KR20230006864A - 몰드 가능하고 몰드된 셀룰로오스-베이스 구조 물질, 시스템 및 이의 형성 및 사용 방법 - Google Patents
몰드 가능하고 몰드된 셀룰로오스-베이스 구조 물질, 시스템 및 이의 형성 및 사용 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230006864A KR20230006864A KR1020227040894A KR20227040894A KR20230006864A KR 20230006864 A KR20230006864 A KR 20230006864A KR 1020227040894 A KR1020227040894 A KR 1020227040894A KR 20227040894 A KR20227040894 A KR 20227040894A KR 20230006864 A KR20230006864 A KR 20230006864A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- wood
- piece
- partially
- delignified
- cellulose
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 374
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 196
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 title claims description 187
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 title claims description 187
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title description 14
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims abstract description 426
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 claims abstract description 102
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims abstract description 81
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 73
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 claims abstract description 33
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 claims abstract description 32
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 claims abstract description 32
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 23
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 claims abstract description 12
- 244000025254 Cannabis sativa Species 0.000 claims abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 67
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 63
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 56
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 38
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims description 37
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 36
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 claims description 30
- 239000011121 hardwood Substances 0.000 claims description 29
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 28
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 25
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 21
- 239000011122 softwood Substances 0.000 claims description 19
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 16
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 14
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 14
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 13
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 12
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 11
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 7
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N Butyric acid Chemical compound CCCC(O)=O FERIUCNNQQJTOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- KFSLWBXXFJQRDL-UHFFFAOYSA-N Peracetic acid Chemical compound CC(=O)OO KFSLWBXXFJQRDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N Sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 6
- OSVXSBDYLRYLIG-UHFFFAOYSA-N dioxidochlorine(.) Chemical compound O=Cl=O OSVXSBDYLRYLIG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 6
- GEHJYWRUCIMESM-UHFFFAOYSA-L sodium sulfite Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])=O GEHJYWRUCIMESM-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 6
- JOXIMZWYDAKGHI-UHFFFAOYSA-N toluene-4-sulfonic acid Chemical compound CC1=CC=C(S(O)(=O)=O)C=C1 JOXIMZWYDAKGHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 5
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 4
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 claims description 4
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 4
- UKLNMMHNWFDKNT-UHFFFAOYSA-M sodium chlorite Chemical compound [Na+].[O-]Cl=O UKLNMMHNWFDKNT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 229960002218 sodium chlorite Drugs 0.000 claims description 4
- 210000005239 tubule Anatomy 0.000 claims description 4
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004155 Chlorine dioxide Substances 0.000 claims description 3
- SCKXCAADGDQQCS-UHFFFAOYSA-N Performic acid Chemical compound OOC=O SCKXCAADGDQQCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 claims description 3
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 claims description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N anthraquinone Natural products CCC(=O)c1c(O)c2C(=O)C3C(C=CC=C3O)C(=O)c2cc1CC(=O)OC PYKYMHQGRFAEBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000004056 anthraquinones Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 235000019398 chlorine dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- VDQVEACBQKUUSU-UHFFFAOYSA-M disodium;sulfanide Chemical compound [Na+].[Na+].[SH-] VDQVEACBQKUUSU-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 claims description 3
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 claims description 3
- 235000010265 sodium sulphite Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 claims description 2
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 claims 3
- VYKVQJFOZDGJLN-UHFFFAOYSA-M sodium hydrogen sulfite sulfurous acid Chemical compound [Na+].OS(O)=O.OS([O-])=O VYKVQJFOZDGJLN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 244000082204 Phyllostachys viridis Species 0.000 abstract description 30
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 66
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 34
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 14
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 10
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 9
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 9
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 9
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 9
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 9
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 8
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 6
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 5
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 4
- 241000219071 Malvaceae Species 0.000 description 4
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 4
- 229920002522 Wood fibre Polymers 0.000 description 4
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 4
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 4
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 4
- 238000000643 oven drying Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000002025 wood fiber Substances 0.000 description 4
- 244000273256 Phragmites communis Species 0.000 description 3
- DWAQJAXMDSEUJJ-UHFFFAOYSA-M Sodium bisulfite Chemical compound [Na+].OS([O-])=O DWAQJAXMDSEUJJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 210000001724 microfibril Anatomy 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000005445 natural material Substances 0.000 description 3
- 210000004738 parenchymal cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 241001494508 Arundo donax Species 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 2
- 244000150187 Cyperus papyrus Species 0.000 description 2
- 235000003799 Glyceria maxima Nutrition 0.000 description 2
- 241000559641 Glyceria maxima Species 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 240000008950 Neyraudia reynaudiana Species 0.000 description 2
- 244000081757 Phalaris arundinacea Species 0.000 description 2
- 241000209504 Poaceae Species 0.000 description 2
- 241000233932 Sparganium Species 0.000 description 2
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 2
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 2
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 229920006332 epoxy adhesive Polymers 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 2
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 239000012487 rinsing solution Substances 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 241000894007 species Species 0.000 description 2
- 238000007655 standard test method Methods 0.000 description 2
- 238000000352 supercritical drying Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 2
- 241001330024 Bambusoideae Species 0.000 description 1
- 241000743799 Calamagrostis Species 0.000 description 1
- 241001238172 Elegia tectorum Species 0.000 description 1
- 241000206602 Eukaryota Species 0.000 description 1
- XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N Norphytane Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000007880 Phyllostachys bambusoides Species 0.000 description 1
- 235000001550 Phyllostachys bambusoides Nutrition 0.000 description 1
- 240000005827 Phyllostachys nigra Species 0.000 description 1
- 235000010717 Phyllostachys nigra Nutrition 0.000 description 1
- 240000009188 Phyllostachys vivax Species 0.000 description 1
- 235000017200 Phyllostachys vivax Nutrition 0.000 description 1
- 241001536628 Poales Species 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001123076 Thamnochortus insignis Species 0.000 description 1
- 241000233948 Typha Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000002079 cooperative effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000002635 electroconvulsive therapy Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 125000002791 glucosyl group Chemical group C1([C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O1)CO)* 0.000 description 1
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 239000001115 mace Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 210000003632 microfilament Anatomy 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000012778 molding material Substances 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 238000005502 peroxidation Methods 0.000 description 1
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011527 polyurethane coating Substances 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009103 reabsorption Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000002226 simultaneous effect Effects 0.000 description 1
- 235000010267 sodium hydrogen sulphite Nutrition 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08H—DERIVATIVES OF NATURAL MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08H8/00—Macromolecular compounds derived from lignocellulosic materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
- B27D—WORKING VENEER OR PLYWOOD
- B27D1/00—Joining wood veneer with any material; Forming articles thereby; Preparatory processing of surfaces to be joined, e.g. scoring
- B27D1/04—Joining wood veneer with any material; Forming articles thereby; Preparatory processing of surfaces to be joined, e.g. scoring to produce plywood or articles made therefrom; Plywood sheets
- B27D1/06—Manufacture of central layers; Form of central layers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
- B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
- B27K1/00—Damping wood
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
- B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
- B27K3/00—Impregnating wood, e.g. impregnation pretreatment, for example puncturing; Wood impregnation aids not directly involved in the impregnation process
- B27K3/02—Processes; Apparatus
- B27K3/0278—Processes; Apparatus involving an additional treatment during or after impregnation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
- B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
- B27K3/00—Impregnating wood, e.g. impregnation pretreatment, for example puncturing; Wood impregnation aids not directly involved in the impregnation process
- B27K3/16—Inorganic impregnating agents
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C1/00—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
- B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
- B27K2200/00—Wooden materials to be treated
- B27K2200/10—Articles made of particles or fibres consisting of wood or other lignocellulosic material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
- B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
- B27K2240/00—Purpose of the treatment
- B27K2240/10—Extraction of components naturally occurring in wood, cork, straw, cane or reed
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Forests & Forestry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical And Physical Treatments For Wood And The Like (AREA)
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Dry Formation Of Fiberboard And The Like (AREA)
Abstract
목재, 대나무, 잔디 또는 갈대와 같은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 적어도 일부 리그닌을 제거하기 위해 하나 이상의 화학적 처리를 받을 수 있다. 상기 생성된 부분적으로-탈리그닌화된 물질은 부분적으로 건조되거나 완전히 건조된 다음 재-수화되어 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질을 생성할 수 있다. 상기 몰드 가능한 물질은 실질적으로 평평한 평면 구성에서 비-평면 3차원 구성으로 형성될 수 있다. 원하는 구성으로 형성되면, 상기 몰드 가능한 물질을 완전히 건조시켜 모양을 설정하여, 단단한 몰드된 조각을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 몰드된 조각은 예를 들어 하중-지지 구조물(load-bearing structure) 또는 복합 하중-지지 구조물의 일부를 형성하기 위한 구조 재료로서 사용될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 "접을 수 있는 구조적 식물-베이스 물질 및 이의 제조, 접기 및 절단 방법" 이라는 명칭으로 2020년 4월 22일자로 출원된 미국 가출원 번호 63/013,955의 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
분야
본 발명은 일반적으로 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 프로세스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 몰드 가능한 조각 및 몰드된 구조 물질을 만들기 위한 섬유질 식물 물질의 형성 및 용도에 관한 것이다.
개시된 주제의 실시양태는 목재 또는 다른 섬유질 식물 물질(예를 들어, 대나무)를 그의 기계적 강도를 상당히 증가시키면서 임의의 3차원(3-D) 형상으로 처리할 수 있는 "하향식(top-down)" 접근법을 제공한다. 일부 실시양태에서, 천연 식물 물질은 하나 이상의 화학적 처리를 거쳐 그로부터 적어도 일부 리그닌을 제거(예: 부분 탈리그닌화)함으로써 천연 식물 물질을 연화시킨다. 부분적으로-탈리그닌화된 식물 물질의 후속 건조는 식물 미세구조의 혈관 및 섬유를 수축시킨다. 일부 실시양태에서, 상기 건조는 베셀(vessel)을 선택적으로 개방하기 위해 유체(예를 들어, 물)에서 물질을 "충격(shoking)"시키는 것이 뒤따른다. 이 빠른 "유체-충격(fluid shocking)" 프로세스는 압축을 위한 공간을 제공하고 높은 변형을 지원하는 기능을 제공하는 고유한 부분적으로 개방된 주름진 세포벽 구조를 형성하여 물질을 쉽게 접고 몰드할 수 있도록 한다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 물질은 부분적으로만 건조되어 베셀이 실질적으로 개방된 상태로 유지되어 물질의 폴딩 및 몰드가 가능하다. 이러한 몰드 가능한 식물 물질로 달성할 수 있는 상이한 모양과 구조는 추가로 건조하여 남아 있는 액체를 제거(예를 들어, 수분 함량이 15wt% 이하가 되도록)함으로써 자리를 잡을 수 있으므로, 견고한 3-D 몰드 식물 기반 구조를 형성한다.
일부 실시양태에서, 본원에 기재된 세포벽 공학 프로세스는 식물 물질의 고유 이방성 미세구조(intrinsic anisotropic microstructure)를 유지할 수 있고 세포벽 내의 셀룰로오스-베이스 섬유 사이의 상호작용을 향상시킬 수 있다. 이러한 상호 작용은 조작된 식물-베이스 물질의 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 식물-베이스 물질은 3-D 형상으로 몰드되고 구조 물질 또는 복합 구조 물질의 일부를 형성하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 벌집형 코어 물질(honeycomb core material)는 목재 베니어판(예를 들어, 롤-투-롤 회전 절단에 의해 생성됨)으로 형성될 수 있다. 벌집형 코어 물질을 지지 플레이트(예를 들어, 알루미늄 플레이트)와 결합하면, 그 결과 구조 물질은 Al 합금과 유사하게 ~300MPa의 인장 강도를 나타낼 수 있지만 밀도는 ~0.75g/cm3에 불과하고 비용은 저렴하다. 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따라 다른 3-D 구조 및 용도가 또한 가능하다.
본 발명의 다양한 혁신 중 임의의 것은 조합하여 또는 개별적으로 사용될 수 있다. 이 요약은 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 단순화된 형태로 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 주요 특징 또는 본질적인 특징을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 사용하려는 것도 아니다. 개시된 기술의 상기 및 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
일반적인 고려사항
이 설명의 목적을 위해, 본 개시 내용의 실시예의 특정 측면, 이점 및 신규 특징이 본원에 설명된다. 상기 개시된 방법 및 시스템은 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 대신에, 본 개시는 단독으로 그리고 서로와의 다양한 조합 및 하위 조합으로 다양한 개시된 실시양태의 모든 신규하고 자명하지 않은 특징 및 양태에 관한 것이다. 상기 방법 및 시스템은 임의의 특정 양태 또는 특징 또는 이들의 조합으로 제한되지 않으며, 개시된 실시양태는 임의의 하나 이상의 특정 이점이 존재하거나 문제가 해결될 것을 요구하지 않는다. 임의의 실시양태 또는 실시예로부터의 기술은 임의의 하나 이상의 다른 실시양태 또는 실시예에서 설명된 기술과 결합될 수 있다. 개시된 기술의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시양태의 관점에서, 예시된 실시양태는 단지 예시적인 것이며 개시된 기술의 범위를 제한하는 것으로 취해져서는 안 된다는 것을 인식해야 한다.
개시된 방법 중 일부의 동작이 편리한 제시를 위해 특정한 순차적인 순서로 설명되어 있지만, 아래에 설명된 특정 언어에 의해 특정 순서가 요구되지 않는 한 이러한 설명 방식은 재배열을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 순차적으로 설명된 작업은 경우에 따라 재배열되거나 동시에 수행될 수 있다. 더욱이, 단순화를 위해, 첨부된 도면은 개시된 방법이 다른 방법과 함께 사용될 수 있는 다양한 방식을 나타내지 않을 수 있다. 추가적으로, 상기 설명은 개시된 방법을 설명하기 위해 때때로 "제공하다(provide)" 또는 "달성하다(achieve)"와 같은 용어를 사용한다. 이러한 용어는 수행되는 실제 작업의 상위 수준 추상적 개념이다. 이러한 용어에 대응하는 실제 동작은 특정 구현에 따라 달라질 수 있으며 당업자에 의해 쉽게 식별될 수 있다.
수치 범위의 개시는 달리 언급되지 않는 한 종료점을 포함하는 범위 내의 각각의 개별 지점을 언급하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 명세서 또는 청구범위에 사용된 성분, 분자량, 백분율, 온도, 시간 등의 양을 나타내는 모든 숫자는 용어 "약(about)"에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 암시적 또는 명시적으로 달리 명시되지 않는 한, 또는 문맥이 보다 명확한 구성을 갖는 것으로 당업자에 의해 적절하게 이해되지 않는 한, 제시된 수치 매개변수는 원하는 특성 및/또는 당업자에게 알려진 표준 시험 조건/방법 하에서의 검출 한계에 의존할 수 있는 근사치이다. 실시양태를 논의된 선행 기술과 직접적이고 명시적으로 구별할 때, 상기 실시양태 번호는 "약(about)"이라는 단어가 언급되지 않는 한 근사치가 아니다. "실질적으로(substantially)", "대략적으로(approximately)", "약(about)" 또는 이와 유사한 언어가 특정 값과 함께 명시적으로 사용될 때마다 명시적으로 달리 명시되지 않는 한 해당 값의 최대 10%를 포함하는 변형이 의도된다.
