CN102802894A - 酯化木质纤维素材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了制造酯化木质纤维素材料的方法和所得组合物和制品。

Description

酯化木质纤维素材料及其制造方法
发明背景
酯化木质纤维素材料，如乙酰化木材由于比未处理的木质纤维素材料大的尺寸稳定性和由于其它品质而在一些用途中是合意的。酯化固体木材（如乙酰化木板和木料(lumber)）和乙酰化随后用在复合材料中的小粒度木质纤维素材料都存在这些优点。但是，仍然需要改进这些材料的有利性质。还仍然需要高效和成本合算的酯化方法。还仍然需要提供高酯化程度和给定批料中的酯化程度一致性的酯化方法。
发明概述
本发明提供包括下列步骤的方法：
用包括乙酸酐的液体浸渍木质纤维素材料以形成浸渍的木质纤维素材料，和
使该浸渍的木质纤维素材料与热蒸气接触以加热该浸渍的木质纤维素材料以形成乙酰化木质纤维素材料，其中该热蒸气包括选自乙酸、乙酸酐或其组合的乙酰化合物。
在一些实施方案中，本发明提供包括下列步骤的方法：
用包括乙酸酐的液体浸渍木质纤维素材料以形成浸渍的木质纤维素材料，和
使该浸渍的木质纤维素材料与热蒸气接触以加热该浸渍的木质纤维素材料以形成乙酰化固体木材，其中该蒸气包括选自乙酸酐或乙酸的乙酰化合物，乙酰化合物以至少50重量%的量存在于该蒸气中，且该木质纤维素材料是固体木材。在一些实施方案中，测得该固体木材在一个维度上为至少30英寸，在另外两个维度上为至少0.5英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材在一个维度上为至少30英寸并将固体木材排列成至少1/4英寸高的堆叠体。
本发明进一步提供乙酰化木质纤维素材料和含有或由乙酰化木质纤维素材料制成的制品。
详述
本发明提供乙酰化木质纤维素材料的方法。木质纤维素材料用含有乙酸酐的组合物浸渍，随后通过使该浸渍的木质纤维素材料与热蒸气接触来加热。该热蒸气包括乙酸酐、乙酸或两者。本发明进一步提供乙酰化木质纤维素材料和使用乙酰化木质纤维素材料制成的组合物和制品。
木质纤维素材料
木质纤维素材料包括含有纤维素和木质素（和任选其它材料，如半纤维素）的任何材料。一些实例包括木、树皮、洋麻、***、剑麻、黄麻、作物秸秆、坚果壳、椰子壳、草和谷壳和秸秆、玉米秸、甘蔗渣、针叶树和硬木树皮、玉米棒、其它作物残留物和它们的任何组合。
在一些实施方案中，该木质纤维素材料是木材。木材可选自任何物种的硬木或软木。在一些实施方案中，该木材是软木。在一些实施方案中，该木材选自松木、冷杉、云杉、白杨、橡木、枫木和山毛榉。在一些实施方案中，该木材是硬木。在一些实施方案中，该木材选自红橡木、红花槭、德国榉木和太平洋白枫。在一些实施方案中，该木材是松树物种。在一些实施方案中，该松树物种选自火炬松、长叶松、短叶松、湿地松、辐射松（Radiata Pine）和欧洲赤松。在一些实施方案中，该木材是辐射松。在一些实施方案中，该木材来自商业上被称作“南方黄松”的四个物种中的一个或多个（长叶松、短叶松、湿地松、火炬松）。在一些实施方案中，该木材选自长叶松、短叶松和火炬松。在一些实施方案中，该木材是火炬松。
该木质纤维素材料可以为任何形式。实例包括切碎材料（例如碎木）、纤维化材料（例如纤维化木材）、木粉、碎屑、粒子、细刨花、薄片、束、木粒和材料，如树木、树干或树枝、去皮树干或树枝、板、胶合板、厚板、方木、梁或型材，和任何尺寸的其它木料段(cut lumber)。
在一些实施方案中，该木质纤维素材料是固体木材。如本申请中通篇所用，“固体木材”应是指测得至少一个维度为至少10厘米但其它维度具有任何尺寸的木材，例如，具有如下标称尺寸的木料，如2英尺 x 2英尺 x 4英尺、2英尺 x 2英尺 x 6英尺、1英尺 x 1英尺 x 6英尺、2英寸 x 2英寸 x 4英寸、2英寸 x 2英寸 x 6英寸、1英寸 x 1英寸 x 6英寸等，以及由木料段机械加工的物体（例如模制品、轴、栏杆等）。一些实例包括木条、板、胶合板、厚板、方木、梁或型材。在一些实施方案中，该固体木材是木料。可以使用任何尺寸的固体木材。在一些实施方案中，测得该固体木材的至少一个维度为至少10厘米，另一维度为至少5毫米。最长维度可以测得为例如3英尺、4英尺、6英尺、8英尺、10英尺、12英尺、14英尺、16英尺等。最长维度也可以被描述为至少或大于或等于任何上述值（例如至少3英尺、至少4英尺、大于或等于12英尺等）。该木材的第二维度可以是第二长的维度或可以等于最长维度。第二长的维度的一些实例包括1/10英寸、1/8英寸、1/6英寸、1/4英寸、1/3英寸、3/8英寸、0.5英寸、5/8英寸、 0.75英寸、1英寸、1.5英寸、2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、9英寸、10英寸、12英寸、14英寸、16英寸、18英寸、20英寸、24英寸、3英尺、4英尺等。第二长的维度也可以被描述为至少或大于或等于任何上述值（例如至少1/10英寸、大于或等于 0.5英寸、至少0.75英寸等）。第三维度可以与第二维度相同或不同并可以是例如上文对第二维度描述的任何值。在一些实施方案中，该木材在所有3个维度中测得相同长度。