要求1的板，其中所述木条的至少一个是由至少两个木条首尾相连胶合在一起而制成的。

3.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物至少分布在基本上遍及木板的厚度上。

4.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含防水剂。

5.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含基于天然蜡或者合成蜡、基于有机硅树脂、基于含氟化合物、或者基于它们的组合的材料。

6.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含蜡乳液。

7.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含能用作木材防腐剂的材料。

8.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含碱性铜季铵化合物、铬化砷酸铜、铜唑、铜-HDO、硼酸盐、三唑、异噻唑酮、氨基甲酸3-碘-2-丙炔基丁酯、或者它们的组合。

9.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含能用作杀虫剂的材料。

10.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含合成除虫菊酯类的一种、烟酰类的一种、硼酸盐、或者它们的组合。

11.  前述权利要求中任一项的板，其中所述添加剂组合物包含聚乙二醇。

12.  一种制造具有主面的工程木板的方法，包括：
ο提供木条，所述木条具有平的纹理表面和垂直纹理表面；
ο并排装配所述木条，所述木条以垂直纹理表面限定所述板的主面的方式定向；
ο将所述木条结合在一起；和
ο对木材进行处理以改善其室外耐久性。

13.  前述权利要求中任一项的方法，进一步包括，在装配前：
ο确定至少一个具有缺陷部分和非缺陷部分的木条，所述缺陷部分和非缺陷部分均仅沿着该木条的部分长度伸展；和
ο将所述缺陷部分从所述非缺陷部分分离。