지침 및 기타 관련 참조는 본 명세서의 도면 및 원리의 논의를 용이하게 하기 위해 사용될 수 있지만 제한하려는 의도는 아니다. 예를 들어, "안쪽(inner)", "바깥쪽(outer)", "상부(upper)", "하부(lower)", "위쪽(top)", "아래쪽(bottom)", "내부(interior)", "외부(exterior)", "왼쪽(left)", "오른쪽(right)", "앞(front)", "뒤(back)", "뒤쪽(rear)" 등과 같은 특정 용어가 사용될 수 있다. 그러한 용어는 적용 가능한 경우, 특히 예시된 실시양태와 관련하여 상대적 관계를 다룰 때 설명의 일부 명확성을 제공하기 위해 사용된다. 그러나 이러한 용어는 절대적인 관계, 위치 및/또는 방향을 의미하지 않는다. 예를 들어, 물체에 대해 "상부(upper)" 부분이 "하부(lower)" 부분이 되는 것은 단순히 물체를 뒤집는 것이다. 그럼에도 불구하고 그것은 여전히 동일한 부분이고 대상은 동일하게 유지된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "포함하는(comprising)"은 "포함하는(including)"을 의미하고, 단수 형태 "a" 또는 "an" 또는 "the"는 문맥이 달리 명백하게 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함한다. 상기 용어 "또는(or)"은 문맥에서 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 언급된 대안 요소의 단일 요소 또는 둘 이상의 요소의 조합을 나타낸다.
다양한 구성요소, 매개변수, 작동 조건 등에 대한 대안이 여기에 설명되어 있지만, 이는 이러한 대안이 반드시 동등하고/하거나 동등하게 잘 수행된다는 것을 의미하지는 않는다. 달리 명시되지 않는 한 대안이 선호되는 순서로 나열된다는 의미도 아니다. 달리 명시되지 않는 한, 하기 정의된 그룹(group) 중 임의의 것은 치환되거나 치환되지 않을 수 있다.
달리 설명되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기재된 것과 유사하거나 등가인 방법 및 물질이 본 개시내용의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 물질이 하기에 기재되어 있다. 물질, 방법 및 실시예는 예시일 뿐이며 제한하려는 의도가 아니다. 현재 개시된 주제의 특징은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로부터 명백할 것이다.
약관 개요
특정 용어 및 약어에 대한 다음 설명은 개시된 주제의 다양한 양태의 설명을 용이하게 하고 개시된 주제의 실시에서 당업자를 안내하기 위해 제공된다.
자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질(Naturally-occurring cellulose-based material): 자연 상태에서 성장한 식물계(kingdom Plantae) 중 임의의 광합성 진핵생물의 부분(예를 들어, 기계적 수단 또는 기타 방법을 통해 절단된 부분). 일부 실시양태에서, 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 목재 (예를 들어, 경목(hardwood) 또는 연목(softwood)), 대나무 (예를 들어, 임의의 Bambusoideae, 예컨대 but not limited to Moso, Phyllostachys vivax, Phyllostachys viridis, Phyllostachys bambusoides, and Phyllostachys nigra와 같으나 이에 제한되지 않음), 갈대 (예를 들어, 임의의 일반 갈대(common reed) (Phragmites australis), 거대한 갈대(giant reed) (Arundo donax), 버마 갈대 (Burma reed) (Neyraudia reynaudiana), 갈대 카나리아-풀(reed canary-grass) (Phalaris arundinacea), 갈대 스윗-풀(reed sweet-grass) (Glyceria maxima), 작은-갈대(small-reed) (Calamagrostis species), 종이 갈대(paper reed) (Cyperus papyrus), 가시-갈대(bur-reed) (Sparganium species), 부들(reed-mace) (Typha species), 케이프 가려움증 갈대(cape thatching reed) (Elegia tectorum), 및 가려움증 갈대(thatching reed) (Thamnochortus insignis)) 또는 잔디(예를 들어, 벼목(Poales order) 또는 벼과(Poaceae family)로부터 선택되는 종)를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스로 구성되고 세포에 의해 형성된 일부 루미나의 직경이 다른 것보다 더 큰 미세구조를 갖는 임의 유형의 섬유질 식물일 수 있다.
세로 성장 방향(Longitudinal growth direction): 식물의 뿌리 또는 줄기에서 식물이 자라는 방향으로, 식물의 세포벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유는 일반적으로 세로 성장 방향과 정렬된다. 어떤 경우에는, 상기 세로 성장 방향이 일반적으로 수직이거나 물의 증산 흐름 방향에 해당할 수 있다. 이것은 식물의 중앙 부분에서 바깥쪽으로 확장되고 일반적으로 수평일 수 있는 방사형 성장 방향과 대조적이다.
탈리그닌화(Delignification): 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질로부터 자연적으로-발생하는 리그닌의 일부(예를 들어, 적어도 0.1% 이상) 또는 전부는 아니지만(예를 들어, 99% 미만) 제거. 탈리그닌화 전후의 식물 물질 내의 리그닌(Lignin)함량은 당업계예 공지된 기술, 예를 들어, National Renewable Energy Laboratory (NREL)에서 발행한 “Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass,”Version 08-03-2012 에 대한 Laboratory Analytical Procedure (LAP) TP-510-42618, 및 ASTM International에서 발행한 “Standard Test Method for Determination of Carbohydrates in Biomass by High Performance Liquid Chromatography,”에 대한 ASTM E1758-01(2020)을 사용하여 평가될 수 있으며, 둘 다 본원에 참고로 포함된다.
수분 함량(Moisture content): 식물 물질의 미세 구조 내에 유지되는 유체, 일반적으로 물의 양. 일부 실시양태에서, 상기 수분 함량(MC)은 예를 들어 하기 식을 사용하여 식물 물질을 오븐 건조(예를 들어, 103℃에서 6시간 동안)함으로써 달성되는 중량 변화를 계산함으로써 오븐-건조 시험(oven-dry testing) 에 의해 결정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 당업계에 공지된 기술, 예를 들어 ASTM International에서 발행한 “Standard Test Methods for Direct Moisture Content Measurement of Wood and Wood-based Materials”에 대한 ASTM D4442-20 (2020) 에 기재된 전기 수분 측정기 또는 다른 기술을 사용하여 수분 함량을 평가할 수 있으며, 이러한 표준은 본원에 참고로 포함된다.
모놀리식(Monolithic): 여러 하위 조각(예를 들어, 라미네이트)을 결합하거나 결합하여 형성된 단일 조각과 대조되는 단일 연속 조각.
피로감 없음(Fatigue free): 플라스틱 변형, 노치 또는 주름 형성, 파손, 해어짐(fraying) 등과 같은 물질 결함의 증거 없이 반복적으로 폴딩 또는 벤딩할 수 있다.
형성(Shaping): 벤딩(bending), 폴딩(folding), 푸싱(pushing), 프레싱(pressing) 또는 원하는 구성으로 물질의 조각을 다른 비-파괴적으로 형성(예를 들어, 셀룰로오스-베이스 물질을 제거하지 않고)한다.
3-차원(3-D) 구성(Three-dimensional (3-D) configuration): 실질적으로-편평한 평면 구성(substantially-flat planar configuration)(셀룰로오스 나노섬유가 공통 방향을 따라 실질적으로 정렬됨)과 대조적으로, 3-D 구성은 단일 모놀리식 조각이 적어도 하나 이상의 외부 표면이 동일 평면이 아닌 부분을 갖도록 몰드되어, 한 부분의 셀룰로오스 나노섬유가 다른 부분의 셀룰로오스 나노섬유와 더 이상 정렬되지 않도록 하며, 상기 조각은 전체 평행 육면체 모양 또는 이의 임의의 조합을 가지고 있지 않는다.
소개(Introduction)
실시양태에서, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 미세구조는 상기 물질에 더 유연한 특성을 제공하도록 변형될 수 있다. 상기 변형은 하나 이상의 화학적 처리(예를 들어, 부분 탈리그닌화)에 의해 천연 물질에서 리그닌의 전부가 아닌 일부를 제거하는 것이 포함될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 변형은 천연 재료의 미세구조에서 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 실질적으로 유지한다; 그러나 충분한 리그닌이 제거되어 일부 인접한 세포 사이에 틈이 형성될 수 있다. 상기 부분적으로-탈리그닌화된 물질이 화학적 처리 후에 후속적으로 건조될 때, 미세구조에서 세포의 루미나(lumina)가 수축되거나 구겨질 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 물질은 완전히 건조될 수 있고(예를 들어, 수분 함량 ≤ 15wt%를 갖도록), 이는 루미나를 실질적으로 붕괴시킨다. 건조 후, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 물질은 짧은 기간 동안(예를 들어, 5분 미만) 유체에 부분적으로 또는 완전히 침지하여 재-수화될 수 있다. 이 "유체 충격(fluid shock)"으로 ?내 루미나의 일부가 다시 열릴 수 있는 반면 다른 루미나는 상당히 붕괴된 상태로 남아 있을 수 있다. 상기 재-수화된 물질은 천연 재료에 비해 더 유연할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 물질은 부분적으로 건조되어(예를 들어, 수분 함량 ≥ 35wt%를 갖도록) 적어도 일부 루미나가 붕괴되거나 수축될 수 있다. 상기 부분적으로 건조된 물질은 또한 천연 물질 비해 더 유연할 수 있다.
일부 실시영태에서, 보다 유연하거나, 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질은 예를 들어 폴딩, 벤딩, 압축 몰드 사용 또는 임의의 다른 기술에 의해 임의로 몰드될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질은 초기에 예를 들어 10mm 이하의 두께를 갖는 얇고 편평한 조각으로 제공될 수 있다. 그런 다음 상기 몰드 가능한 물질은 임의의 복잡한 3-D 구조를 형성하기 위해 임의의 방향, 위치 및 임의의 각도 방향(예를 들어, 0°에서 180°포함)으로 접거나 구부리거나 다른 모양을 만들 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 상기 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질은 오리가미(origami) 및/또는 키리가미(kifigami)의 전통과 유사하게 복잡한 3-D 구조를 생성하기 위해 절단 및/또는 폴딩될 수 있다.
셀룰로오스-베이스 물질이 충분한 유체 함량(예를 들어, 수분 함량 ≥ 35wt%)을 유지하는 한 물질은 몰드 가능/유연성을 유지할 수 있다. 특정 형상(예를 들어, 수분 함량 ≤ 15wt%)으로 구성될 때, 상기 물질을 완전히 건조하면 재료가 모양을 유지하도록 "설정(set)"될 수 있으므로 임의의 추가 몰드에 의해 플라스틱 변형될 수 있는 견고한 몰드 구조를 형성한다. 상기 생성된 몰드 물질은 원래의 천연 물질에 비해 향상된 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 상기 몰드 물질은 구조적 물질로 사용되거나 다른 물질과 통합되어 복합 구조적 물질을 형성할 수 있는 강성, 모놀리식 조각(rigid, monolithic piece)이다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 몰드 가능한 물질은 예를 들어 가용성 기판(flexible substrate) 또는 다른 지지 구조(support structure)로 사용하기 위해, 가요성을 유지하기 위해 수화된 상태로 유지될 수 있다.
본원에 개시된 세포벽 공학적 접근법은 종래의 평면 구조를 넘어 경량 구조 물질로서 천연 식물 물질(예를 들어, 목재, 대나무, 잔디 등)의 능력을 더 큰 다양성을 가진 복잡한 3D 디자인 및 구성요소로 근본적으로 확장할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시양태를 설명할 것이며, 반드시 일정한 비율로 그려지지는 않을 것이다. 적용 가능한 경우 기본 기능의 설명 및 설명을 돕기 위해 일부 요소를 단순화하거나 설명하지 않을 수 있다. 도면 전체에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 개시된 요지의 하나 이상의 실시예에 따라 자연 발생 셀룰로오스계 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하고 그로부터 몰드 구조 물질을 형성하기 위한 방법의 단순화된 공정 흐름도이다.
도 2a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 천연 발생 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하는 데 사용될 수 있는 천연 목재의 방사형, 세로형 및 회전식 절단 조각을 도시한다.
도 2b는 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 포함하는 천연 목재의 미세구조를 나타내는 단순화된 단면도이다.
도 2c는 천연 목재의 세로 목재 성장 방향에 수직한 방향의 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2d는 천연 목재에서 셀룰로오스 섬유의 계층적으로 정렬된 구조를 도시하는 단순화된 개략도이다.
도 3a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하는 데 사용될 수 있는 천연 대나무 세그먼트의 단순화된 부분 절개도이다.
도 3b는 천연 대나무 세그먼트의 단면의 평면도 이미지이다.
도 3c는 도 2b의 천연 대나무 절편의 줄기를 확대한 이미지이다.
도 3d는 도 3c의 줄기 벽(culm wall)의 계층적 미세구조를 보여주는 추가 확대된 이미지이다.
도 4a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라 유체 충격 처리(fluid shock treatment)를 사용하여 몰드 가능한 목재 조각의 제1 예시적인 형성의 다양한 단계를 도시하며, 다양한 단계에서 목재 단면의 SEM 이미지 및 도식적 삽화와 다양한 단계에서 목재의 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유의 도식적 삽화를 포함한다.
도 4b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라 유체 충격 처리를 사용하지 않고 몰드 가능한 목재 조각의 제2 예시적인 형성의 다양한 단계를 도시하며, 다양한 단계에서 목재 단면의 SEM 이미지 및 도식적 삽화와 다양한 단계에서 목재의 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유의 도식적 삽화를 포함한다.
도 5a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 예시적인 폴딩(folding) 또는 벤딩(bending) 축을 갖는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각의 사시도이다.
도 5b는 예시적인 폴딩 또는 벤딩 위치를 갖는 도 5a의 몰드 가능한 조각의 측면도이다.
도 5c는 도 5b의 몰드 가능한 부분의 예시적인 폴딩을 도시한다.
도 6a 내지 도 6l은 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생한 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각에 대한 예시적인 폴딩 구성을 도시한다.
도 7a 내지 도 7b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각에 대한 예시적인 구부러진 구성을 도시한다.
도 8은 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각에 대한 예시적인 반복되는 물결 모양 구성을 도시한다.
도 9는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라 몰드(mold)를 사용하여 도 8의 파상 구성을 갖도록 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하기 위한 예시적인 제작 설정(setup)을 도시한다.
도 10a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 유체 충격 처리를 사용하여 도 8의 파상 구성을 갖도록 천연 목재의 몰드 가능한 조각을 연속적으로 형성하기 위한 예시적인 제작 설정의 단순화된 측면도이다.
도 10b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 유체 충격 처리 없이 도 8의 파상 구성을 갖도록 천연 목재의 몰드 가능한 조각을 연속적으로 형성하기 위한 또 다른 예시적인 제작 설정의 단순화된 측면도이다.