在一些实施方案中，测得该固体木材的最长维度为至少30英寸，另外两个维度为至少0.25英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材的最长维度为至少30英寸，另外两个维度为至少0.5英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材的最长维度为至少30英寸，另外两个维度为至少0.75英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材的最长维度为至少36英寸，另外两个维度为至少0.5英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材的最长维度为至少48英寸，另外两个维度为至少0.75英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材的至少一个维度为至少30英寸，另一维度为至少1.5英寸，第三维度为至少0.5英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材的至少一个维度为至少4英尺，另一维度为至少1.5英寸，第三维度为至少0.5英寸。在一些实施方案中，测得该固体木材的最长维度为至少8英尺，另一维度为至少5英寸，第三维度为至少1英寸。提到“测得为”具体尺寸的木材是指所述尺寸是实测尺寸而非标称尺寸。但是，这些数字不是限制性的，并存在其中各上述数值代表标称尺寸而非实测尺寸的实施方案。在指定2或3个维度时，意指各维度与其它所述维度呈90度角（例如，0.5英寸厚度×1.5英寸宽度×30英寸长度）。
在一些实施方案中，上一段中所述的维度之一平行于该固体木材的纹理方向。因此，上述任何测量可描述在固体木材的纹理的轴中的板尺寸。在一些实施方案中，最长维度平行于该固体木材的纹理方向。
本发明能够一次酯化多块固体木材，包括任何上述尺寸的固体木材的乙酰化。在一些实施方案中，将固体木材排列成2块或更多块的垂直堆叠体，在堆叠的块之间放置间隔物（“粘接杆（stickers）”）。 粘接杆通常是具有所选厚度的小材料杆，并可具有任何有效厚度。可以为粘接杆使用任何已知或有效厚度或材料组成。粘接杆的一些示例性厚度包括 1/4英寸、1/3英寸、3/8英寸、0.5英寸、5/8英寸、0.75英寸、1英寸、1.5英寸、2英寸。在一些实施方案中，该乙酰化法的效率允许在给定的堆叠体中使用更少粘接杆。例如，在一些实施方案中，布置粘接杆以使各粘接杆之间存在的是木材堆叠体，各堆叠体具有0.5英寸的厚度且各堆叠体含有堆叠在它们之间的多块尺寸小于0.5英寸的固体木材（例如，4块1/8英寸厚的薄木片）。存在粘接杆之间的木材堆叠体的厚度为0.75英寸、1英寸、1.5英寸、2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、9英寸、10英寸、12英寸、14英寸、16英寸、8英寸、20英寸、24英寸、3英尺、4英尺等的实施方案。上一句中的木材厚度可反映这样厚度的单块木材或这样厚度的木材堆叠体，例如，4英寸厚的单块木材或各1英寸厚的4块木材的堆叠体。木材堆叠体的厚度也可以被描述为至少或大于或等于任何上述值（例如至少0.75英寸、大于或等于 1.5英寸等）。
木质纤维素材料在乙酰化之前可具有任何适宜密度。在一些实施方案中，基于该材料的干重量，该木材具有0.30至0.65克/立方厘米的密度。在一些实施方案中，基于该材料的干重量，该木材具有0.30至0.55克/立方厘米的密度。在一些实施方案中，基于该材料的干重量，该木材具有0.40至0.65克/立方厘米的密度。在一些实施方案中，基于该材料的干重量，该木材具有0.40至0.60克/立方厘米的密度。在一些实施方案中，基于该材料的干重量，该木材具有0.40至0.625克/立方厘米的密度。在一些实施方案中，基于该材料的干重量，该木材具有0.40至0.50克/立方厘米的密度。在一些实施方案中，基于该材料的干重量，该木材具有0.45至0.55克/立方厘米的密度。
该木质纤维素材料在乙酰化之前可含有水。例如，该木质纤维素材料在酯化前可最初含有至少15重量%水、至少17重量%水、或至少19重量%水。在一些实施方案中，可以将木质纤维素材料干燥或以其它方式加工以除去水，从而产生脱水木质纤维素材料。例如，该干燥木质纤维素材料可具有小于15重量%水、小于10重量%水、小于7.5重量%水或小于5重量%水的水含量。可以使用任何有效方法实现该木质纤维素材料在酯化前的所需水含量。一些实例包括窑内烘干和/或通过用非水液体浸渍来溶剂干燥。在溶剂干燥中可以使用任何有效溶剂，包括例如，乙酸、甲醇、丙酮、甲基异丁基酮、二甲苯和酯溶剂（例如乙酸酯，如乙酸异丙酯、乙酸正丙酯等）。可以通过施加真空、加压环境或两者，包括多级真空、压力或两者的循环来辅助这些方法。在溶剂干燥中可以使用任何有效溶剂，包括例如，乙酸、甲醇、丙酮、甲基异丁基酮、二甲苯和酯溶剂（例如乙酸酯，如乙酸异丙酯、乙酸正丙酯等）。
浸渍木质纤维素材料