14.  前述权利要求1-11中的板，其中所述添加剂组合物包含木材稳定剂。

15.  前述权利要求中任一项的方法，包括用防水剂处理所述木材。

耐用的高级木板及其制造方法
相关申请的交叉引用
无
关于联邦资助的研发项目的声明
无
技术领域
本发明涉及具有提高的有效尺寸稳定性的工程木板。本发明还涉及制造具有提高的有效尺寸稳定性的工程木板的方法，其中以垂直纹理(verticalgrain)表面限定板的主面的方式使木条定向时对木条进行装配。对木条或者成品工程木板进行处理以改善室外耐久性。
背景技术
木材是可更新的、坚固的并且合乎环境要求的建筑材料。然而，木材具有许多缺点，包括差的尺寸稳定性以及易受真菌侵袭和虫害侵扰。用现代木材防腐剂处理的木材可以具有优异的耐腐性和耐虫性。经处理的木材的物理性能不太理想，尤其是用于室外时。裂缝、裂隙(checking)、翘曲(warping)、瓦形弯(cupping)、和扭曲(twisting)是暴露于恶劣天气的经处理的木材的一些主要问题。
为了通过化学改性改进木材的尺寸稳定性，已进行广泛的研究。尺寸稳定化的常用化学方法包括用形成酯或者醚的多官能分子使木材交联，和用亲水性聚合物例如聚乙二醇使木材膨胀。
为提供一定程度的尺寸稳定，还主张了其它方法。例如，木材可以用丙烯酸类的单体和低聚物处理，所述单体和低聚物然后可以原位聚合以提供尺寸稳定性和其它优点。也可将常用树脂例如苯酚-甲醛、三聚氰胺-甲醛、脲-甲醛、或者DMDHEU(二羟甲基二羟基乙烯脲)引入到木材中并使其原位固化。化学改性的主要缺点是成本高。经化学改性的木材很小规模地用于特别的产品。另一缺点是，在低品质板，例如具有大节疤、木髓的那些、反应木材或者幼龄木中无法完全防止与尺寸不稳定性有关的问题
防水剂(water repellent)的使用可能是克服尺寸不稳定性问题和减少暴露于恶劣天气的木材裂隙、裂缝的最经济的方法。然而，防水剂不提供真正的尺寸稳定性。防水剂仅减少木材中水分含量变化的速率。这样一来，防水剂减少与水分变化有关的裂隙和裂缝，但未将其消除。
木材是各向异性的材料。收缩和溶胀在原木(log)的切线方向(年轮的周长方向)上最严重。在原木的径向上，收缩和溶胀小得多。因此，四开(quarter-sawn)板(垂直纹理)对于室外构件(exterior construction)是理想的。不幸的是，四开板昂贵并且不易得到。目前的建筑级木料(construction gradelumber)大部分是顺锯(flat-sawn)的并且含有缺陷例如大节疤、方木缺角(wane)、木髓和幼龄木。
一种将常用的建筑级顺锯木料转变为具有最少缺陷的高级垂直纹理板的方法是将顺锯板沿长度方向切割成条、将条旋转90度并且将条边缘胶合(edge-glue)成垂直纹理板。可以除去条中的缺陷，例如节疤和反应木材，并且可以通过边缘胶合使剩下的好木条连接成较宽的板。任选地，在将木条边缘胶合以形成最终的板之前，可通过直端面胶合或者指接而使木条扩展。这些技术是现有技术中已知的。例如，美国专利No.5,050,653描述了由废下脚料制造层叠木板的方法。美国专利No.5,135,597公开了由顺锯板通过纵向锯切(ripping)和边缘胶合制造垂直纹理板的方法。美国专利No.5,135,597似乎着重于事实上不可见的胶缝(glue line)的重要性以及优选将来自同一原始板的木条进行边缘胶合。虽然增值型外观级板(value-added appearance gradeboard)可以基于美国专利No.5,050,653和美国专利No.5,135,597中所描述的方法制造，但是这些板对于室外曝露例如铺面、栅栏、栏杆、和侧线(siding)应用来说是不足的。当将这种边缘胶合的垂直纹理板暴露于恶劣天气时，存在显著的裂隙和裂缝。此外，即使使用符合ASTM D2559标准的外用胶(exterior glue)时，胶缝也不是很耐用。
发明内容
本发明的一个方面是工程木板。所述木板具有主面，并且由纹理相对于该主面垂直的方式定向的木条构成。垂直纹理是指，年轮的各段相对于板的主面形成超过45度的角。该定向可以通过以下方式确定：当通过从呈现出端面纹理的端面对板进行观看时，观察各年轮段和板主面的平面之间的较小夹角(即，总共180度的两个角中的较小者)。
另外，可以对木板进行处理以改善木材的室外耐久性、防水性、或者两者。
本发明的另一方面是一种制造具有主面的工程木板的方法。该方法包括获得具有平的纹理表面和垂直纹理表面的木条。这些木条以垂直纹理表面限定板的主面的方式进行定向。然后将这些木条以这样的定向装配并且结合在一起。在该方法中的任何阶段，对木材进行处理以改善其室外耐久性。