도 11a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 8의 파상 구성을 갖는 규칙적으로 배열된 몰드 조각에 의해 형성된 예시적인 다층 구조의 측면도이다.
도 11b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 8의 파상 구성을 갖는 대칭적으로 배열된 몰드된 조각에 의해 형성된 예시적인 다층 구조의 측면도이다.
도 12a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 구조적 세그먼트를 형성하기 위한 예시적인 절단 평면을 도시하는, 도 8의 파상 구성의 평면도이다.
도 12b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 벌집형 구성을 갖는 구조 물질을 형성하기 위한 파상 구성의 몰드 구조 세그먼트의 예시적인 어셈블리를 예시하는 측면도이다.
도 12c는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 복합 구조를 형성하기 위해 한 쌍의 지지 플레이트를 갖는 벌집형 구조 물질의 예시적인 어셈블리를 도시하는 사시도이다.
도 12d는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 도 12c의 어셈블리에 의해 형성된 합성 구조물의 단순화된 측면도이다.
도 13a는 천연 목재 종(species) 및 폴리머와 비교하여 몰드된 목재 조각(3-D 몰드 목재)에 대한 강성 대 밀도의 그래프이다.
도 13b는 몰드된 목재 조각(3-D 몰드 목재)에 의해 형성된 벌집형 구성 대 알루미늄(Al-5052)에 의해 형성된 벌집형 구성을 갖는 복합 구조물의 특정 압축 강도의 그래프이다.
도 14a는 비-몰드 가능한 목재, 몰드 가능한 목재 및 3-D 몰드된 목재의 제조시 수분함유량을 시간적으로 나타낸 그래프이다.
도 14b-14c는 각각 건조 상태의 수축 목재 및 습윤 상태의 몰드 가능한 목재의 이미지이다.
도 15a는 압축된 목재에 구멍을 형성하여 구멍 가장자리에서 목재 섬유 파손을 초래하는 비교 프로세스 흐름을 도시한다.
도 15b는 구멍의 가장자리에서 목재 섬유 파손을 방지하기 위해 몰드 가능한 목재에 구멍을 형성하기 위한 예시적인 프로세스 흐름을 도시한다.
도 1은 개시된 요지의 하나 이상의 실시예에 따라 자연 발생 셀룰로오스계 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하고 그로부터 몰드 구조 물질을 형성하기 위한 방법의 단순화된 공정 흐름도이다.
도 2a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 천연 발생 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하는 데 사용될 수 있는 천연 목재의 방사형, 세로형 및 회전식 절단 조각을 도시한다.
도 2b는 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 포함하는 천연 목재의 미세구조를 나타내는 단순화된 단면도이다.
도 2c는 천연 목재의 세로 목재 성장 방향에 수직한 방향의 단면을 촬영한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2d는 천연 목재에서 셀룰로오스 섬유의 계층적으로 정렬된 구조를 도시하는 단순화된 개략도이다.
도 3a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하는 데 사용될 수 있는 천연 대나무 세그먼트의 단순화된 부분 절개도이다.
도 3b는 천연 대나무 세그먼트의 단면의 평면도 이미지이다.
도 3c는 도 2b의 천연 대나무 절편의 줄기를 확대한 이미지이다.
도 3d는 도 3c의 줄기 벽(culm wall)의 계층적 미세구조를 보여주는 추가 확대된 이미지이다.
도 4a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라 유체 충격 처리(fluid shock treatment)를 사용하여 몰드 가능한 목재 조각의 제1 예시적인 형성의 다양한 단계를 도시하며, 다양한 단계에서 목재 단면의 SEM 이미지 및 도식적 삽화와 다양한 단계에서 목재의 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유의 도식적 삽화를 포함한다.
도 4b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라 유체 충격 처리를 사용하지 않고 몰드 가능한 목재 조각의 제2 예시적인 형성의 다양한 단계를 도시하며, 다양한 단계에서 목재 단면의 SEM 이미지 및 도식적 삽화와 다양한 단계에서 목재의 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유의 도식적 삽화를 포함한다.
도 5a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 예시적인 폴딩(folding) 또는 벤딩(bending) 축을 갖는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각의 사시도이다.
도 5b는 예시적인 폴딩 또는 벤딩 위치를 갖는 도 5a의 몰드 가능한 조각의 측면도이다.
도 5c는 도 5b의 몰드 가능한 부분의 예시적인 폴딩을 도시한다.
도 6a 내지 도 6l은 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생한 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각에 대한 예시적인 폴딩 구성을 도시한다.
도 7a 내지 도 7b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각에 대한 예시적인 구부러진 구성을 도시한다.
도 8은 개시된 주제의 하나 이상의 실시양태에 따른, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각에 대한 예시적인 반복되는 물결 모양 구성을 도시한다.
도 9는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라 몰드(mold)를 사용하여 도 8의 파상 구성을 갖도록 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 몰드 가능한 조각을 형성하기 위한 예시적인 제작 설정(setup)을 도시한다.
도 10a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 유체 충격 처리를 사용하여 도 8의 파상 구성을 갖도록 천연 목재의 몰드 가능한 조각을 연속적으로 형성하기 위한 예시적인 제작 설정의 단순화된 측면도이다.
도 10b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 유체 충격 처리 없이 도 8의 파상 구성을 갖도록 천연 목재의 몰드 가능한 조각을 연속적으로 형성하기 위한 또 다른 예시적인 제작 설정의 단순화된 측면도이다.
도 11a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 8의 파상 구성을 갖는 규칙적으로 배열된 몰드 조각에 의해 형성된 예시적인 다층 구조의 측면도이다.
도 11b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따른, 도 8의 파상 구성을 갖는 대칭적으로 배열된 몰드된 조각에 의해 형성된 예시적인 다층 구조의 측면도이다.
도 12a는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 구조적 세그먼트를 형성하기 위한 예시적인 절단 평면을 도시하는, 도 8의 파상 구성의 평면도이다.
도 12b는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 벌집형 구성을 갖는 구조 물질을 형성하기 위한 파상 구성의 몰드 구조 세그먼트의 예시적인 어셈블리를 예시하는 측면도이다.
도 12c는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 복합 구조를 형성하기 위해 한 쌍의 지지 플레이트를 갖는 벌집형 구조 물질의 예시적인 어셈블리를 도시하는 사시도이다.
도 12d는 개시된 청구 대상의 하나 이상의 실시양태에 따라, 도 12c의 어셈블리에 의해 형성된 합성 구조물의 단순화된 측면도이다.
도 13a는 천연 목재 종(species) 및 폴리머와 비교하여 몰드된 목재 조각(3-D 몰드 목재)에 대한 강성 대 밀도의 그래프이다.
도 13b는 몰드된 목재 조각(3-D 몰드 목재)에 의해 형성된 벌집형 구성 대 알루미늄(Al-5052)에 의해 형성된 벌집형 구성을 갖는 복합 구조물의 특정 압축 강도의 그래프이다.
도 14a는 비-몰드 가능한 목재, 몰드 가능한 목재 및 3-D 몰드된 목재의 제조시 수분함유량을 시간적으로 나타낸 그래프이다.
도 14b-14c는 각각 건조 상태의 수축 목재 및 습윤 상태의 몰드 가능한 목재의 이미지이다.
도 15a는 압축된 목재에 구멍을 형성하여 구멍 가장자리에서 목재 섬유 파손을 초래하는 비교 프로세스 흐름을 도시한다.
도 15b는 구멍의 가장자리에서 목재 섬유 파손을 방지하기 위해 몰드 가능한 목재에 구멍을 형성하기 위한 예시적인 프로세스 흐름을 도시한다.
도 1은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질 및 이의 후속 사용으로부터 몰드 가능한 구조를 형성하기 위한 예시적인 방법(100)을 도시한다. 일부 실시양태에서, 상기 식물 물질은 목재, 대나무, 풀 또는 갈대이다. 그러나, 다른 실시양태에서, 상기 식물 물질은 리그닌, 헤미셀룰로오스, 및 셀룰로오스로 구성되고, 세포가 다른 것보다 더 큰 세포에 의해 형성된 일부 루미나의 직경을 갖는 미세구조를 갖는 임의의 유형의 섬유성 식물일 수 있다.예를 들어, 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 미세 구조는 제1 세로 세포(예를 들어, 섬유, 미세섬유 또는 헛물관)의 벽에 의해 형성되고 제1 단면 크기를 갖는 제1 루미나 및 제2 세로 세포(예를 들어, 베셀)의 벽에 의해 형성되고 제1 단면 크기보다 큰 제2 단면 크기를 갖는 제2 루미나를 가질 수 있다.
상기 방법(100)은 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 조각이 제조되는 프로세스 블록(102)에서 시작할 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세스 블록(102)의 제조는 모 식물로부터 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 커팅, 제거 또는 분리하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 커팅은 셀룰로오스 섬유의 방향이 구조의 평면에 평행하게 연장되는 실질적으로 평평한 평면 구조로 셀룰로오스-베이스 물질을 형성할 수 있다. 선택적으로, 일부 실시양태에서, 상기 제조는 천연 셀룰로오스-베이스 물질 조각의 사전-프로세스, 예를 들어, 후속 프로세싱을 위한 준비에서 임의의 바람직하지 않은 물질 또는 오염을 제거하기 위해 세척하는 단계, 후속 프로세싱을 위한 준비에서 천연 셀룰로오스-베이스 물질을 특정 모양으로 형성(예를 들어, 스트립으로 슬라이싱)하는 단계, 셀룰로오스-베이스 물질의 연화(softening) 또는 평탄화(flattening) (예를 들어, 증기 처리 사용)시키는 단계, 또는 전술한 것의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
프로세스 블록(104)에서, 상기 셀룰로오스-베이스 물질은 그로부터 적어도 일부 리그닌을 제거하기 위해, 예를 들어, 상기 천연 셀룰로오스-베이스 물질(또는 이의 일부)을 상기 처리와 관련된 화학 용액에 침지시키는 것으로 하나 이상의 화학적 처리를 받게 된다. 일부 실시양태에서, 각각의 화학적 처리 또는 일부 화학적 처리만이 진공 하에 수행될 수 있고, 상기 처리와 관련된 용액이 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 세포벽과 루미나를 완전히 관통하도록 권장된다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 화학 처리(들)는 주위 압력 조건 또는 상승된 압력 조건(예를 들어, ~ 6-8 bar) 하에 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 각각의 화학 처리 또는 일부 화학 처리는 주위 온도(예를 들어, ~23℃)와 화학 처리와 관련된 용액이 끓는 상승된 온도(예를 들어, ~70-160℃) 사이의 임의의 온도에서 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 용액은 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 미세구조에 대한 파괴의 양을 최소화하기 위해 교반되지 않는다.
일부 실시양태에서, 상기 침지 시간은 0.1시간 내지 96시간, 예를 들어 4시간 내지 12시간 범위일 수 있다. 상기 용액 내 침지 시간의 양은 제거될 리그닌의 양, 조각의 크기, 용액의 온도, 처리 압력, 및/또는 교반의 함수일 수 있다. 예를 들어, 더 적은 양의 리그닌 제거, 더 작은 조각 크기, 더 높은 용액 온도, 더 높은 처리 압력 및 교반은 더 짧은 침지 시간과 관련될 수 있는 반면, 더 많은 양의 리그닌 제거, 더 큰 조각 크기, 더 낮은 용액 온도, 더 낮은 처리 압력, 교반이 없는 것은 더 긴 침지 시간과 관련될 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 화학 처리 용액은 알칼리성 용액을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 화학 처리 용액은 수산화나트륨(sodium hydroxide) (NaOH), 수산화리튬(lithium hydroxide) (LiOH), 수산화칼륨(potassium hydroxide) (KOH), 아황산나트륨(sodium sulfite) (Na2SO3), 황산나트륨(sodium sulfate) (Na2SO4), 황화나트륨(sodium sulfide) (Na2S), n이 정수인 NanS, 우레아(urea) (CH4N2O), 아황산수소나트륨(sodium bisulfite) (NaHSO3), 이산화황(sulfur dioxide) (SO2), 안트라퀴논(anthraquinone) (C14H8O2), 메탄올(methanol) (CH3OH), 에탄올(ethanol) (C2H5OH), 부탄올(butanol) (C4H9OH), 포름산(formic acid) (CH2O2), 과산화수소(hydrogen peroxide) (H2O2), 아세트산(acetic acid) (CH3COOH), 부티르산(butyric acid) (C4H8O2), 과산화포름산(peroxy formic acid) (CH2O3), 과산화아세트산(peroxy acetic acid) (C2H4O3), 암모니아(ammonia) (NH3), 토실산(tosylic acid) (p-TsOH), 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite) (NaClO), 아염소산나트륨(sodium chlorite) (NaClO2), 이산화염소(chlorine dioxide) (ClO2), 염소(chorine) (Cl2), 또는 상기의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상기 화학 처리를 위한 화학 물질의 예시적인 조합은 NaOH + Na2SO3, NaOH + Na2S, NaOH + 우레아, NaHSO3 + SO2 + H2O, NaHSO3 + Na2SO3, NaOH + Na2SO3, NaOH + AQ, NaOH + Na2S + AQ, NaHSO3 + SO2 + H2O + AQ, NaOH + Na2SO3 + AQ, NaHSO3 + AQ, NaHSO3 + Na2SO3 + AQ, Na2SO3 + AQ, NaOH + Na2S + NanS (n은 정수임), Na2SO3 + NaOH + CH3OH + AQ, C2H5OH + NaOH, CH3OH + HCOOH, NH3 + H2O, 및 NaClO2 + 아세트산을 포함할 수 있으나, 이제 제한되지 않는다.
상기 화학 처리는 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 리그닌 함량이 원하는 만큼 감소할 때까지 계속될 수 있다(또는 후속 솔루션으로 반복될 수 있음). 상기 리그닌 함량은 원하는 응용 프로그램에 따라, 0.1%(리그닌 함량은 천연 셀룰로오스-베이스 물질에서 원래 리그닌 함량의 0.1%임) 내지 99%(리그닌 함량은 천연 셀룰로오스-베이스 물질에서 원래 리그닌 함량의 99%임)로 감소될 수 있다. 예를 들어, 천연 셀룰로오스-베이스 물질을 가능한 한 많이 보유하는 것이 바람직할 수 있는 일부 실시양태에서, 상기 리그닌 함량의 감소는 예를 들어 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 원래 리그닌 함량과 비교하여 리그닌 함량이 10% 이하만큼 감소되도록 하여 비교적 작을 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 원래 리그닌 함량의 적어도 90% 이상이 제거되는 것과 같이 더 많은 양의 리그닌이 제거될 수 있다(예를 들어, 90-100% 리그닌이 제거됨). 일부 실시양태에서, 상기 리그닌 함량은 천연 셀룰로오스-베이스 물질의 원래 리그닌 함량과 비교하여 50% 이하로 감소된다. 일부 실시양태에서, 상기 화학적 처리는 리그닌 함량과 동시에 헤미셀룰로스 함량을, 예를 들어, 리그닌 함량 감소와 동일하거나 더 적은 정도로 감소시킨다.