在一些实施方案中，用含乙酸酐的液体浸渍木质纤维素材料。浸渍木质纤维素材料的几种方法是已知的，可以使用任何有效的浸渍木质纤维素材料的方法。在一些实施方案中，通过使木质纤维素材料与含乙酸酐的液体接触，例如通过在该液体中浸渍木质纤维素材料来进行浸渍。在一些实施方案中，控制进行浸渍时的压力。例如，在一些实施方案中，在加压容器或压力已减至大气压以下的容器中使木质纤维素材料与该液体接触。可以在与该液体接触之前、之中或之后发生压力变化。在一些实施方案中，在浸渍过程中或与浸渍相关联地改变压力。例如，在一些实施方案中，可以将木质纤维素材料置于容器中，随后在其中制造真空并保持一段时间以除去该木质纤维素材料中的所需程度的空气或其它气体，随后在保持真空的同时与该液体接触，随后加压以促进浸渍。可以使用加压、真空和/或恢复大气压的多步骤或周期以及任何或所有这些条件以任何次序或重复次数的组合。加压或再加压可以通过任何方式实现，包括但不限于，添加大气、添加附加蒸气或气体，如惰性气体（例如氮气）、添加液体或气体形式的乙酸酐或添加其它材料。
该浸渍液可含有任何有效量的乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少50重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少60重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少75重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少80重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少85重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少90重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少95重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该液体含有至少99重量%乙酸酐。在一些实施方案中，该含乙酸酐的浸渍液还含有乙酸。在一些实施方案中，该浸渍液可含有之前已用在乙酰化法中或作为乙酰化法的副产物生成的乙酸酐和/或乙酸。此类材料可以含有或不含木副产物材料及其衍生物。一些实例包括单宁和其它多酚类、色素、香精油、脂肪、树脂、蜡、胶淀粉(gum starch)或代谢中间体。
在使用涉及在浸渍液中浸渍木质纤维素材料的方法进行浸渍时，可以从木质纤维素材料中沥除或以其它方式分离一部分或全部的过量浸渍液以便继续加热。
加热浸渍材料和造成的反应
在浸渍后，加热该浸渍的木质纤维素材料。加热加速乙酰化反应。在一些实施方案中，热首先使乙酸酐与木质纤维素材料中存在的水的反应开始或加速。该反应是放热的并造成木质纤维素材料的进一步加热。
通过使该材料与一个或多个热蒸气流接触来实现加热。在一些实施方案中，在存在乙酰化催化剂的情况下进行乙酰化。在一些实施方案中，在没有有效量的外加乙酰化催化剂的情况下进行乙酰化。“乙酰化催化剂”是指在乙酰化之前或之中与木质纤维素材料合并时显著提高乙酰化反应的速率和/或降低引发乙酰化反应所需的能量的任何化合物。在一些实施方案中，该催化剂通过酸或碱催化发挥作用。乙酰化催化剂的一些实例包括吡啶、二甲基氨基吡啶、三氟乙酸、金属乙酸盐（例如乙酸钾、乙酸钠等）、高氯酸和高氯酸金属盐。与催化剂相关的“有效量”简单地是指在存在时造成这些显著效应的量。
可以使用任何有效蒸气或蒸气组合。在一些实施方案中，该蒸气流包括选自乙酸酐和乙酸的乙酰化合物。在一些实施方案中，该蒸气流包括一种或多种用于浸渍木质纤维素材料的相同化合物。例如，在一些实施方案中，浸渍化合物和蒸气流都包括乙酸酐。在一些实施方案中，该蒸气流包括沸点比用于浸渍木质纤维素材料的一种或多种化合物低的化合物。在一些实施方案中，浸渍化合物包括乙酸酐，蒸气流包括乙酸。在一些实施方案中，热蒸气流的使用有效造成乙酰化，尽管不存在有效量的任何外加乙酰化催化剂。
可以通过任何有效方式生成蒸气。在一些实施方案中，通过接触或非接触加热生成蒸气。非接触加热的实例包括使用蒸汽或任何其它有效传热方法。在一些实施方案中，加热涉及含有在所选压力下的蒸汽的热交换器。实例包括15磅/平方英寸表压（psig）、20 psig、25 psig、30 psig、40 psig、50 psig、60 psig、70 psig、80 psig、90 psig、100 psig、125 psig、150 psig、200 psig、250 psig和300 psig。蒸汽压也可以被描述为至少或大于或等于任何上述值。