任选地，本发明中所述的处理可以为添加剂，例如木材防腐剂如碱性铜季铵化合物(alkaline copper quat)、铜唑、铬化砷酸铜、铜-HDO(氧化铜、硼酸和双(N-环己基重氮基(diazenium)二氧基铜的组合物))、硼酸盐、三唑、异噻唑酮、氨基甲酸3-碘-2-丙炔基丁酯、或者任意这些木材防腐剂的组合。
附图说明
图1显示本发明一个方面的工程木板。
图2显示从呈现出端面纹理的端面观察的图1的工程木板。
图3显示与本发明的一个方面有关的一系列工艺步骤和由此制造的产品。
图4为显示本发明另一方面的一系列工艺步骤和所得产品的流程图。
图5显示本发明的一个方面的工程木板的横截面视图。
图6显示本发明的一个方面的工程木板的横截面视图。
具体实施方式
虽然将结合一个或者多个实施方式描述本发明，然而应理解本发明不限于这些实施方式。相反地，本发明包括所有可包括在所附权利要求的精神和范围内的备选方案、改进和等价物。
图1显示说明本发明一个方面的工程木板10。该工程板10可由任何木种或者木种的组合制成。任选地，所选的木种或者木种的组合适于在实施本工艺后在室外应用。
工程木板10包括通过胶缝如22、24、26和28结合在一起的木条如12、14、16、18和20。任选地，板10可至少部分地(任选完全地)涂布有涂层30。虽然展示了具有平的、平行的面和直边缘的常规板，但是该形状仅为可以使用的多种不同形状的代表。
木条如12可以为任意尺寸或形状。如图示的那样，它们任选地可以为具有相当紧密的横截面的长条。优选地，胶合在一起的木条表面如32和34(示于图3中)是互补的以提供木条之间的大接触面积。
另外，木条如18可由两个或者多个已经通过如胶合或者指接在结合处40首尾相连的单独的木条如36和38组成以制得期望长度的木条。
各个木条如12以它们的纹理垂直于主面42的方式定向。垂直纹理是指，如图2中所示，在它们与板的主面42的相交处，年轮段例如图2中的44和46形成大于45度的角r，如由表示年轮44在其与主面42的相交处的角的指示线48所示。如图2所示，这样的定向可以通过以下方式确定：当通过从呈现出端面纹理的端面对板进行观看时，观察各年轮段和板主面的平面之间的较小夹角r。
可用于在本发明中对板进行端面接合的指接技术是本领域中公知的，并且包括首先在待接合的两个板的端面中制成相应的锯齿形或者锯齿切口。如果所接合的板或者木条由于单一的板(从其生产各个单独的板)的使用而具有紧密匹配的纹理，则可任选地，在所得板中所示的指接非常地不清晰。然后，再次通过公知的常规胶合技术将两个锯齿化的端面接合以形成单个板。端面接合技术的另一实例称为斜接，其使用成角度的切口并且其可在某些情况下产生不太看得见的胶缝。
对工程木板10进行处理以改善木材的室外耐久性。或者，该处理可在将木条如12在它们接合之前或者它们接合之后应用于该木条。在接合木条之前的处理可具有如下优点：便于在木材的整个体积中进行完全处理。然而，如果处理对木条结合成板有妨碍，则可优选在接合后的处理。
有用处理的实例是施用添加剂，如防水剂、膨胀剂、木材防腐剂、或者这些或者其它添加剂的组合。其它示例性的处理为用形成酯或醚的多官能分子使木材交联，和用亲水性聚合物如聚乙二醇使木材膨胀。另一意图改善尺寸稳定的处理为用丙烯酸类单体和低聚物浸渍木材，所述丙烯酸类单体和低聚物然后可原位聚合以提供尺寸稳定性和其它益处。也可将常用树脂如苯酚-甲醛、三聚氰胺-甲醛、脲-甲醛、DMDHEU(二羟甲基二羟基乙烯脲)、或者这些的组合引入到木材中并原位固化。
所述添加剂可为防水剂、木材防腐剂、杀虫剂、着色剂、抗氧化剂、UV稳定剂、或者它们的任意组合。可通过使用本领域中已知的任何技术将所述添加剂施用于木材。示例性的施用技术为压力处理。添加剂应在木材中具有足够的渗透以实现期望程度的防水性和室外耐久性。
本发明人已经发现，结合了防水剂的边缘胶合的垂直纹理板具有优异的对裂隙和裂缝的耐受性。胶缝如22的耐久性也通过使用防水剂而显著改善。作为对这样的改进的可能解释，本发明人提出了以下理论：经防水剂处理的板缓慢地并且以比未处理的板低的程度吸收水。板由于板中的较小的水分含量波动而经受较小的应力。较小的应力导致板中减少的裂隙和裂缝。降低的应力再加上较低的水分含量使得胶缝耐用得多。然而，本发明人没有将本发明限制为与该理论一致的或者倾向于支持该理论的实施方式。
综合的化学保护体系的防水剂部分可以基于天然或者合成蜡、有机硅树脂、含氟化合物、或它们的组合。所述蜡可以为例如通常称为疏松蜡的脂肪族或者石蜡族石油产品。疏松蜡是通过溶剂或者丙烷脱蜡从石油烃中回收的蜡，并且可以含有变化最高达约50％的夹带的油(entrained oil)，或35％的油。这是在原油的精炼中分离出的第一种蜡状材料。最优选的防水剂体系为基于蜡乳液的那些。天然或者合成蜡乳液是经济的、容易与大多数防腐剂体系相容，并且提供良好的防水性。基于蜡的防水剂的使用水平可以为0.1到40kg/m³，优选2到20kg/m³。