일부 실시양태에서, 천연 셀룰로오스-베이스 물질이 경목인 경우, 상기 프로세스 블록(104)의 탈리그닌화 후 리그닌 함량은 적어도 10wt% 이상(예를 들어, 10-15wt% 범위 포함)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 천연 셀룰로오스-베이스 물질이 연목일 때, 상기 프로세스 블록(104)의 탈리그닌화 후 리그닌 함량은 적어도 12.5wt% 이상(예를 들어, 12.5-17.5wt% 포함)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 천연 셀룰로오스-베이스 물질이 대나무인 경우, 상기 프로세스 블록(104)의 탈리그닌화 후 리그닌 함량은 적어도 13wt% 이상(예를 들어, 13-18wt% 포함)일 수 있다. 상기 천연 식물 물질에서 리그닌을 제거하면 세포의 루미나를 확장하고 친수성을 높일 수 있다.
일부 실시양태에서, 프로세스 블록(104)은, 예를 들어, 탈리그닌화 프로세스로부터 발생하는 잔류 화학물질 또는 미립자를 제거하기 위해, 화학 처리(들) 후에 선택적인 헹굼 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질은 하나 이상의 헹굼 용액에 부분적으로 또는 완전히 침지될 수 있습니다. 상기 헹굼 용액은 탈이온(DI) 물, 알코올(예를 들어, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올 등), 또는 이들의 임의의 조합과 같은 용매일 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 상기 헹굼 용액은 동일한 부피의 물과 에탄올로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 헹굼은 예를 들어 미세구조의 파괴를 피하기 위해 교반 없이 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 헹굼은 각 반복(iteration)에 대해 새로운 혼합물 헹굼 용액을 사용하여 여러 번 반복(예를 들어, 적어도 3회)될 수 있다.
상기 방법(100)은 유체 충격 기술이 수행될 것인지를 결정하는 결정 블록(106)으로 진행할 수 있다. 유체 충격이 수행되지 않을 것으로 결정되면, 상기 방법(100)은 결정 블록(106)에서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질이 부분적으로 건조되는 공정 블록(108)으로 진행할 수 있다. 예를 들어, 프로세스 블록(108)의 부분 건조는 셀룰로오스-베이스 물질이 적어도 35wt% 이상(예를 들어, ≥ 50wt%)의 수분 함량을 갖도록 할 수 있다. 반면에, 유체 충격이 수행될 것으로 결정되면, 상기 방법(100)은 결정 블록(106)에서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질이 완전히 건조되는 프로세스 블록(110)으로 진행할 수 있다. 예를 들어, 프로세스 블록(110)의 완전 건조는 셀룰로오스-베이스 물질이 15wt% 이하(예를 들어, 약 8-12wt% 포함)의 수분 함량을 갖도록 할 수 있다.
프로세스 블록(108) 또는 프로세스 블록(110)의 건조는 공기-건조 프로세스, 진공-보조 건조 프로세스, 오븐 건조 프로세스, 동결-건조 프로세스, 임계점 건조 프로세스, 마이크로파 건조 프로세스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하나 이에 제한되지는 않는 전도성, 대류 및/또는 복사 가열 프로세스 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기-건조 프로세스는 상기 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질이공기는 실온(예: 23℃ 또는 상승된 온도(예: 23℃ 이상)와 같은 모든 온도에 있을 수 있는 정적 또는 이동하는 공기 중에서 자연적으로 건조되도록 하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 진공-보조 건조 프로세스는 부분적으로 탈리그닌화된 셀룰로스-베이스 물질을 예를 들어, 진공 챔버 또는 진공 오븐에서 감압, 예를 들어 1 bar 미만으로 처리하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 오븐 건조 프로세스는 부분적으로 탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질은 상승된 온도(예를 들어 23℃ 초과), 예를 들어, 70℃ 초과에서 가열하기 위해 오븐, 핫 플레이트 또는 기타 전도성, 대류 또는 복사 가열 장치를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 동결-건조 프로세스는 부분적으로 탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질 온도를 내부 유체의 빙점 미만(예를 들어, 0℃ 미만)으로 감소시킨 다음, 압력을 감소시켜 그 안의 동결된 유체가 승화시키는 것(예를 들어, 수 밀리바 미만)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임계점 건조 프로세스는 부분적으로 탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질을 유체(예를 들어, 액체 이산화탄소)에 침지시키고, 상기유체의 임계점(예를 들어, 7.39 MPa, 이산화탄소의 경우 31.1℃)을 지나 대나무 세그먼트의 온도 및 압력을 증가시킨 다음, 점차적으로 압력을 해제하여 현재 기체 상태의 유체를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 건조 프로세스는 마이크로파 영역(예를 들어, 300MHz ~ 300GHz), 예를 들어 ~915MHz 또는 ~2.45GHz의 주파수에서 주파수를 갖는 전자기 방사선에 노출시킴으로써 부분적으로 탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질 내에서 유전 가열을 유도하기 위해 마이크로파 오븐 또는 다른 마이크로파 발생 장치를 사용하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 프로세스 블록(110)의 완전한 건조는 상기 탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 수축을 야기하고, 이는 차례로 세포벽의 상당한 버클링(buckling)을 야기한다. 일부 실시양태에서, 상기 세로 세포에 의해 형성된 루미나는 붕괴될 수 있다(예를 들어, 채널 벽의 대향 표면이 접촉하도록 완전히 붕괴되거나, 또는 적어도 상당히 좁아짐). 프로세스 블록(110)의 건조 후에, 상기 방법(100)은 프로세스 블록(112)으로 진행할 수 있고, 상기 건조된 셀룰로오스-베이스 물질은 유체 충격 기술을 사용하여 재-수화된다. 예를 들어, 상기 건조된 셀룰로오스-베이스 물질은 재-수화된 물질이 적어도 35wt% 이상(예를 들어, 약 50wt%)의 수분 함량을 갖도록 짧은 시간(예를 들어, 몇 분, 예컨대, 3분 이하, 예를 들어, 초 단위로) 동안 유체예를 들어, 물, 알코올, 또는 이들의 임의의 조합)에 부분적으로 또는 완전히 침지될 수 있다. 유체에 침지시키는 것 이외의 재-수화 방법도 하나 이상의 실시양태에 따라 가능하다. 예를 들어, 습기가 많은 환경에 노출되면 수분을 보충할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 재-수화는 세포벽을 재-팽윤시키고 더 큰 루미나(예를 들어, 제2 세로 세포에 의해 형성된 제2 루미나)가 다시 열리도록 하는 반면 더 작은 루미나(예를 들어, 제1 세로 세포에 의해 형성된 제1 루미나)는 실질적으로 붕괴된 상태로 유지하는 데 효과적이다. 상기 유체 충격에 의해 도입된 팽창은 세포벽 구조에 주름을 생성할 수 있으며, 이로 인해 셀룰로오스-베이스 물질이 손상 없이 심한 장력과 압축을 수용할 수 있다.
프로세스 블록(108) 또는 프로세스 블록(112) 후에 적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 갖는 셀룰로오스-베이스 물질로, 상기 방법(100)은 사전-형성 변형이 필요한지 결정되는 결정 블록(114)으로 진행할 수 있다. 그러한 수정이 요구된다면, 상기 방법(100)은 비-기계 기술(non-machining technique) (예를 들어, 상기 수정을 형성하기 위해 상당한 양의 재료를 제거하지 않고)이 구멍, 개구, 리세스, 또는 다른 표면 수정을 형성하기 위해 사용되는 프로세스 블록(116)으로 진행할 수 있다. 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 수분 함량이 적어도 35wt% 이상이고 따라서 실질적으로 가요성/몰드 가능한 상태에 있는 동안 변형이 이루어질 수 있다. 그 결과, 상기 셀룰로오스 섬유는 파열 없이 구멍, 개구 또는 리세스의 형성 주위에서 벤딩되도록 충분한 운동성을 유지할 수 있다.
프로세스 블록(116)의 수정 후, 또는 결정 블록(114)에서 수정이 요구되지 않은 경우, 상기 방법(100)은 프로세스 블록(118)으로 진행할 수 있으며, 여기서 셀룰로오스-베이스 물질은 3-D 구성과 같은 원하는 구성을 갖도록 몰드된다. 상기 프로세스 블록(118)의 형성은 원하는 구성을 갖도록 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로스-베이스 물질을 벤딩, 폴딩, 밀기(pushing), 프레싱(pressing), 몰드(molding) (예를 들어, 몰드 사용) 또는 그렇지 않으면 비파괴적으로 형성(예를 들어, 물질의 제거 없음)하는 것을 포함할 수 있다. 상기 형성(shaping) 동안, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 수분 함량은 적어도 35wt% 이상이고 따라서 실질적으로 가요성/몰드 가능한 상태에 있다. 결과적으로, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질은 쉽게 몰드된 구성을 채택하고 손상 없이 원래의 형태가 없는 구성으로 돌아갈 수 있다.
상기 방법(100)은 결정 블록(120)으로 진행할 수 있으며, 여기서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질이 형성된 구성으로 설정되어야 하는지 또는 상기 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질이 대신 가요성/몰드 가능한 상태로 유지되어야 하는지가 결정된다. 상기 셀룰로오스-베이스 물질을 몰드 가능한 재료로 유지하는 것이 바람직하다면, 상기 방법(100)은 수분 함량이 35wt% 이상으로 유지되는 프로세스 블록(122)으로 진행할 수 있다.
반면에, 상기 셀룰로오스-베이스 물질을 형성된 구성으로 설정하는 것이 바람직하다면, 상기 방법(100)은 프로세스 블록(124)으로 진행할 수 있고, 셀룰로오스-베이스 물질은 수분 함량이 15wt% 이하로 감소되도록 형성된 형태를 유지하면서 완전히 건조된다. 상기 프로세스 블록(124)의 건조는 프로세스 블록(110)과 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 실시양태에서, 상기 건조는 예를 들어 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질을 동시에 몰드 및 건조하기 위해 고온 프레스를 사용함으로써 형성의 부산물일 수 있다. 이러한 실시양태에서, 상기 형성(shaping)은 완전히 건조되기 전에 셀룰로오스-베이스 물질을 추가로 조밀화하는데 효과적일 수 있으며, 이 조밀화는 상기 몰드된 물질의 기계적 특성을 추가로 개선할 수 있다. 완전히 건조되면, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질은 강성 및 플라스틱 변형 없이는 더 이상 형성 조작이 불가능하며, 이에 의해 몰드 구조를 형성한다.
일부 실시양태에서, 상기 방법(100)은 프로세스 블록(122) 또는 프로세스 블록(124)으로부터 프로세스 블록(126)으로 진행할 수 있으며, 여기서 선택적 외부 수정이 적용된다. 예를 들어, 상기 셀룰로오스-베이스 물질은 수분의 침입(ingress) 또는 수분의 유출(egress)을 방지하고 그에 따라 상기 물질의 원하는 몰드 가능(예를 들어, 가요성) 또는 몰드(예를 들어, 강성) 상태를 유지하도록 밀봉될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 밀봉은 셀룰로오스-베이스 물질을 밀봉된 또는 제어된 환경에 배치함으로써 이루어진다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 밀봉은 셀룰로오스-베이스 물질의 노출된 표면 위에 제공된 보호층 또는 코팅에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 상기 보호층 또는 코팅은 폴리우레탄 코팅, 페인트, 실란 소수성 코팅, 또는 셀룰로오스-베이스 물질로 또는 외부로의 수분 이동을 방지하거나 적어도 제한하는 데 효과적인 임의의 다른 코팅일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 외부 변형은 파괴적인 변형, 예를 들어 후속 사용을 위한 셀룰로오스-베이스 물질을 준비하기 위한 기계가공 또는 커팅을 포함할 수 있다.
상기 방법(100)은 프로세스 블록(128)으로 진행할 수 있고, 여기서 몰드 가능한 상태 또는 몰드된 상태의 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질이 특정 응용 분야에서 사용될 수 있거나 특정 응용 분야에서 사용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 몰드된 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질은 구조 물질로서 사용될 수 있으며, 예를 들어 비-식물 물질(예를 들어, 금속, 금속 합금, 플라스틱, 세라믹, 합성물 등)과 함께 조립되어 불균일한 복합 구조를 형성할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 몰드 가능한 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질은 가요성 기질 또는 구조물, 예를 들어 로봇 작동을 위한 스캐폴드 또는 전자공학을 위한 기질로서 사용될 수 있다.
방법(100)의 블록(102-128) 중 일부가 한 번 수행되는 것으로 설명되었지만, 일부 실시양태에서 특정 프로세스 블록의 다중 반복은 다음 결정 블록 또는 프로세스 블록으로 진행하기 전에 채용될 수 있다. 또한, 방법(100)의 블록(100-128)이 별도로 예시되고 설명되었지만, 일부 실시양태에서, 프로세스 블록이 결합되고 함께(동시에 또는 순차적으로) 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기에서 언급한 바와 같이, 프로세스 블록(124)의 건조 및 프로세스 블록(118)의 형성이 동시에 일어날 수 있다. 게다가, 도 1은 블록(102-128)에 대한 특정 순서를 예시하지만, 개시된 요지의 실시양태는 이에 제한되지 않는다. 실제로, 특정 실시양태에서, 상기 블록은 예시된 것과 상이한 순서로 또는 다른 블록과 동시에 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 프로세스 블록(116)의 변형은 프로세스 블록(118)의 형성 후에 일어날 수 있는 반면, 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질은 몰드 가능한 상태로 유지된다.
목재 구현(Wood implementations)
천연 나무는 도 2b-2c에서 경목의 예시적인 섹션(212)에 의해 도시된 바와 같이, 목재 성장 방향(210)으로 연장되는 섬유(216) (예를 들어, 길이에 수직인 평면에서 최대 단면 치수 또는 직경이 10-30μm 포함됨) 및 베셀(214) (예를 들어, 길이에 수직인 평면에서 최대 단면 치수 또는 직경이 40-80μm 포함됨)를 포함하는 세로 세포 의해 형성된 다수의 채널 또는 루미나를 갖는 독특한 3차원 다공성 구조를 갖는다. 천연 목재의 세포벽은 주로 셀룰로오스(40wt% ~ 50wt%), 헤미셀룰로오스(20wt% ~ 30wt%), 리그닌(20wt% ~ 35wt%)으로 구성되며, 세 가지 구성 요소가 서로 얽혀 강하고 단단한 벽 구조를 형성한다. 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스는 계층 구조를 나타낸다. 예를 들어, 도 2d에 도시된 바와 같이, 천연 목재 세포(218)는 루멘(216)을 둘러싸고 이에 실질적으로 평행하게 연장되는 복수의 셀룰로오스 섬유(220)를 갖는다. 상기 셀룰로오스 섬유(220)는 상대적으로 높은 표면적을 제공하는 집합된 3-차원 네트워크(예를 들어, 번들)의 형태로 구성되는 높은-종횡비 미세섬유(222) (high-aspect-ratio microfibrils)로 분리될 수 있다. 상기 셀룰로오스 미세섬유(222)는 12-36개의 선형 폴리머 분자 사슬(226)로 구성된 기본 나노섬유(224)로 더 세분화될 수 있다. 각 폴리머 분자 사슬(226)은 고차 결정 구조로 배열된 강한 공유 결합으로 연결된 수천 개의 반복 글루코오스 단위로 형성된다. 상기 폴리머 분자 사슬(226)은 인접한 분자 사슬의 작용기 사이의 분자내 수소 결합에 의해 기본 나노피브릴(224)을 형성하는 조밀하게 패킹된 배열로 함께 유지된다.