在一些实施方案中，蒸气是使含有至少50重量%乙酸酐的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少60重量%乙酸酐的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少75重量%乙酸酐的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，该蒸气流是使含有至少80重量%浓度的乙酸酐的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少85重量%乙酸酐的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少90重量%乙酸酐的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少95重量%乙酸酐的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气具有与沸腾产生该蒸气的液体相同的酐重量百分比含量。在一些实施方案中，蒸气含有50重量%至100重量%乙酸酐。在一些实施方案中，蒸气含有75重量%至100重量%乙酸酐。在一些实施方案中，蒸气含有85重量%至100重量%乙酸酐。在一些实施方案中，蒸气含有90重量%至100重量%乙酸酐。在一些实施方案中，蒸气含有至少98重量%乙酸酐。组合物的其余部分可以是不会不适当干扰酯化的任何化合物或化合物组合。在一些实施方案中，沸腾的组合物除乙酸酐外还含有一种或多种稀释剂。示例性稀释剂包括乙酸、二甲苯、甲醇、丙酮、甲基异丁基酮、酯溶剂（例如乙酸酯，如乙酸异丙酯、乙酸正丙酯等）和上述两种或更多种的组合。因此，在一些实施方案中，热蒸气流是使含有上述百分比之一的乙酸酐和乙酸（例如，80:20酐/酸、85:15酐/酸、90:10酐/酸或95:5酐/酸）的组合物沸腾的结果。因此，在一些实施方案中，该蒸气具有50:50至99:1的酐/酸比。在一些实施方案中，该蒸气具有75:25至99:1的酐/酸比。在一些实施方案中，该蒸气具有75:25至95:1的酐/酸比。在一些实施方案中，该蒸气具有与沸腾产生该蒸气的液体相同的重量组成。在一些实施方案中，之前已用的乙酸酐和/或乙酸是乙酰化过程的副产物。此类材料可以含有或不含木副产物材料及其衍生物。一些实例包括单宁和其它多酚类、色素、香精油、脂肪、树脂、蜡、胶淀粉或代谢中间体。
在一些实施方案中，蒸气是使含有至少50重量%乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少60重量%乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少75重量%乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，该蒸气流是使含有至少80重量%浓度的乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少85重量%乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少90重量%乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气是使含有至少95重量%乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，蒸气具有与沸腾产生该蒸气的液体相同的酸重量百分比含量。在一些实施方案中，蒸气含有50重量%至100重量%乙酸。在一些实施方案中，蒸气含有75重量%至100重量%乙酸。在一些实施方案中，蒸气含有85重量%至100重量%乙酸。在一些实施方案中，蒸气含有90重量%至100重量%乙酸。在一些实施方案中，蒸气含有至少98重量%乙酸。组合物的其余部分可以是不会不适当干扰酯化的任何化合物或化合物组合。在一些实施方案中，沸腾的组合物除乙酸外还含有一种或多种稀释剂。在一些实施方案中，该组合物含有乙酸酐，例如当该蒸气是使含有95重量%乙酸和5重量%乙酸酐的组合物沸腾的结果时。因此，在一些实施方案中，该蒸气流是使含有乙酸酐和乙酸的组合物沸腾的结果。在一些实施方案中，该蒸气流是使含有上述百分比之一的乙酸和乙酸酐（例如，80:20酸/酐、85:15酸/酐、90:10酸/酐或95:5酸/酐）的组合物沸腾的结果。因此，在一些实施方案中，该蒸气具有50:50至99:1的酸/酐比。在一些实施方案中，该蒸气具有75:25至99:1的酸/酐比。在一些实施方案中，该蒸气具有75:25至95:1的酸/酐比。沸腾可以在有效地使蒸气沸腾并进入加压反应器的温度下进行。在一些实施方案中，沸腾的组合物除乙酸外还含有一种或多种稀释剂。示例性稀释剂包括乙酸、二甲苯、甲醇、丙酮、甲基异丁基酮、酯溶剂（例如乙酸酯，如乙酸异丙酯、乙酸正丙酯等）和上述两种或更多种的组合。在一些实施方案中，该蒸气具有与沸腾产生该蒸气的液体相同的重量组成。在一些实施方案中，乙酸是乙酰化过程的副产物。此类材料可以含有或不含木副产物材料及其衍生物。一些实例包括单宁和其它多酚类、色素、香精油、脂肪、树脂、蜡、胶淀粉或代谢中间体。
已经发现，在一些实施方案中，在热蒸气流中使用乙酸带来比使用乙酸酐更快的乙酰化反应启动时间。尽管事实上乙酸蒸气的沸点低于乙酸酐和事实上乙酸是乙酰化反应的副产物，这确实如此。启动时间是指开始乙酰化反应所需的时间。这容易通过监测木质纤维素材料中的某位置的温度来测量。
在一些实施方案中，通过其它施热方式辅助浸渍的木质纤维素材料的蒸气加热。可以使用任何有效的补充热的方式。一些实例包括施加电磁辐射（例如微波、红外或射频加热）或对反应器外壁施热（例如使用传热介质夹套）。乙酸酐与木质纤维素材料中的水的放热反应也是热源。放热乙酰化反应也提供可加速其它木质纤维素材料中的反应的热源。