添加剂组合物还可含有一种或者多种木材防腐剂，所述木材防腐剂在本领域中也被称为杀真菌剂和/或杀微生物剂。木材防腐剂可提供耐腐性并且耐霉菌和污点。本发明的木材防腐剂可以为无机物、有机物、或者无机物和有机物的组合。
意图用于此处的一些具体类型的木材防腐剂包括基于铜的防腐剂体系，其可作为如醋酸铜铵络合物木材处理、(碱性铜季铵化合物)、铜唑、CCA(铬化砷酸铜)、二甲基乙二肟的金属络合物、铜-HDO、氨的铜络合物、硼酸盐、三唑、异噻唑酮、或者它们的组合商购得到。
木材防腐剂优选地以行业中认可的对保护木材有效的量和形式存在，和/或以有效地将工程木板因水分引起的溶胀减少到少于未用木材稳定剂处理的类似木板的量存在。在本说明书中，“保护”广泛地用于指：与缺乏防腐剂的类似木板的恶化速率相比，任何降低木板恶化速率的处理。如美国专利No.6,569,540中所述，在本说明书中提到的木材防腐剂也可以用作木板的尺寸稳定剂。防腐剂的使用比例取决于具体防腐剂体系的功效以及层叠板的期望的服务目的(service expectancy)。例如，如果是所需的杀真菌剂并且板将要用于地上室外应用，则当前推荐的使用水平为4kg活性木材。
添加剂中可包括一种或者多种杀虫剂以提供对白蚁和其它昆虫的耐受性。杀虫剂的实例包括但是不限于合成除虫菊酯类、烟酰类、硼酸盐、或者它们的组合。具体杀虫剂体系的使用水平取决于功效以及曝露条件。
所述添加剂还可任选地含有着色剂、抗氧化剂、UV稳定剂、或者它们的组合以增强板的初始外观和使用时的外观。
任选地，所述添加剂中可含有尺寸稳定剂如聚乙二醇以进一步增强板的尺寸稳定性。
作为另一种选择，所述添加剂可为精整表面涂层或者保护性表面涂层，如染色剂(stain)、涂料、底漆、清漆、亮漆(lacquer)、或者其它涂层材料。所述精整表面涂层或者保护性表面涂层可进一步增强木材的外观和物理性质。所述涂层材料，除常规涂层产品的成分之外，还可含有额外的防水剂、抗氧化剂、UV-稳定剂和抗微生物剂。
可包含在所述添加剂中的各种组分可以配制成溶液、乳液、或者悬液形式的单一浓液。所述各组分还可以单独地配制成组分浓液，然后通常将所述组分浓液稀释以制得处理溶液。
工程木板10的厚度可以为0.1到6英寸(2～150mm)，或者为0.5到2英寸(12～50mm)，但是也可以使用其它的尺寸。当制造小于0.75英寸(19mm)的相对薄的垂直纹理工程板时，可将垫板胶合在垂直纹理板的底部以提供额外的强度。所述垫板可为实心木材、胶合板、或者其它工程材料。优选地，所述垫板也用化学保护体系处理。
图3(得自美国专利No.5,135,597)显示得到工程木板的一系列工艺步骤的一个实施方式，并且展示了形成本发明另一方面一部分的机械过程步骤。如上所述，在图3中展示的工艺有许多变化和改进，这些构成本发明其它方面。
图3显示常规原木50，在常规锯木厂中通过常规方法从该原木制造平的纹理板52。图3中所示的板52通常称为弦面板。虽然弦面板52的尺寸可根据原木50的尺寸而变化，但是为了展示的目的，板显示为标准的2×6英寸(51×150mm)的公称尺寸板。板52为平纹理板，因为其宽度维度或者面54大致与板中的年轮或者线56平行。边缘或者厚度维度58显示板的垂直纹理，因为该维度大致垂直于年轮56。
在图3中所示的本发明工艺的下一步骤中，将平纹理弦面板52在整个长度进行纵锯。在图3中，板52锯成五块板12、14、16、18和20，其中，各块板厚度相等。然而，板52可锯成更多或者更少的板、或者具有不同厚度的板。应注意，为清楚起见，本文中的术语“纵锯”指，当对板进行定向使得其宽的维度或者面的维度成为顶部和底部时，从顶部到底部穿过板沿纵向锯板。此外，五块板12、14、16、18和20可通过例如指接而与其它板端面接合，以制得期望长度的板。
在将板52锯成五块单独的板12、14、16、18和20后，然后将那些板各自旋转90度并且边缘胶合以形成工程木板10。板如12在被边缘胶合时可任选为未加工的(green)。基本的边缘胶合方法是公知的并且因此本文中不详细解释。板的预先刨平有利于边缘胶合步骤。
如果使用胶，则在本发明的所有方面中使用的胶可以为任何耐候性粘合剂，任选为适合用于室外应用的粘合剂。这种粘合剂的实例包括但是不限于间苯二酚-甲醛、三聚氰胺-甲醛、苯酚-甲醛、苯酚-间苯二酚-甲醛、和异氰酸酯。可改进耐候性和寿命的UV稳定剂、抗氧化剂、它们的组合以及其它添加剂可以包含在粘合剂中。在将板12、14、16、18和20边缘胶合后，所得板10可以任选地用砂纸磨光或者刨平、涂布或者以其它方式处理以提供成品。