천연 목재 조각은 세로 방향 성장 방향(210)에 대해 임의의 방향으로 커팅될 수 있다. 상기 셀룰로오스 섬유(218)는 자연스럽게 성장 방향으로 정렬되기 때문에, 상기 커팅 방향은 최종 구조에서 세포 루미나의 방향을 결정하며, 이 방향은 최종 몰드 가능하거나 몰드된 목재 구조물의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 천연 나무 조각은 세로 또는 세로 방향(예를 들어, 세로 목재 성장 방향(210)에 평행)으로 나무(200)의 줄기(202)에서 절단되어 세로 셀의 루미나가 세로 절단 목재 조각(206)의 주요 면(예를 들어, 가장 큰 표면적)에 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 천연 목재 조각은 세로 세포의 루미나가 수평 커팅 목재 조각(204)의 주요 면에 실질적으로 수직으로 배향되도록 수평 또는 반경 방향(예를 들어, 세로 목재 성장 방향(210)에 수직)으로 절단될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 천연 목재 조각은 세로 세포의 루미나가 회전 커팅 목재 조각(208)의 주요 면에 실질적으로 평행하게 배향되도록 회전 방향(예를 들어, 세로 목재 성장 방향(210)에 수직 및 트렁크(202)의 원주 방향을 따라)으로 절단될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 천연 목재 조각은 세로, 방사상 및 회전 절단 사이의 임의의 다른 방향으로 커팅될 수 있다. 상기 커팅 방향 중 하나에 대해 천연 목재 조각의 두께는 주면에 수직인 방향으로 측정할 수 있으며 10mm 이하일 수 있다.
도 4a를 참조하면, 유체 충격 처리를 사용하여 몰드 가능한 목재 조각을 형성하는 다양한 단계가 도시되어 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 상기 천연 목재(402)는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 구성된 베셀(404) 및 섬유 세포(408)를 갖는다. 특히, 상기 목재(402)의 세로 성장 방향으로 연장되는 각각의 루멘(406) 및 루멘(410)을 형성하는 이들 세포의 벽은, 강하고 단단한 헤미셀룰로오스와 리그닌 접착제 매트릭스(414)에 의해 함께 결합된 셀룰로오스 피브릴(412)을 갖는 복합 구조(416)를 나타낸다. 폴드 가능한 구조를 얻기 위해, 초기 단계(400)로부터의 천연 목재(402)는 하나 이상의 화학적 처리를 통해 탈리그닌화 프로세스(418)를 거친다. 상기 화학 처리(들)에 의한 리그닌 제거 효율은 다른 요인들 중에서 목재 크기, 화학 처리 시간, 온도 및 화학 처리 조건(예를 들어, 진공 또는 압력 하에서) 및/또는 화학 시약 선택일 수 있다. 예를 들어, 상기 천연 목재(402)는 6시간 동안 NaOH 및 Na2SO3의 끓는 용액에 부분적으로 또는 완전히 침지시키고, 상기 목재의 리그닌 함량을 ~55%까지 감소시키고 헤미셀룰로오스 함량을 ~67%까지 감소시키기 위해 하나 이상의 헹굼 또는 세척 용액을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 천연 목재가 경목일 때, 스테이지(400)의 목재 조각(402)은 45.1wt% 셀룰로오스, 18.7wt% 헤미셀룰로오스 및 21.3wt% 리그닌의 조성을 가질 수 있다. 탈리그닌화(418) 후에, 스테이지(420)의 탈리그닌화된 목재 조각(422)은 40.1wt% 셀룰로오스, 6.1wt% 헤미셀룰로오스 및 9.5wt% 리그닌의 조성을 가질 수 있다.
소수성 리그닌 성분(미세섬유(412) 사이에 얽힌 나머지 리그닌(434) 포함)의 부분적인 제거는 친수성 셀룰로오스의 더 높은 분율을 특징으로 하는 세포벽(436)에 의한 물(438)의 흡수로 인해 목재 크기의 연화 및 온화한 팽창을 야기한다. 따라서 탈리그닌화된 목재(422)는 내강(426) 및 내강(430)에 대해 확대된 단면 크기를 나타내는 반면, 베셀(424) 및 섬유(428)의 벽은 리그닌 및 헤미셀룰로오스의 부분적 제거로 인해 얇아진다. 더욱이, 상기 부분적인 탈리그닌화는 세포벽 사이의 분리(432)를 초래하며, 이는 또한 상기 목재의 부피 팽창에 기여한다. 예를 들어, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 목재(422)의 수분 함량은 ~75wt%일 수 있고, 상기 탈리그닌화된 목재(422)의 부피는 원래 천연 목재(402)의 부피보다 14-20% 더 클 수 있다.
탈리그닌화(418) 후, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 목재(422)는 그 안의 수분 함량이 15wt%(예를 들어, 8-12wt%) 미만이 될 때까지 건조(439)될 수 있다. 스테이지(440)에서 생성된 건조 목재(442)는 예를 들어, 세포벽으로부터의 수분 증발로 인해 수축된 형상을 가질 수 있다. 상기 미세 구조의 관점에서, 건조 후 베셀(446)은 루미나(444)가 목재의 횡방향(T)을 따라 약 1.5 ㎛이고, 상기 목재의 방사(R) 방향을 따라 약 13.6 ㎛가 되도록 수축될 수 있다. 한편, 상기 건조 목재(442)의 더 작은 크기의 섬유(448)는 T 방향을 따른 치수가 거의 0㎛이고 R 방향을 따른 치수가 9.6㎛인 경우 실질적으로 붕괴될 수 있다. 그 결과, 상기 건조 목재의 미세구조는 T 및 R 방향으로 큰 변형공간을 나타내며, 예를 들어, 건조된 목재(442)의 부피가 스테이지(420)의 습윤 부분적으로-탈리그닌화된 목재(422)의 부피보다 59-63% 작도록 나타낸다. 한편, 상기 세포벽(456) 내에서, 인접한 미세섬유(412)는 수분 증발의 모세관 효과에 의해 함께 당겨지고, 상기 미세섬유(412)의 셀룰로오스 사이에 수소 결합(450)이 형성될 수 있다.
상기 건조(439) 후에, 건조된 목재(442)는 내부의 수분 함량이 35wt%(예를 들어, ≥ 50wt%)를 초과할 때까지 유체 충격 처리(458)를 사용하여 재-수화될 수 있다. 스테이지(460)에서 생성된 몰드 가능한 목재(462)는 물의 재흡수로 인해 팽창할 수 있다. 예를 들어, 상기 몰드 가능한 목재(462)의 부피는 건조된 목재(442)에 비해 67.6% 증가할 수 있다. 몰드 가능한 목재(462)의 부피는 여전히 원래의 천연 목재(402)보다 작을 수 있다. 미세 구조의 관점에서, 상기 유체 충격 처리는 원래의 베셀(404)과 비교하여 주름지고 더 유연한 구성이기는 하지만 더 큰 크기의 베셀(466)의 루미나(464)가 팽창하고 적어도 부분적으로 열리도록 한다. 상기 유체 충격 치료(458) 동안, 상기 베셀(466)의 재-개방은 빠르게(예를 들어, 3초와 같은 초 단위로) 발생할 수 있는 반면, 더 작은 섬유(468)의 형태는 처리 시간 동안(예를 들어, 3분과 같은 분 정도) 상대적으로 변경되지 않은 채로 유지된다. 한편, 더 작은 섬유(468)는 재-수화에도 불구하고 실질적으로 닫힌 상태를 유지한다. 이러한 세포벽 미세구조의 선택적 개방은 두 가지 동시 효과를 제공할 수 있다: (1) 상기 부분적으로 열린 베셀은 "아코디언-유사(accordion-like)" 방식으로 압축 및 인장 변형을 모두 수용할 수 있는 몰드 가능한 목재(462) 내에 공간을 생성하는 동시에 재료가 폴딩되는 동안(예를 들어, 골절 없이 최대 180°까지) 심한 압축 및 인장을 겪을 수 있도록 한다; 및 (2) 상기 조밀하게-패킹된 실질적으로-폐쇄된 섬유(468)는 강화된 강도를 위한 기계적 지지를 제공할 수 있다. 상기 세포벽(476) 내에서, 물(470)의 재도입은 건조 상태에서 셀룰로오스 마이크로피브릴(412)을 상호 연결하는 수소 결합(450)을 파괴할 수 있고, 이에 의해 마이크로피브릴이 서로에 대해 더 쉽게 이동할 수 있게 한다.
상기 수분 함량은 몰드 가능한 목재(462)의 모듈러스와 변형률에 큰 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 수분 함량이 100%인 경우, 상기 몰드 가능한 목재(462)는 수분 함량이 10wt%에 불과한 건조 목재(442)에 비해 T 방향을 따라 92배의 모듈러스 감소 및 8.8배의 변형률 증가를 나타낼 수 있다. 따라서 달리그닌화된 목재는 수분 함량을 변경하는 것만으로 실질적으로 단단한 상태와 유연/몰드 가능한 상태 사이에서 변할 수 있다. 더 높은 수분 함량(예를 들어, 25-35wt% 초과)에서 모듈러스의 변형은 우수한 접힘성(foldability)을 유도한다.
접힘성은 수분 함량에만 의존하지 않는다. 오히려, 몰드 가능한 목재(462)의 접힘성은 건조에 의해 도입된 공간 수축과 재-수화에 의해 도입된 유체 윤활로 인한 협력 효과이다. 따라서, 충분한 수분 함량을 갖지만 미세구조의 수축/구겨짐(crumpling)이 없는 습윤 천연 목재(402)의 경우, 상기 목재(402)는 부서지지 않고 벤딩될 수 없다. 유사하게, 상기 미세구조의 수축/구겨짐을 갖지만 수분 함량이 불충분한 건조된 목재(442)의 경우, 상기 목재(442)는 부서지지 않고 벤딩될 수 없다. 그러나, 상기 몰드 가능한 목재(462)는 미세구조의 수축/구겨짐과 충분한 수분 함량을 결합하여 상기 목재(462)가 파손 없이 쉽게 접힐 수 있도록 한다.
일부 실시양태에서, 도 4a의 건조 및 유체 충격 처리를 부분 건조로 대체함으로써 유사한 효과가 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 4b는 유체 충격 처리 대신 부분 건조를 사용하여 몰드 가능한 목재 조각을 형성하는 다양한 단계를 예시한다. 상기 천연 목재(402)의 탈리그닌화(418)는 도 4a와 관련하여 상기에서 설명된 것과 유사한 방식으로 발생할 수 있다. 그러나, 단계(420) 후에 부분적으로-탈리그닌화된 목재(422)를 완전히 건조시키는 대신, 상기 목재(422)는 내부의 수분 함량이 감소되지만 여전히 35wt%(예를 들어, ~50wt%) 이상일 때까지 부분 건조(478)를 거친다. 결과적으로 단계(480)에서 부분적으로-탈리그닌화된 목재(482)는 유사한 미세구조를 획득하고, 여기서 베셀(484)의 루미나(486)는 주름진 세포벽으로 적어도 부분적으로 열려 있고 더 작은 섬유(488)는 실질적으로 붕괴되거나 적어도 좁아진다. 게다가, 세포벽(496) 내에 보유된 물(438)은 유연성에 필요한 윤활을 제공하도록 작용할 수 있다. 따라서, 상기 부분적으로-건조된 목재(482)도 우수한 접힘성을 나타내며 몰드 가능한 목재로 간주될 수 있다.
이러한 세포벽 엔지니어링 기술의 결과로 만들어진 몰드 가능한 목재(462 또는 482)는 기계적 벤딩, 폴딩 및 비틀림(twisting)에 의해 다양한 모양으로 가공될 수 있다. 원하는 구성이 달성되면, 상기 몰드 가능한 목재(462 또는 482)가 건조되어 모양이 설정되거나 고정되어 실질적으로 단단한 최종 몰드 목재 구조를 형성할 수 있다(예를 들어, 플라스틱 변형 또는 파손 없이는 더 이상 조작할 수 없음). 상기 몰드 가능한 목재(462, 482)의 뛰어난 접힘성과 건조 후 몰드된 목재의 탁월한 안정성은 예를 들어 독립적인 구조 물질 또는 복합 구조 물질의 일부로 복잡한 3-D 모양을 설계 및 제작할 수 있는 가능성을 제공한다.
대나무 구현(Bamboo implementations)
위의 논의가 목재에 초점을 맞추었지만, 다른 크기의 루미나를 형성하는 세로 세포를 갖는 다른 섬유질 식물 재료도 동일한 효과를 얻기 위해 처리될 수 있다. 예를 들어, 대나무는 몰드될 수 있는 부분적으로-탈리그닌화된 대나무를 생성하기 위해 목재에 대해 상기에서 설명한 것과 유사한 방식으로 처리될 수 있다.
도 3a는 자연적으로-발생하는 상태의 대나무 세그먼트(300)의 부분 절개도를 도시한다. 상기 세그먼트(300)는 중공 내부 영역(316)을 둘러싸는 기둥 벽(302)을 가지며, 이는 줄기 벽(culm wall)(302)의 길이를 따라 내부 노드 다이어프램(internal nodal diaphragm) (310)에 의해 형성된 노드(308)에 의해 내부 노드 영역(312)으로 분할된다. 상기 줄기 벽(302)은 리그닌 매트릭스에 포매된 길이 방향(328) (예를 들어, 대나무 성장 방향 또는 대나무 세그먼트(300)의 중공 내부 영역(316)에 의해 정의된 축에 실질적으로 평행한 방향)을 따라 연장되는 섬유를 갖는다. 하나 이상의 가지 스터브(branch stubs) (314)는 특정 내부 노드 영역(312)으로부터 연장될 수 있고 새로운 대나무 세그먼트에 대한 줄기 벽이 성장할 수 있는 뿌리로서 기능할 수 있다(예를 들어, 따라서 새 세그먼트에 대해 다른 길이 방향을 정의).