在加热和反应过程中也可以控制其它参数。压力可以是任何有效压力。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在20至7700 Torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在5000 Torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在1000 Torr至3500 Torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在1200 Torr至2600 Torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在750至5000 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在750至2250 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在1000至2000 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在1300至1700 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在500至1500 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在1500至2500 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在750至1250 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在900至1110 torr。在一些实施方案中，在施加热蒸气流的过程中使压力保持在1750至2250 torr。
施加热蒸气的持续时间是可控制的另一工艺变量。在一些实施方案中，在达到特定点，如在施热开始后经过所需时长时停止热蒸气的施加。一些实例包括20分钟、25分钟、30分钟、40分钟、45分钟、50分钟、55分钟、60分钟、75分钟、90分钟、2小时、3小时、4小时、5小时和6小时。在一些实施方案中，在测得木质纤维素材料批中的一个和多个位置的所需温度时停止施加热蒸气。一些示例性温度包括50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃和190℃。也可以基于达到所选内压或趋于反应终点时温度或压力降至所选值以下来决定停止。也可以基于在达到所选温度后经过规定的时间量来决定停止。在一些实施方案中，也可以在该方法中的相同测定点和在不同的点停止其它热源的施加。上述实例不是限制性的，可以使用任何可接受的终点。
所得乙酰化木质纤维素材料
本发明还提供通过本发明的方法制成的乙酰化木质纤维素材料。在一些实施方案中，一种或多种上述方法的应用产生乙酰化程度（通过键合乙酰基百分比测得）为至少10重量%的乙酰化木质纤维素材料。在一些实施方案中，乙酰化木质纤维素材料的键合乙酰基百分比为至少15重量%。在一些实施方案中，乙酰化木质纤维素材料的键合乙酰基百分比为至少16重量%。在一些实施方案中，乙酰化木质纤维素材料的键合乙酰基百分比为至少17重量%。在一些实施方案中，乙酰化木质纤维素材料的键合乙酰基百分比为至少18重量%。在一些实施方案中，乙酰化木质纤维素材料的键合乙酰基百分比为至少19重量%。在一些实施方案中，乙酰化木质纤维素材料的键合乙酰基百分比为至少20重量%。在一些实施方案中，所产生的键合乙酰基百分比可以为2重量%至30重量%，10重量%至25重量%，或15重量%至25重量%。对于各上述百分比而言，存在其中在通过乙酰化法制成的整批木质纤维素材料中发现上述百分比的实施方案。对于各上述百分比而言，还存在其中在通过乙酰化法制成的整批木质纤维素材料中的所有非心材（non-heartwood）中发现所述键合乙酰基百分比值的实施方案。对于各上述百分比而言，还存在其中在整块乙酰化固体木材中发现所述键合乙酰基百分比值的实施方案。对于各上述百分比而言，还存在其中在整块乙酰化固体木材中的所有非心材部分中发现所述键合乙酰基百分比值的实施方案。对于各上述百分比而言，还存在其中在来自给定乙酰化批料的整组乙酰化固体木材堆叠体（由粘接杆隔开）中发现所述键合乙酰基百分比值的实施方案。对于各上述百分比而言，还存在其中在来自给定乙酰化批料的整组乙酰化固体木材堆叠体（由粘接杆隔开）的所有非心材部分中发现所述键合乙酰基百分比值的实施方案。如本申请中通篇所用，“非心材”乙酰化木质纤维素材料是指源木质纤维素材料不取自树木心材的材料。
在一些实施方案中，在所得乙酰化木质纤维素材料中，乙酰化非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化（即在给定批料中发现的最高和最低键合乙酰基重量百分比之差）不大于5个百分点。在一些实施方案中，乙酰化非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化不大于3个百分点。在一些实施方案中，乙酰化非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化不大于2个百分点。在一些实施方案中，乙酰化非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化不大于1个百分点。