与原始板52相比，工程木板10任选地可以更加稳定并且可以具有至少相等的强度。在所示实施方式中，相邻的板12、14、16、18和20在全部数目的板12、14、16、18和20中环绕它们公共的上边缘和底边缘60、62交替地旋转彼此离开，即相继的各块板交替地顺时针和逆时针旋转。虽然这在某些情况下是有利的，但是应该理解，在边缘胶合之前，各单独的板可在单一的方向上旋转，即全部顺时针或者全部逆时针旋转。本发明不具体限于任何边缘匹配技术；而是板12、14、16、18和20在边缘胶合步骤之前可相对于彼此以各种方式排列。板12、14、16、18和20还可得自原木的非相邻部分或得自不同的原木。
虽然公开了板12、14、16、18和20是使用已知的胶胶合在一起的，但是应该理解，本发明包括各种胶合技术以及其它结合技术，包括设计用于在两块邻近的板之间产生分子键的技术。
另外，虽然从图3中不可见，本发明的工艺进一步包括对木材进行处理以改善其防水性和室外耐久性。这种处理可包括将添加剂施用于木材，或者其它处理，如热处理和/或化学交联。所述处理可在制板过程的各种阶段中进行。可在除去任何缺陷之前或者之后、在将木条接合之前或者之后对纵向锯切顺锯板获得的木条进行处理、干燥、然后边缘层叠以制造垂直纹理板。或者，处理可以在纵向锯切之前施用于顺锯板，或者在边缘层叠后施用于垂直纹理板。或者，当使用添加剂作为处理时，可任选地在木材为未加工的时施用添加剂。
某些在木材处理行业中被称为难处理品种(refractoryspecies)的木种难以用常规木材处理实践进行处理。对于难处理品种，优选所述处理在边缘层叠之前应用于木条。这是为实现进入木材中的处理的最大渗透并且由此获得最大保护。
图4(得自美国专利No.5,135,597)显示了本发明工艺的变型，从所选尺寸的平纹理板52开始。所述平纹理板52也可以为单独的木条如12。在一种变型中，平纹理板52代替光亮的板，其中具有缺陷例如节疤。在图4中所示的工艺中，例如通过横切锯在64处切除节疤。这得到了多个光亮板66、68。切掉部分可任选地用于木花制品或者其它类似产品。然后板可以在70处端面接合以制造光亮的平纹理板72。然后，光亮的平纹理板72可用于制造本发明的垂直纹理工程木板。如果工艺是从单一的板开始的，则由于纹理的匹配，可任选地使平纹理板72的端面接合处显著不清晰的，即基本上不可见。由于许多原因，选择使木条指接是重要的。可以除去大的缺陷如节疤、幼龄木和反应木材然后指接以形成光亮的木条。小的缺陷如方木缺角、小节疤、和木髓可以以使这些较小的缺陷在工程板的垂直纹理木条的未暴露侧中的方式指接。
根据本发明制造的板的另外的优点是与实心板特别是建筑级木料相比减少的瓦形弯、翘曲、弯曲(crooking)、弧状弯曲(bowing)和扭曲。
图5和6显示了展示本发明一方面的工程木板10的变型。本发明的工程木板10可通过砂纸磨光、刨平、或者切割进行加工以产生至少一个光滑的宽表面。可对板的表面进行机械加工以具有轻微的坡度，使得雨水可容易地流掉。任选地，为了外观增强或者功能目的，可在层叠板上加工不同的样式如半圆珠纹82、84、86，凹槽(groove)88、90、92或者通道(channel)。也可例如在倒圆边缘铺面(RED)板的情况下使板的边缘倒圆。半圆珠纹如82将减少顶面上的可见裂隙。
下面介绍说明本发明的几种应用的实施例。
实施例1
2×6英寸(51mm×150mm)的顺锯放射松木(Radiata pine)板的两个宽面刨平或者砂纸磨光。然后将板纵向锯切成四个等宽的木条，将条转90度，并且用间苯二酚-甲醛树脂层叠或者接合成垂直纹理板。然后将该垂直纹理板加工成倒圆边缘铺面(RED)板。然后该RED板以压力处理方法用含有0.8％和1.2％合适的蜡乳液防水剂的溶液处理。在处理和干燥后，该板用商品化的半透明染色剂涂布以获得最终精整的成品。成品可用于建造室外结构如铺面、栅栏、长凳、和野餐桌。
实施例2
2×6的顺锯南方黄松木板纵向锯切成4个等宽的木条。除去条中的缺陷并且用防水的双组分交联型异氰酸酯粘合剂对短的部分进行指接。木条用含有500PPM作为杀真菌剂的戊唑醇(Tebuconazole)、20PPM作为杀虫剂的吡虫啉(Imidacloprid)和1.0％作为防水剂的蜡乳液的基于水的溶液进行压力处理。在处理和干燥后，将条的切向面刨平以提供新的并且光滑的表面用于用双组分交联型异氰酸酯粘合剂胶合。然后加工由此获得的层叠垂直纹理板以具有如图6所示的轮廓。根据实施例2获得的产品适合用于铺面和其它室外应用。