줄기 벽(302) 내에서, 상기 대나무는 영양 수송을 제공하는 다공성 세포 및 기계적 지지를 제공하는 조밀한 세포를 갖는 계층적 세포 구조를 나타낸다. 예를 들어, 도 3b 내지 도 3d는 특히 줄기 벽(302)을 구성하는 실질 세포(322), 베셀(324), 및 섬유 다발(326)의 미세구조를 예시하는 대나무 세그먼트(300)의 단면의 이미지를 도시한다. 상기 섬유 다발(326)은 고도로 정렬되고 세로 방향(328)에 실질적으로 평행하게 연장되는 반면, 유조직 세포(322)는 세로 방향(328)에 평행하거나 수직일 수 있다. 각각의 베셀(324)은 세로 방향(328)을 따라 연장되는 개방 루멘을 정의한다. 또한, 상기 섬유 다발(326)을 형성하는 기본 섬유도 그 중심에 불규칙한 작은 루미나를 가질 수 있다. 상기 섬유 다발(326), 유조직 세포(322) 및 베셀(324)은 리그닌 및 헤미셀룰로오스로 구성된 저강도 폴리머 매트릭스를 통해 서로 접착된다.
상기 목재의 실시예와 유사하게, 상기 대나무(300)의 부분적인 탈리그닌화는 각각의 세포벽에 의한 물의 흡수로 인해 대나무 크기의 연화 및 약한 팽창으로 이어질 수 있다. 따라서 세포의 해당 루미나가 확대될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 대나무는 베셀의 루미나 및 기본 섬유가 수축하도록 완전히 건조(예를 들어, 수분 함량 ≤ 15wt%)될 수 있고, 그 후 섬유 루미나는 실질적으로 폐쇄되거나 적어도 좁아진 상태로 유지되는 동안 베셀 루미나를 선택적으로 개방하기 위해 유체 충격 기술을 통해 대나무를 재-수화(예를 들어, 수분 함량 ≥ 35wt%)하여 몰드 가능한 대나무를 생성할 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 대나무는 부분적으로 건조되어(예를 들어, 수분 함량 ≥ 35 wt%) 몰드 가능한 대나무를 생성할 수 있다.
형성 실시예(Shaping Examples)
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 몰드 가능한 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질(502)은 원하는 3-D 구성을 달성하기 위해 폴딩될 수 있고, 그 후 몰드 가능한 물질은 건조되어 구성을 설정함으로써 강성 몰드된 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 셀룰로오스-베이스 물질(502)의 미세구조는 각각 천연 식물의 세로 성장 방향(504)을 따라 연장되는 개방 베셀(506) 및 실질적으로-붕괴된 섬유 세포(508)를 포함할 수 있다. 상기 셀룰로오스-베이스 물질(502)은 세로 성장 방향(504)에 수직인 방향으로 10mm 이하의 두께(t)를 가질 수 있다. 상기 몰드 가능한 물질(502)은 두께 방향에 수직인 평면에서 임의의 방향에 대해 폴딩 또는 벤딩될 수 있다. 상기 몰드 가능한 물질(502)은 180°에 걸쳐 있는 각도(520)를 통해 폴딩 또는 벤딩될 수 있다. 예를 들어, 몰드 가능한 물질(502)의 제1 부분(524) 및 제2 부분(526)이 주름선(522)에 대해 서로에 대해 벤딩 또는 폴딩될 때, 상기 물질(502)은 도 5c에 도시된 바와 같이, 내각(528) (예를 들어, 상기 물질(502)의 제1 부분과 제2 부분(524, 526) 사이) 및 외각(530) (예를 들어, 벤딩 또는 폴딩된 부분의 원래 위치와 벤딩 또는 폴딩된 부분의 최종 위치 사이에 형성된 내각(528)에 대한 보조 각도)을 형성할 수 있다. 상기 내부 각도(528)는 0°(예를 들어, 제1 및 제2 부품(524, 526)이 접촉하고 있음) 내지 180°의 어느 곳에서나 있을 수 있다.
도 5b 내지 도 5c는 세로 성장 방향(504)에 수직인 주름 선을 중심으로 폴딩되는 것을 도시하지만, 개시된 요지의 실시양태는 이에 제한되지 않는다. 오히려, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 물질(502)은 세로 성장 방향(504)에 수직인 방향(512), 세로 성장 방향(504)에 평행한 방향(516), 세로 성장 방향(504)에 대해 45°각도의 방향(514 또는 518), 또는 512-518 사이의 임의의 방향과 같은 임의의 방향으로 폴딩 또는 벤딩될 수 있다. 게다가, 상기 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질이 충분한 수분 함량(예를 들어, ≥ 35wt%)을 유지하는 한, 파손이나 변형 없이(예를 들어, 피로-없는 작동)여러 번 접었다 펼 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질은 3-D 구조를 만들기 위해 오리가미 또는 키리가미와 유사한 방식으로 1회 이상 폴딩될 수 있다.
예를 들어, 도 6a 내지 도 6l은 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질과 함께 사용될 수 있고, 반 폴드 패턴 (half fold pattern) (602), 3중 폴드 패턴 (tri-fold pattern) (604), 1/4 폴드 패턴(quarter fold pattern) (606), 평행 폴드 패턴 (parallel fold pattern) (608), 롤 폴드 패턴 (roll fold pattern) (610), 게이트 폴드 패턴 (gate fold pattern) (612), 이중 게이트 폴드 패턴 (double gate fold pattern) (614), z-폴드 패턴(z-fold pattern) (616), 아코디언 폴드 패턴 (accordion fold pattern) (618), 슈타우헤 폴드 패턴 (stauche fold pattern) (620), 터키식 폴드 패턴 (Turkish fold pattern) (622), 및 미우라 폴드 패턴 (miura fold pattern) (624)을 포함하는 다양한 폴드 패턴을 보여줄 수 있다. 예시된 것 이외의 다른 폴드 패턴도 가능하다. 게다가, 기본 폴드 패턴을 결합하여 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질에 대한 보다 복잡한 구조를 형성할 수 있다.
대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질은 벤딩되어(예를 들어, 곡률 반경을 가짐) 3-D 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 7a는 불연속 주름 또는 폴드 선 대신에 아치형 또는 곡선 부분(702)을 형성하도록 벤딩된 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질(700)을 예시한다. 도 7b는 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질이 막대 주위에 감겨지고 건조되어, 중심축(706) 주위에 코르크나사 또는 나선 구성으로 몰드된 셀룰로오스-베이스 물질(704)을 형성하는 다른 실시예를 도시한다. 다른 실시예에서, 다층 실린더(multi-layer cylinder)는 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질을 롤 형성한 다음 건조함으로써 제조될 수 있다. 벤드 및 폴드의 조합으로 더 복잡한 다른 모양을 만들 수 있다. 벤드되거나, 폴드되거나, 꼬이거나, 몰드되거나, 형성되거나, 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질은 원하는 구성으로 물질을 건조하여 단단한 몰드 구조로 변환할 수 있다.
구조 물질의 실시예(Structural material examples)
일부 실시양태에서, 상기 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질은 폴딩되거나, 벤딩되거나, 그렇지 않으면 적절한 3-D 구성으로 형상화될 수 있고, 그 후 구성을 설정하기 위해 건조될 수 있다. 이러한 3-D 몰드 셀룰로오스-베이스 물질은 구조 물질 또는 복합 구조 물질의 구성 요소 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 도 8은 구조적 물질 또는 이의 구성요소로서의 셀룰로오스-베이스 물질에 대한 예시적인 반복적인 물결 모양의 구성을 도시한다. 상기 물결 모양 또는 주름진 구조 물질(800)은 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질의 단일 모놀리식 조각으로 형성될 수 있다. 상기 몰드 가능한 물질을 도시된 구성으로 폴딩한 후, 상기 물질의 강성을 증가시켜 몰드 가능한 물질을 건조시켜 형상을 설정할 수 있다.
상기 물결 모양의 구조 물질(800)은 골 영역(814)을 사이에 두고 상단-측면 피크 영역(810)의 반복 패턴으로 형성된다. 2개의 피크 영역(810)과 단일 골 영역(814)만이 도 8에 도시되어 있지만, 실시양태는 각각에 대해 수십, 수백, 수천 또는 그 이상의 영역(810, 814)의 순서로 임의의 수의 피크 및 골 영역을 포함할 수 있다. 각각의 피크 영역(810)은 상승 부재 (inclined member) (804)와 하강 부재(declined member) (808) 사이에 위치하는 실질적으로 평평하거나 평면일 수 있는 상단 부재(806)에 의해 정의된다. 각각의 골 영역(814)은 하강 부재(808)와 상승 부재(804) 사이에 위치하는 실질적으로 평평하거나 평면일 수 있는 하부 부재(802)에 의해 정의된다. 상기 골 영역(814)은 상승 부재(804) 및 하강 부재(808)를 인접한 피크 영역(810)과 공유하는 것으로 간주될 수 있다. 상기 상부 부재(806) 및 하부 부재(802)가 실질적으로 평평하거나 평면인 것으로 도시되었지만, 상이한 부재(802-808) 사이의 명확한 묘사와 함께, 실제 실시양태는 상이한 부재 또는 비-평면 구성 사이에 둥글거나 혼합된 전이를 가질 수 있다. 상기 물질(800)은 상기 물질의 한 측면 상의 피크 영역(810)의 형성이 상기 물질의 반대쪽 측면에 대응하는 골 영역을 형성하도록 구성될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.
도 8에 예시된 물결 모양 패턴은 상승 부재(804)와 인접한 하부 부재(802) 및 상부 부재(806)의 접합부를 형성하는 적절한 주름선에서 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질을 폴딩 또는 벤딩으로 형성될 수 있고, 그것은 인접한 하부 부재(802) 및 상부 부재(806)와 하강 부재(808)의 접합부를 형성한다. 일부 실시양태에서, 이러한 접합부를 형성하는 주름선은 천연 식물의 세로 성장 방향에 평행하게 연장될 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 생성된 몰드 재료는 주름선에 평행한 방향, 예를 들어 부재(802-808)의 노출된 엣지(edge)에 직접 또는 간접적으로 가해지는 하중을 지지하도록 배열될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 이러한 접합부를 형성하는 주름선은 천연 식물의 세로 성장 방향에 수직으로 연장될 수 있다. 이러한 구성에서, 상기 생성된 몰드 재료는 주름 선에 수직인 방향, 예를 들어 하부 부재(802) 및/또는 상부 부재(806)에 직접 또는 간접적으로 가해지는 방향으로 하중을 지지하도록 배열될 수 있다.
도 8의 물결 모양 패턴을 갖는 몰드된 셀룰로오스-베이스 물질을 형성하기 위해, 프레싱 몰드를 사용하는 배치 제조 설정(batch fabrication setup)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 배치 작업을 사용하는 예시적인 제조 설정을 도시한다. 예를 들어, 몰드 가능한 셀룰로오스 물질(904)은 원하는 물결 모양 패턴을 갖는 몰드의 상부 플래튼(902a)과 하부 플래튼(902b) 사이의 배치 설정(900)(예를 들어, 유압 프레스)에 배치될 수 있다. 프레싱 단계(910)에서, 상기 상부 및 하부 플래튼이 함께 모여 몰드 가능한 셀룰로오스-베이스 물질(904)을 그 사이에서 가압할 수 있고, 그에 따라 상기 물질(904)을 대응하는 주름선을 갖는 원하는 물결 모양 패턴으로 폴딩 또는 벤딩시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 프레싱 스테이지(910)는 예를 들어 하나 또는 두 개의 플래튼(902a, 902b)의 가열에 의해 프레싱되는 동안 상기 물질(904)의 가열을 포함할 수 있으며, 이 가열은 몰드 내에서 물질(904)을 건조시키는 데 효과적일 수 있다. 상기 방출 단계(920)에서, 생성된 셀룰로오스-베이스 물질(906)은 원하는 기복 구성으로 실질적으로 강성일 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 프레싱 단계(910)는 가열 없이 수행될 수 있지만, 플래튼(902a, 902b) 사이의 몰드 가능한 물질(904)이 강성 성형된 구조로 변환하기에 충분한 수분을 몰아내기에 충분한 압력 및/또는 지속 시간으로 수행될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 프레싱 스테이지(910)는 가열 없이 수행될 수 있고, 방출 단계(920)에서 플래튼(902a, 902b)으로부터 방출된 물질은 후속적으로 건조될 수 있을 때까지 몰드 가능한 상태로 유지될 수 있다. 도 9에 도시된 설정은 상기 셀룰로오스-베이스 물질의 밑에 있는 세로 성장 방향에 대해 임의의 배향에서 폴드 선을 갖는 물결 모양 패턴을 형성하는 데 사용될 수 있다.
대안적으로, 도 8의 물결 모양 패턴을 형성하기 위해, 롤 프로세스를 사용하는 연속 제조 설정이 사용될 수 있다. 예를 들어, 대형 목재 시트는 회전 커팅에 의해 얻은 후, 부분 탈리그닌화를 위한 화학 처리를 위한 제1 스테이션, 건조를 위한 제2 스테이션, 유체-충격 처리를 위한 제3 스테이션 및 몰딩을 위한 제4 스테이션을 통해 연속 가공을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 10a는 연속 작동을 사용하는 예시적인 제조 설정(1000)을 도시한다. 천연 목재(1002)는 통나무 또는 원통형 막대의 형태일 수 있으며, 루미나는 페이지에 수직인 방향으로 연장된다. 상기 천연 목재(1002)는, 예를 들어 후속 프로세싱을 위해 천연 목재의 얇은 연속 층(1006)을 분리하기 위해 회전 선반(rotary lathe)(1004)에 의해 연속적으로 절단될 수 있다. 상기 천연 목재 층(1006)은 제조 프로세스의 다음 단계, 예를 들어 방법(100)의 프로세스 블록(104)과 관련하여 상기에서 설명된 바와 같이, 상기 목재에서 리그닌을 부분적으로 제거하기 위해 화학 용액(1010) 내에 목재(1006)를 침지하기 위해 스테이션(1008)으로 운반될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 스테이션(1008)의 크기 및 상기 스테이션(1008)을 통한 목재 층(1006)의 이송 속도는 화학 처리를 위한 원하는 침지 시간에 대응할 수 있다. 따라서, 상기 층(1006)의 일부가 하우징 스테이션(1008)에 들어갈 때부터 스테이션(1012)을 건조하기 위해 떠날 때까지의 시간은 원하는 리그닌 제거량을 위한 침지 시간에 해당할 것이다.
탈리그닌화 스테이션(1008) 후, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 목재는 건조 스테이션(1012)으로 이송될 수 있으며, 이는 방법(100)의 공정 블록(110)과 관련하여 상기에서 설명한 바와 같이 목재의 수분 함량을 15wt% 이하로 감소시키기 위해 임의의 유형의 대류, 전도성 또는 복사 가열을 적용할 수 있다. 예를 들어, 건조 스테이션(1012)은 약 2분 동안 ~80℃의 온도로 가열된 공기를 사용하여 강제 공기 건조를 사용할 수 있다. 건조 스테이션(1012) 후에, 상기 건조된 목재는 유체 충격 스테이션(1014)으로 이송될 수 있으며, 여기서 상기 목재는 예를 들어 방법(100)의 프로세스 블록(112)과 관련하여 상기에서 설명된 바와 같이 유체(1016) (예를 들어, 물, 알코올 또는 이들의 조합)내에 침지된다. 특히, 상기 유체 충격 스테이션(1014)은 적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 갖도록 통과하는 목재를 재-수화하여 스테이션(1014)을 빠져나가는 몰드 가능한 목재(1018)를 생성할 수 있다.