在一些实施方案中，在所得乙酰化木质纤维素材料中，密度为0.45至0.60克的非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化不大于5个百分点。在一些实施方案中，密度为0.45至0.60克的非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化不大于3个百分点。在一些实施方案中，密度为0.45至0.60克的非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化不大于2个百分点。在一些实施方案中，密度为0.45至0.60克的非心材木质纤维素材料的键合乙酰基百分比的变化不大于1个百分点。密度为0.45至0.60克的“非心材木质纤维素材料”是指源木质纤维素材料不取自树木心材并具有0.45至0.60克密度的乙酰化木质纤维素材料。本申请中所用的密度值基于干重量。
在一些实施方案中，在所得乙酰化木质纤维素材料中，对密度为0.45至0.60的此类乙酰化木质纤维素材料的整个部分而言，给定批料的键合乙酰基百分比的变化不大于5个百分点。在一些实施方案中，对密度为0.45至0.60的此类乙酰化木质纤维素材料的整个部分而言，给定批料的键合乙酰基百分比的变化不大于3个百分点。在一些实施方案中，对密度为0.45至0.60的此类乙酰化木质纤维素材料的整个部分而言，给定批料的键合乙酰基百分比的变化不大于2个百分点。在一些实施方案中，对密度为0.45至0.60的此类乙酰化木质纤维素材料的整个部分而言，给定批料的键合乙酰基百分比的变化不大于1个百分点。
本文所用的“键合乙酰基百分比”根据下列程序测定。将具有钻头切屑的厚度或更小厚度且重量为0.5克的木质纤维素材料样品在设定为105℃的对流炉中放置24小时。随后将样品密封在加盖的基本气密管瓶中并使其冷却至室温。将样品称重（精确到0.1毫克（to the nearest 0.1 mg））以测定干样品重量。将20毫升4% (w/v)氢氧化钠（Mallinckrodt #7708-10或等同物）吸移到管瓶中，再密封管瓶并用调节至使木质纤维素材料保持悬浮所必需的最小速度的摇振器机械摇振至少2小时。将1毫升上清液吸移到100毫升烧瓶中，加入1毫升85%磷酸（Mallinckrodt #2796或等同物）并用HPLC等级水（ASTM Type 1 HPLC等级）将该液体稀释至100毫升。将所得溶液充分混合并使用0.45微米尼龙过滤器过滤。随后通过使用HYDROBOND PS-C18柱（MAC MOD Analytical Inc., Chadd’s Ford, PA）或等同物的反相液相色谱法测定过滤溶液的%乙酸含量，该柱恒温以使温度保持在35℃，使用Agilent 1100 Series可变波长检测器（Agilent Technologies, Inc., Santa Clara CA）或等同物在210纳米下检测。在甲醇柱冲洗和再均衡下使用50毫摩尔磷酸等度(isocratically)分离乙酸7分钟，并在210纳米下光度法检测(photometrically detected)乙酸（停留时间大约4分钟）。在10-1000 ppm范围内制备校准曲线（相当于在100毫升校准溶液中0.001-0.1克乙酸质量）。对该样品而言，将乙酸峰下方的所得面积与校准曲线进行比较以提供以克/100毫升样品溶液计的乙酸量。将测得的乙酸克数（g样品）乘以20（因为分析样品提取物的1/20），随后乘以乙酰基摩尔重量除以乙酸摩尔重量的比率（即43/60）。随后将该乘积除以以克计的样品干重量（样品Wt（克）），随后乘以100以表示键合乙酰基百分比的值。这可以显示在下列公式中：%键合乙酰基 = (g样品 x 43/60 x 20 x 100)/样品Wt (g)。
乙酰化木质纤维素材料的进一步加工
在一些实施方案中，可以对乙酰化木质纤维素材料施以进一步加工。例如，在一些实施方案中，加工木质纤维素材料以除去该木质纤维素材料中存在的过量酯化化合物和/或反应副产物。这可以在与乙酰化过程相同的反应容器中或在不同地点进行。这种去除方法可以是能将乙酸和/或乙酸酐含量降至任何所需水平的任何方法。本发明中可用的方法的实例包括，但不限于，在或不在惰性气体（例如氮气）流下施加电磁辐射（例如微波辐射、射频辐射、放射性红外辐射等）、储存在大气压下、向反应容器中添加热蒸气（例如水蒸汽）、向反应容器中添加水、在窑中干燥或上述两种或更多种的组合。
也可以对乙酰化木质纤维素材料施以可能合意的任何附加的进一步处理。一些实例包括用抗微生物剂处理、施加着色剂或涂料、切削成所需尺寸和形状、切碎或精制成更小材料，等等。
制品
本发明进一步提供含有或由本发明的木质纤维素材料制成的制品。一些实例包括木料、工程木材（engineered wood）、建筑材料（例如盖板、托梁、支柱、栏杆柱、室内地板、栏杆、轴、门、门贴脸(trim)、壁板、模制品、窗和窗部件、螺栓等）、操场设施、围墙、家具、电线杆、桩、船坞、船、托板和容器、铁路枕木。