유체 충격 스테이션(1014) 후에, 상기 몰드 가능한 목재(1018)는 성형 스테이션(1020)으로 안내될 수 있고, 여기서 패턴화된 롤러(1022, 1024)는 1026에 도시된 바와 같이, 몰드 가능한 목재(1018)에 원하는 물결 모양 패턴을 나타내기 위해 상보적-형상이다. 그러나, 도 10a에 도시된 설정은 상기 목재의 하부 세로 성장 방향에 평행하게 연장되는 폴드 선을 형성하는 데에만 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 상부 롤러(1022) 및 하부 롤러(1024)는 몰드 가능한 목재(1018)의 두께보다 작은 서로로부터 고정된 거리로 유지되고, 따라서 상기 패턴을 형성할 때 목재를 더욱 조밀화하는 압력을 가한다. 일부 실시양태에서, 상기 몰딩 동안, 하나 또는 둘 모두의 롤러(1022, 1024)는 몰딩 동안 실온 이상으로 목재(1018)의 온도를 상승시키도록 가열될 수 있고, 예를 들어, 유연한 몰드 가능 상태에서 단단한 성형 상태로 목재를 전환한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 롤러(1022, 1024)는 가열되지 않을 수 있지만, 별도의 가열 메커니즘이 제공될 수 있거나, 몰딩 스테이션(1020) 동안 또는 그 이후에 몰드 가능한 목재(1018)를 건조하기 위해 성형 스테이션(1020)을 포함하거나 따르는 환경이 가열될 수 있다.
도 10b는 도 8의 물결 모양 패턴을 갖는 몰딩된 목재를 형성하기 위해 연속 작업을 사용하는 또 다른 예시적인 제작 설정(1050)을 도시한다. 천연 목재(1052)는 방향(1054)을 따라 연장되는 루미나가 있는 통나무 또는 원통형 바의 형태일 수 있다. 상기 천연 목재(1052)는 예를 들어 후속 처리를 위해 천연 목재의 얇은 연속적인 베니어(1058)를 분리하기 위해 회전 선반(1056)에 의해 연속적으로 커팅될 수 있다. 상기 베니어(1058)는 탈리그닌화 스테이션(1060)으로 운반될 수 있으며, 상기 베니어(1058)는 예를 들어, 방법(100)의 프로세스 블록(104)과 관련하여 상기에서 설명된 바와 같이 화학 용액에 침지되어, 상기 목재로부터 리그닌을 부분적으로 제거한다 일부 실시양태에서, 상기 스테이션(1060)의 크기와 베니어(1058)의 이송 속도는 화학 처리를 위한 원하는 침지 시간에 해당할 수 있다. 탈리그닌화 스테이션(1060) 후, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 베니어(1062)는 부분 건조 스테이션(1064)으로 이송될 수 있고, 예를 들어, 방법(100)의 프로세스 블록(108)과 관련하여 상기에서 설명된 바와 같이. 상기 목재의 수분 함량을 35wt% 이상으로 감소시키기 위해 임의의 유형의 대류, 전도성 또는 복사 가열을 적용할 수 있다. 예를 들어, 건조 스테이션(1064)은 약 2분 동안 ~80℃의 온도로 가열된 공기를 사용하여 강제 공기 건조를 사용할 수 있다.
건조 스테이션(1064) 후에, 상기 생성된 몰드 가능한 목재는 성형 스테이션(1066)으로 안내될 수 있고, 여기서 패턴화된 롤러(1068, 1070)는 1072에 도시된 바와 같이 몰드 가능한 목재에 원하는 물결 모양 패턴을 나타내기 위해 보완적인 모양이다. 그러나, 도 10b에 도시된 설정은 목재의 아래의 세로 성장 방향(1054)에 평행하게 연장되는 폴드 선을 형성하는 데에만 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 상부 롤러(1068) 및 하부 롤러(1070)는 몰드 가능한 목재의 두께보다 작은 서로로부터 고정된 거리로 유지되고, 따라서 상기 패턴을 형성할 때 목재를 더욱 조밀화하는 압력을 가한다. 일부 실시양태에서, 상기 몰딩 동안, 몰딩 동안 목재의 온도를 실온 이상으로 상승시키도록 하나 또는 둘 모두의 롤러(1068, 1070)가 가열될 수 있고, 예를 들어, 상기 유연한 몰드 가능 상태에서 단단한 성형 상태로 목재를 전환한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 롤러(1068, 1070)는 가열되지 않을 수 있지만, 별도의 가열 메커니즘이 제공될 수 있거나, 몰딩 스테이션(1020) 동안 또는 그 이후에 몰딩 가능한 목재(1018)를 건조시키기 위해 몰딩 스테이션(1020)을 포함하거나 이에 따르는 환경이 가열될 수 있다.
도 9 내지 도 10b 중 어느 하나의 제조 설정은 또한 도 8의 물결 모양 패턴 이외의 형상 구성을 갖는 제조된 성형 셀룰로오스-베이스 물질에 적용될 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 상기 예시된 물결 모양 패턴은 구조 물질을 형성하는 데 특히 유용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 물결 모양의 구성을 갖는 다중 성형된 셀룰로오스-베이스 물질은 하나 이상의 지지 플레이트와 함께 조립되어 규칙적으로 배열된 다층 구조, 대칭적으로 배열된 다층 구조, 벌집형 복합 구조, 또는 임의의 다른 지지 구조를 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 11a는 몰딩된 셀룰로오스-베이스 물질, 예를 들어 제1 몰딩된 조각(1102) 및 제2 몰딩된 조각(1104)의 규칙적인 배열을 사용하는 다층 구조(1100)를 도시한다. 제1 몰딩된 조각(1102)은 상부 지지 플레이트(1106)와 중간 지지 플레이트(1108) 사이에 배치되고 선택적으로 결합(예를 들어, 에폭시, 접착제 또는 기타 접착제 사용)될 수 있으며, 제2 몰딩된 조각(1104)은 하부 지지 플레이트(1110)와 지지 플레이트(1108) 사이에 배치되고 선택적으로 결합(예를 들어, 에폭시, 접착제 또는 기타 접착제 사용)될 수 있다. 예를 들어, 각각의 지지 플레이트(1106-1110)는 1mm의 두께를 갖는 금속 시트(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금)일 수 있고, 각각의 몰딩된 조각(1102, 1104)은 2mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 규칙적인 배열에서, 몰딩된 조각(1102, 1104)의 물결 모양 패턴은 예를 들어, 제1 조각(1102)의 각 골(1112)이 제2 조각(1104)의 대응하는 골(1116)과 정렬되고, 제1 조각(1102)의 각 피크(1114)는 제2 조각(1104)의 대응하는 피크(1118)와 정렬되는 경우, 두께 방향(1120)에 대해 정렬될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 몰딩된 조각(1102, 1104)의 셀룰로오스-베이스 물질은 세로 성장 방향이 물결 모양 패턴의 폴드에 평행하도록(예를 들어, 페이지 평면에 수직) 배열된다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 몰딩된 조각(1102, 1104)의 셀룰로오스-베이스 물질은 세로 성장 방향이 물결 모양 패턴의 접힘에 수직(예를 들어, 페이지의 평면에 평행)하도록 배열된다.
도 11b는 몰딩된 셀룰로오스-베이스 물질, 예를 들어 제1 몰딩된 조각(1132) 및 제2 몰딩된 조각(1134)의 반사 대칭 배열을 사용하는 다른 다층 구조(1130)를 도시한다. 제1 몰딩된 조각(1132)은 상부 지지 플레이트(1106)와 중간 지지 플레이트(1108) 사이에 배치되고 선택적으로 결합(예를 들어, 에폭시, 접착제 또는 다른 접착제를 사용하여)될 수 있고, 제2 몰딩된 조각(1134)은 하부 지지 플레이트(1110)와 중간 지지 플레이트(1108) 사이에 배치되고 선택적으로 결합(예를 들어, 에폭시, 접착제 또는 기타 접착제를 사용하여)될 수 있다. 예를 들어, 각각의 지지 플레이트(1106-1110)는 1mm의 두께를 갖는 금속 시트(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금)일 수 있고, 각각의 몰딩된 조각(1132, 1134)은 2mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 반사 대칭 배열에서, 상기 몰딩된 조각(1132, 1134)의 물결 모양 패턴은 중간 지지 플레이트(1108)에 대해 서로에 대한 거울상일 수 있고, 예를 들어, 여기서 제1 조각(1132)의 각각의 골(1142)이 제2 조각(1134)의 대응하는 피크(1146)와 정렬되고, 제1 조각(1132)의 각 피크(1144)는 제2 조각(1134)의 대응하는 골(1148)과 정렬된다. 일부 실시양태에서, 상기 몰딩된 조각(1132, 1134)의 셀룰로오스-베이스 물질은 세로 성장 방향이 물결 모양 패턴의 폴드에 평행하도록(예를 들어, 페이지의 평면에 수직으로) 배열된다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 몰딩된 조각(1132, 1134)의 셀룰로오스-베이스 물질은 세로 성장 방향이 물결 모양 패턴의 폴드에 수직이 되도록(예를 들어, 페이지의 평면에 평행하도록) 배열된다.
도 11a 내지 도 11b에서, 상기 지지 플레이트는 셀룰로오스-베이스 물질의 각 피크 영역의 상부 부재 및 각 골 영역의 하부 부재의 평면에 평행하게(예를 들어, 페이지의 평면에 수직으로) 배열된다. 그러나, 일부 실시양태에서, 상기 지지 플레이트는 대신에 셀룰로오스-베이스 물질의 각 피크 영역의 상부 부재 및 각 골 영역의 하부 부재의 평면에 수직으로(예를 들어, 페이지의 평면에 평행하게) 배열될 수 있다. 더욱이, 도 11a 내지 도 11b에서, 지지 플레이트는 두께 방향을 따라 인접한 몰딩된 셀룰로오스-베이스 조각 사이에 배치된다. 그러나, 일부 실시양태에서, 인접한 몰딩된 셀룰로오스-베이스 물질는 개재 플레이트 또는 부재 없이 서로 직접 결합될 수 있다.
예를 들어, 도 12a 내지 도 12d는 인접한 몰딩된 셀룰로오스-베이스물질이 서로 직접 결합되어 벌집형(예를 들어, 육각형 패턴) 코어(1210)를 형성하고, 여기서 지지 플레이트(1232, 1234)는 셀룰로오스-베이스 물질(1200)의 각 피크 영역(1214)의 상부 부재 및 각 골 영역(1212)의 하부 부재의 평면에 수직으로 배열된다. 예를 들어, 각각의 몰딩된 셀룰로스-베이스 물질(1200)은 도 10b의 연속 설정을 사용하여 구성될 수 있다. 연속 설정에 의해 생성된 몰딩된 물질의 크기가 구조적 복합재에 대한 원하는 두께보다 클 수 있기 때문에, 상기 몰딩된 물질(1200)은 하나 이상의 커트 평면(1202, 1204)에서 별도의 조각으로 커팅될 수 있다. 도 10b의 연속 설정을 사용하여, 세로 성장 방향(및 물질의 세로 세포의 연장 방향)은 예를 들어 도 12a의 방향(1206)을 따라 주름선과 평행할 것이다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 상기 셀룰로오스-베이스 물질은 예를 들어 도 9의 배치 프로세싱 설정을 사용하여 예를 들어 도 12a의 방향(1208)을 따라 주름선에 수직인 세로 성장 방향으로 제조될 수 있다.
복합 구조체(1230)를 위한 벌집형 코어(1210)는 도 12b에 도시된 바와 같이 반사 대칭 배열로 서로 인접한 다수의 몰딩된 셀룰로오스-베이스 물질(1200)을 배치함으로써 형성될 수 있다. 골(1212) 및 피크(1214)의 대향 표면(1222, 1224) 상의 에폭시 접착제는 인접한 재료(1200)를 함께 결합할 수 있다. 일단 상기 벌집형 코어(1210)가 조립되면, 도 12c 내지 도 12d에 도시된 바와 같이 상부 지지 플레이트(1232)와 하부 지지 플레이트(1234) 사이에 배열될 수 있다. 벌집형 코어(1210)와 지지 플레이트(1232, 1234)의 대향 표면 사이의 에폭시 접착제는 지지 플레이트(1232, 1234)를 코어(1210)에 결합할 수 있다. 상기 생성된 복합 구조물(1230)은 코어(1210)를 형성하는 각각의 몰딩된 셀룰로오스-베이스 물질(1200) 내의 셀룰로오스 섬유의 연장 방향에 평행하도록 방향(1206)을 따라 지지 플레이트(1232-1234) 사이에 가해지는 하중을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 지지 플레이트(1232-1234) 중 하나 또는 둘 모두는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 복합재, 폴리머 등과 같은 비-셀룰로오스-베이스 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 지지 플레이트(1232-1234)는 1mm의 두께를 갖는 금속 시트(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금)일 수 있고, 벌집형 코어(1210)는 2mm의 두께를 가질 수 있다. 대안적으로, 일부 실시양태에서, 지지 플레이트(1232-1234) 중 하나 또는 둘 모두는 벌집형 코어의 성형 재료를 형성하는 재료와 동일하거나 상이할 수 있는 셀룰로오스-베이스 물질로 형성될 수 있다. 도 12a 내지 도 12c는 조립된 몰딩된 물질의 물결 모양 패턴에 의해 형성되는 육각형 형상을 도시하지만, 개시된 요지의 실시양태가 이에 제한되지 않는다. 오히려, 벌집형 코어 내의 반복 형상은 물결 모양 패턴의 적절한 조정에 의해 임의의 기하학적 형상, 예를 들어 삼각형 형상, 직사각형 형상, 다이아몬드 형상, 타원형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다.
제작 실시예 및 실험결과(Fabricated Examples and Experimental Results)
제1 실시예 - 오크(Oak)
제1 실시예에서는 오크를 원료로 사용하였다. 부분적인 탈리그닌화, 건조 및 유체 충격 후에 몰드 가능한 오크는 곡선 형상을 갖도록 성형되고 후속적으로 건조되어 단단한 성형 구조를 형성한다. 상기 곡면 목재는 기계적 강도가 높고 곡률이 낮으며 밀도가 낮다. 특히, 결과물인 곡면 목재는 345 MPa의 강화된 인장 강도를 나타내며, 이는 스트림 전처리에 의해 벤딩된 기존 목재보다 3배 더 크다. 한편, 상기 곡면 목재의 특정 강도는 135에서 318 MPa·3/g으로 증가하였다.