可以通过其优选实施方案的下列实施例进一步例证本发明，尽管要理解的是，除非明确地另行指明，这些实施例仅用于举例说明而无意限制本发明的范围。
实施例
构造基本气密和水密以充当反应器并具有9英尺长10英寸直径的尺寸的密封圆柱形水平钢反应器。该反应器的工作容积为36加仑并配备该反应器以容纳4至6个尺寸为8英尺长×5.5英寸宽度×1英寸厚度的板。将该反应器封装在含有可通过泵经热交换器来加热的油的充当油套的12英寸管内。该反应器还具有降低和提高压力的能力。
在下列各实施例中，使用下列程序：将4个8' x 5.5英寸 x 1英寸南方黄松板置于反应器中（8英尺 x 5.5英寸表面朝上），用将这些板隔开0.5英寸的搁架（rack）垂直相互隔开，并允许反应器中的气体在板之间自由流动。用在下述所有10个批次中的40个板已烘干并作为同一批的一部分一起存储在恒湿室中。板“A”是指该组中的顶板；板“B”，从上往下第二个板；板“C”是从下往上第二个板；板“D”是在该组底部的位置。来自各批次的板“C”在乙酰化之前已切至2个大约4英尺长度以从中间取出1英寸样品。该1英寸样品用于水分测试，并发现各“C”板的样品具有6至7%的湿含量（moisture level）。板已通过密度预分类成2组。较低密度的板具有0.48-0.52克/立方厘米的干板密度。较高密度的板具有0.54-0.58克/立方厘米的干板密度。在一些批次中，上面2个板来自较高密度范围，下面2个板来自较低密度范围。在另一些批次中，上面2个板来自较低密度范围，下面2个板来自较高密度范围。在板的大致中心位置将热电偶***板“B”底侧中的预钻孔中。使用蒸汽喷嘴将反应容器压力降至40-60 mm Hg并保持30分钟。在持续真空下，添加乙酸酐（99%；1%乙酸）以填充该反应器，以使板完全浸没在酐液体中。随后将反应容器压力提高至5000 mm Hg并在此压力下保持40分钟。从该容器中排出过量液体（即未吸收到板中），降低容器压力并保持在900至1100。
随后开始油套的加热。在热油温度达到50℃时，通过经蒸汽夹套管（steam jacketed pipe）（90 psig）进给要用于生成蒸气的液体来生成热蒸气并将该蒸气引入反应器以向该板输送热。蒸气输送是经由位于容器一端的顶侧上的蒸气口。蒸气流继续直至在一些批次（“长”蒸气持续时间批次）中在热油温度达到50℃后120分钟或直至在另一些批次（“短”蒸气持续时间批次）中板温度低到100℃。乙酰化过程中的容器压力保持在大约1000 mm Hg。
在实施例1至4中，蒸气是99%乙酸酐、1%乙酸（这种混合物缩写为“AAn”）。在实施例5至8中，蒸气是95%乙酸/5%乙酸酐（这种混合物缩写为“AA”）。在对比例9和10（C-9和C-10）中，在没有启动任何蒸气使用的情况下重复试验（仅壁加热（wall heat））。
测量温度和测定启动反应所需的时间。“启动时间”是指油温达到50℃后（如果适用，此时开始引入蒸气）直至在“B”位置中的板内的热电偶中测得的温度达到100℃（选择该温度，因为其略高于观察到乙酰化反应开始快速加速时的温度）的分钟数。这种温度指示板中的放热反应开始的时刻。结果显示在表1中。“高密度位置”是指来自较高密度组的2个板是该批中的底部2个板或顶部2个板。因此，在指出“底部”时，顶部2个板来自较低密度范围，底部2个板来自较高密度范围。
表1
实施例的工艺参数
实施例 蒸气 蒸气持续时间 高密度位置 启动时间(分钟)
1 AAn 短 底部 57
2 AAn 短 顶部 55
3 AAn 长 底部 53
4 AAn 长 顶部 56
5 AA 短 底部 43
6 AA 短 顶部 43
7 AA 长 底部 47
8 AA 长 顶部 45
C-9 无 N/A 底部 90
C-10 无 N/A 顶部 90
可以看出，在使用AA的实施例中启动反应的时间为43-47分钟，而使用AAn蒸气要求53-57分钟。因此启动时间平均比使用AA蒸气时快10分钟。
测定各批次中的4个板各自的乙酰基百分比。在各板的长度和宽度的中点处或附近钻孔。孔钻穿整个板并使用来自整个钻孔的切屑样品测定键合乙酰基百分比。由于将各板“C”切成2块，在板C的每一半的长度和宽度的中点处或附近钻孔，标作“C-1”和“C-2”。结果列在表2中。
表2
实施例的键合乙酰基测量
实施例 板 键合乙酰基百分比
1 A 18.31
1 B 19.16
1 C-1 16.45
1 C-2 18.62
1 D 17.74
2 A 18.94
2 B 16.60
2 C-1 19.73
2 C-2 20.29
2 D 21.65
3 A 19.34
3 B 18.79
3 C-1 19.57
3 C-2 18.81
3 D 19.37
4 A 18.30
4 B 18.18
4 C-1 20.19
4 C-2 19.87
4 D 20.30
5 A 19.04
5 B 18.91
5 C-1 17.84
5 C-2 16.26
5 D 17.17
实施例 板 键合乙酰基百分比
6 A 19.19
6 B 18.20
6 C-1 20.15
6 C-2 20.27
6 D 19.72
7 A 19.87
7 B 19.66
7 C-1 19.42
7 C-2 19.19
7 D 17.29
8 A 17.23
8 B 17.52
8 C-1 19.59
8 C-2 19.41
8 D 20.03
C-9 A 19.93
C-9 B 20.41
C-9 C-1 17.10
C-9 C-2 17.37
C-9 D 17.33
C-10 A 19.07
C-10 B 17.69
C-10 C-1 19.25
C-10 C-2 19.94
C-10 D 19.74
为了证实在整个板中发生乙酰化，在多个地点和深度取样来自实施例3的“A”位置的板。通过钻孔到板的8英尺 x 5.5英寸表面之一中（以大致平行于板宽度的轴的方向钻孔）来取样。取样地点I距板一端大约30英寸。地点II距板另一端大约30英寸（即距地点I大约3英尺）。地点III是板长度的大致中点。地点IV距板一端大约12英寸。地点V距板另一端大约12英寸（即距地点IV大约6英尺）。在各地点I-V，沿板的宽度在3个位置制造钻孔：在板宽度中心取一个样品，在距2个对边大约1’’处取一个样品。对地点I和II而言，在板的3个特定深度，具体为1/8英寸、1/4英寸和3/8英寸取样。对各地点I和II处的各给定深度而言，合并在该地点在沿宽度的3个钻孔位置的样品。因此，例如，地点I处的1/8深度英寸样品是来自地点I的宽度中心处的1/8英寸深度的材料以及来自距地点I的各2个边1英寸处的1/8英寸深度的材料的复合材料。
对各地点III、IV和V样品而言，在各位置钻穿整个板。因此，在宽度中心（位置III-2、IV-2和V-2）制造钻孔并在距各地点各边1英寸处（位置III-1、III-3、IV-1、IV-3、V-1和V-3）制造钻孔。从地点IV和V的各位置的切屑的复合材料中取单个样品，并从地点III的各位置的切屑的复合材料中取2个样品（因此，在位置III-1，存在2个样品，III-1A和III-1B）。测定各样品的键合乙酰基百分比。结果列在表3中。第一列标示地点和任选地，位置。地点III样品的“A”和“B”简单地指取自各位置的切屑的2个样品。可以看出，这两个复合样品都在板的整个厚度中和在各种深度实现充分乙酰化。
表3
实施例3，板A的具体取样
地点和位置 深度（英寸） 键合乙酰基百分比
I 1/8 20.06
I 1/4 19.59
I 3/8 19.84
II 1/8 20.23
II 1/4 18.69
II 3/8 19.19
III-1A * 20.23
III-1B * 18.69
III-2A * 19.19
III-2B * 20.23
III-3A * 18.69
III-3B * 19.19
IV-1 * 19.92
IV-2 * 19.72
IV-3 * 19.35
V-1 * 18.88
V-2 * 17.92
V-3 * 18.81
“*”的深度值是指钻穿板的整个厚度而非特定深度而取的样品。
已具体参照其优选实施方案详细描述本发明，但要理解的是，可以在本发明的精神和范围内作出变动和修改。

Claims (19)

1.方法，包括：
用包含乙酸酐的浸渍液浸渍固体木材以形成浸渍的固体木材，和
使该浸渍的固体木材与热蒸气接触以加热该浸渍的固体木材以形成乙酰化的固体木材，其中该蒸气包括选自乙酸酐或乙酸的乙酰化合物，该乙酰化合物以至少50重量%的量存在于该蒸气中，且测得该固体木材在一个维度上为至少30英寸和在另外两个维度上为至少0.25英寸。
2.权利要求1的方法，其中测得该固体木材在一个维度上为至少30英寸，在第二维度上为至少5英寸，和在第三维度上为至少0.5英寸。
3.方法，包括：
用包含乙酸酐的浸渍液浸渍固体木材以形成浸渍的固体木材，和
使该浸渍的固体木材与热蒸气接触以加热该浸渍的固体木材以形成乙酰化固体木材，其中该蒸气包含选自乙酸酐和乙酸的乙酰化合物，该乙酰化合物以至少50重量%的量存在于该蒸气中，且测得该固体木材在一个维度上为至少30英寸，并将该固体木材排列成至少0.25英寸高的堆叠体。
4.权利要求3的方法，其中将该固体木材排列成至少0.5英寸高的堆叠体。
5.权利要求1-4任一项的方法，其中该乙酰化固体木材含有至少10重量%的键合乙酰基百分比。
6.权利要求1-5任一项的方法，其中该固体木材的最长维度平行于该木材的纹理方向。
7.权利要求1-5任一项的方法，其中测得该固体木材在与该木材的纹理方向平行的维度上为至少30英寸。
8.权利要求1-7任一项的方法，其中该浸渍液进一步包含乙酸。
9.权利要求1-8任一项的方法，其中该乙酰化合物是乙酸酐。
10.权利要求9的方法，其中乙酸酐以至少75重量%的量存在于该热蒸气中。
11.权利要求9的方法，其中乙酸酐以至少90重量%的量存在于该热蒸气中。
12.权利要求9-11任一项的方法，其中该热蒸气进一步包含乙酸。
13.权利要求1-7任一项的方法，其中该乙酰化合物是乙酸。
14.权利要求11的方法，其中该乙酸以至少75重量%的量存在于该热蒸气中。
15.权利要求11的方法，其中该乙酸以至少90重量%的量存在于该热蒸气中。
16.权利要求13-15任一项的方法，其中该热蒸气进一步包含乙酸酐。
17.权利要求13-15任一项的方法，其中该热蒸气进一步包含水。
18.通过权利要求1-17任一项的方法制成的乙酰化木质纤维素材料。
19.包含权利要求18的乙酰化木质纤维素材料的制品。
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