제2 실시예 - 배스우드(Basswood)
제2 실시예에서는 배스우드를 사용하여 3D-몰딩된 목재를 제작하였다. 첫 번째, 천연 목재 시트(배스우드, 일반적인 샘플 치수: 3.18mm x 30cm x 20cm)를 2.5M NaOH와 0.4M Na2SO3의 끓는 수용액으로 2일 동안 처리한 후 물에 여러 번 침지하여 약품을 제거하였다. 다음으로, 상기 부분적으로 탈리그닌화된 목재를 상온에서 30시간 동안 공기 건조하여 건조된 목재 중간체를 형성한 다음, 이를 물에 3분 동안 침지(즉, "유체-충격(fluid-shock)" 프로세스)하여 몰드 가능하게 형성하였다. 마지막으로, 몰드 가능한 목재를 원하는 구조로 형성하고 상온에서 30시간 동안 공기-건조하여 물질에서 수분을 제거하여 3-D 몰딩된 목재를 얻었다.
상기 3-D 몰딩된 목재는 목재 섬유 방향을 따라 ~300 MPa의 인장 강도 및 60 MPa의 압축 강도를 포함하여 경량 구조 적용을 위한 개선된 기계적 특성을 보여주었고, 이는 원시 천연 목재에 비해 각각 6배, 2배 높다. 3D-몰딩된 목재의 향상된 기계적 특성은 밀도가 높은 구조로 인해, 이것은 마이크로 스케일에서 고도로 얽힌 세포벽과 나노 스케일의 세포벽 내부에 잘-정렬된 셀룰로오스 나노피브릴을 특징으로 한다. 추가적으로, 3D-몰딩된 목재의 강도와 특정 강성은 Al-5052보다 훨씬 높다. 0.75g/cm3의 낮은 밀도로 가벼운 무게를 감안할 때, 상기 3D-몰딩된 목재는 386.8MPa/(g/cm3)의 높은 인장 강도를 가지며, 이는 Al-5052(84.4MPa/(g/cm3))보다 ~5배 더 크다. 또한, 도 13a의 물질 강성 대 밀도의 Ashby 플롯에서 볼 수 있듯이 3D-몰딩된 목재의 특정 강성은 경목, 연목 및 폴리머 범위를 초과하여 구조 물질로서의 잠재력을 시사한다.
제3 실시예 - 복합 구조(Composite Structure)
3D-몰딩된 목재의 저밀도, 높은 기계적 강도 및 우수한 성형성은 일반적으로 Al-5052 합금과 같은 폴리머 또는 금속으로 만들어진 벌집형 구조와 같은 크고 가벼운 하중-지지 설계를 설계 및 제조하는 데 폭넓은 융통성을 제공한다. 3D-몰딩된 목재 벌집형 구조는 목재 섬유 방향을 따라 몰딩되었다. 상기 3D-몰딩된 목재 벌집형 유닛은 도 13b에 도시된 바와 같이 Al-5052 벌집형 유닛(46.8MPa/(g/cm3))과 유사한 특정 압축 강도(51.6MPa/(g/cm3))를 보여준다.
상기 조립된 3D-몰딩된 목재 벌집형 코어의 압축 및 벤딩 특성을 평가하기 위해, 상기 코어는 복합 구조에서 두 개의 알루미늄 플레이트 사이에 끼워졌다. 상기 복합 구조물은 9.1 MPa의 압축강도와 91.0 MPa/(g/cm3)(0.1g/cm3의 밀도 기준)의 특정 압축강도를 나타내었으며, 이는 Al-5052 벌집 구조보다 높다. 상기 물질의 성능을 더욱 입증하기 위해, 상기 복합 구조를 사용하여 1588kg 자동차의 무게를 지지하고, 이는 3D-몰딩된 목재 벌집형 코어 자체 무게의 1526배에 해당한다. 상기 확장성을 입증하기 위해 80cm x 6cm x 1.5cm 크기의 3D-몰딩된 목재 벌집형 코어의 실시예를 제작하였다.
상기 몰딩되고 몰드 가능한 목재를 다른 구조용 물질과 비교하여, 상기 몰딩됨/몰드 가능한 목재는 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 하중 지지 능력 면에서, 상기 몰딩된 목재와 알루미늄 합금 벌집형 유닛(예를 들어, 높이 1.5cm, 너비 2cm, 길이 4.4cm, 무게는 각각 1.3g 및 3.1g, 밀도는 각각 0.10g/cm3 및 0.23g/cm3) 모두 구조적 변형이나 파괴 없이 100-200lbs를 지지할 수 있다. 그러나 종이 벌집형 유닛은 그러한 무게에 의해 쉽게 파괴된다. 또한, 상기 몰딩된 목재 벌집형 유닛은 가장 높은 특정 압축 강도(51.6MPa/(g/cm3))를 나타내며, 종이 벌집형 유닛(2.1MPa/(g/cm3))보다 훨씬 높고 Al-5052 벌집형 유닛(46.8MPa/(g/cm3)보다 높다. 접힘성 측면에서, 종이, Al-5052, 몰드 가능한 목재의 경우 찢어지거나 파단되기 전의 폴드-언폴드 주기(fold-unfold cycle)는 각각 10회, 3회 및 100회 이상이며, 몰드 가능한 목재 물질의 뛰어난 유연성을 확인한다.
제4 실시예 - 세포벽 구조(Cell Wall Structure)
도 14a는 천연 목제에서 3D-몰딩된 목재로의 제조 공정을 보여주는 개략도이다. 3D-몰딩된 목재를 제작하기 위해, 천연 목재를 먼저 탈리그닌화하여 상기 목재 세포벽의 부서지기 쉬운 리그닌 성분을 부분적으로 제거한 다음 30시간 동안 완전히 공기 건조하였다. 상기 건조로 인해 세포벽이 수축되어, 도 14b에 도시된 바와 같이 수축된 목재 중간체를 수득하기 위해 크고 작은 채널(예를 들어, 각각 베셀 및 섬유)이 모두 폐쇄되었다. 그런 다음 수축된 목재를 물에 잠시 담가(예를 들어, 3분) "충격(shocked)"을 가하여 몰드 가능한 목재를 얻는다. 상기 몰드 가능한 목재는 도 14c에 도시된 바와 같이, 팽창 시 베셀 및 섬유가 "주름(wrinkled)"이 되는 독특한 세포벽 구조를 갖는다. 상기 몰드 가능한 목재를 임의의 모양으로 폴딩하고 몰드할 수 있으며, 최종적으로 물질을 건조시켜 제자리에 고정하여 3D-몰딩된 목재 제품을 얻을 수 있습니다.
대조군으로서 천연 목재를 동일한 방법으로 부분적으로 탈리그닌화한 후 대조군 물질을 임의의 물 충격 처리 없이 단 6시간 동안 공기-건조하여 50wt%의 물 함량이 되도록 하였으며, 몰드 가능한 목재와 동일한 수분 함량이었다. 상기 결과 대조군은 주름진 세포벽 구조를 특징으로 하지 않고, 대신 천연 목재와 유사한 열린 세포 미세 구조를 나타내지만 상기 리그닌의 부분적 제거로 인해 더 얇고 더 분리된 세포벽을 나타낸다. 몰드 가능한 목재와 같은 수분 함량을 가지고 있음에도 불구하고, 대조군(비-몰드 가능한 목재라고 함)은 유연성이 부족하고 주름진 세포벽 구조가 없기 때문에 구부러지면 부서진다. 또한 대조군 실험에서는 건조된 천연 목내(공간 수축 및 물 윤활제 없음), 습윤 천연 목재(공간 수축 없음), 습윤 탈리그닌화된 목재(공간 수축 없음), 및 수축된 목재(물 윤활제 없음)는 모두 공간 수축 및/또는 물 윤활제의 부재로 인해 열등한 접힘성을 가졌다.
상기 주름진 세포벽 구조가 물질이 파손되는 것을 방지하기 위해 폴딩 동안 기계적 응력의 방출을 가능하게 하는 방법을 추가로 조사하기 위해 시뮬레이션이 수행되었다. 섬유-규모 역학 모델링은 몰드 가능한 목재가 60%의 공칭 스트레인 변형(인장 또는 압축)을 받는 경우에도 성형 가능한 목재의 모든 세포벽에서 변형 수준이 매우 낮다(최대 주 인장 스트레인 0.47% 및 압축 스트레인 2.66%)는 것을 보여준다. 대조적으로, 비-몰드 가능한 목재의 세포벽에서 최대 주요 인장 스트레인은 전체 연신율 12.5%에서 2.3%로 높으며 몰드 가능한 목재보다 상당히 높다. 두 물질 모두 탈리그닌화 프로세스를 거쳤음에도 불구하고, 상기 섬유와 베셀은 개방되어 있고 비-몰드 가능한 목재에서 느슨한 접촉만 있고, 건조/물-충격 프로세스로 인해 몰드 가능한 목재의 주름진 세포벽에서 세포 구조가 더 폐쇄되고 더 많이 접촉된다. 결과적으로 상기 몰드 가능한 목재는 폴딩 동안 박리에 저항하기 위해 세포벽 사이에 충분한 수소 결합이 있는 반면, 상기 비-몰드 가능한 목재는 쉽게 부서진다.
제5 실시예 - 구멍 형성(Hole Formation)
배스우드는 각각 길이 5cm 길이 x 5cm 너비 x 5mm 두께의 크기를 갖는 블록(1500)으로 절단되었다. 각 목재 블록(1500)은 화학적 처리(1502), 특히 NaOH(2.5 mol L-1) 및 Na2SQ3(0.4 mol L-1) 용액에 12시간 동안 침지하여 리그닌 및 헤미셀룰로오스를 부분적으로 제거하였다. 도 15a의 비교예(1520)에서, 상기 부분적으로 탈리그닌화된 목재 블록은 열 프레싱(1504)을 거친 후 구멍(1510)을 형성하기 위해 탈리그닌화된 블록을 통해 2mm 못(1508)(예를 들어, 또는 바늘과 같은 끝이 뾰족한 다른 긴 부재)을 밀어 넣거나 삽입(1506)한다. 그러나, 결과적인 구조(1512)에서, 블록 내의 셀룰로오스 섬유(1522)는 못 구멍(1510)의 엣지(1514)에서 파손될 수 있다.
대조적으로, 도 15b의 실시예(1540)에서, 상기 부분적으로 탈리그닌화된 블록은 성형 가능한 형태(예를 들어, 건조 후 체액 충격을 통한 재-수화; 부분적으로(완전하지는 않지만) 건조; 또는 못 삽입(1546) 전에 블록을 건조하지 않음)로 유지된다. 따라서 2mm 못(1546)은 습윤 상태에서 목재에 삽입될 수 있어서, 셀룰로오스 섬유(1556)는 달리 파손되지 않고 구멍(1550)의 엣지 주위에서 편향되기에 충분한 운동성을 나타낸다. 그 다음, 상기 못 구멍(1550)의 직경은 블록을 24시간 동안 열 프레싱하여 고정하였다. 상기 결과적인 구조(1552)에 대해, 상기 목재의 두께는 천연 목재 블록(1500)의 1/5로 감소하고, 밀도가 높은 목재는 구멍 형성 이전의 1504년 이후에 밀도가 높은 목재와 유사한 기계적 특성을 나타낼 수 있다. 그러나, 결과적인 구조(1552)는 또한 구멍(1550)의 엣지에서 셀룰로오스 섬유의 파손을 피할 수 있다.
개시된 기술의 추가적 실시예
개시된 주제의 전술한 구현을 고려하여, 본 출원은 아래에 열거된 절에서 추가 실시예를 기재한다. 항목의 하나의 특징이 분리되어 있거나 항목의 둘 이상의 특징이 결합되어 있다는 점에 유의해야 하고, 선택적으로, 하나 이상의 추가 항목의 하나 이상의 특징과 조합하여 본 출원의 개시 범위 내에 속하는 추가 실시예가 있다.
항목 1. (a) 천연 목재 조각의 미세 구조물을 보존하면서 그로부터 적어도 일부의 리그닌(lignin)을 제거하기 위해 천연 목재 조각에 하나 이상의 화학적 처리를 함으로써 부분적으로 탈리그닌화된 목재 조각(a piece of partially-delignified wood)을 생산하는 단계로서, 상기 미세구조물은 천연 목재의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포(cellulose-based longitudinal cells)를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각을 건조시켜 그로부터 수분을 제거하여, 적어도 일부의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나(lumina)가 붕괴되고 상기 건조된 조각의 수분 함량이 15wt% 이하가 되도록 하는 단계;
(c) 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 건조된 조각에 유체-충격 처리를 수행하여 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각(rehydrated piece)을 생성하는 단계로서, 상기 유체-충격 처리는 건조된 조각을 수분에 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 재-수화된 조각은 수분 함량이 적어도 35wt% 이상인 단계; 및
(d) 실질적으로 평평한 평면 구성에서 비-평면 3-차원 구성으로 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 실질적으로 붕괴되고, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 적어도 부분적으로 개방되어 있는 방법.
항목 2. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1에 있어서, 상기 연장 방향에 수직인 방향에서 상기 천연 목재 조각의 두께는 10mm 이하(예를 들어, ≤ 4 mm)인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 3. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-2 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 (d) 단계 동안 재-수화된 조각의 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 4. (a) 천연 목재 조각의 미세 구조를 보존하면서 그로부터 적어도 일부의 리그닌(lignin)을 제거하기 위해 천연 목재 조각에 하나 이상의 화학적 처리를 함으로써 부분적으로 탈리그닌화된 목재 조각(a piece of partially-delignified wood)을 생산하는 단계로서, 상기 미세구조물은 천연 목재의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포(cellulose-based longitudinal cells)를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각을 부분적으로 건조하여 수분을 약간 제거하는 단계로서, 상기 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각은 적어도 35%의 수분 함량을 가지는 단계; 및
(c) 실질적으로 편평한 구성으로부터 비-평면 3차원 구성으로 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
상기 제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 실질적으로 붕괴되었고 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 적어도 부분적으로 개방되어 있는 방법.
항목 5. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-4 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 연장 방향에 수직인 방향으로 천연 목재 조각의 두께가 0.1mm 내지 10mm (포함) (예를 들어, ≥ 0.5 mm 및 ≤ 10 mm)인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 6. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-5 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성으로 형성하는 단계는 조각을 폴딩하는 단계, 조각을 벤딩하는 단계, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 7. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-6 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성으로 형성하는 단계 후에:
(e) 상기 조각을 건조시켜 수분을 제거하여 조각의 형상을 설정하고
상기 비-평면 3-차원 구성에서 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 단단한 모놀리식 조각을 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 단단한 모놀리식 조각은 15wt% 이하의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 8. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 7에 있어서, (e) 단계 전에:
적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각의 두께를 통해 연장되는 적어도 하나 이상의 구멍 또는 개구부를 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 형성은 비-기계 가공 기술(non-machining technique)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 9. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-8 중 어느 한 항목에 있어서, (a) 단계 후 및 (b) 단계 전에:
부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각의 두께를 통해 연장되는 적어도 하나 이상의 구멍 또는 개구부를 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 형성은 비-기계 가공 기술(non-machining technique)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 10. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 9에 있어서, 적어도 하나 이상의 구멍 또는 개구부를 형성하는 단계는 바늘(needle), 못(nail), 또는 다른 날카로운-팁 기다란 부재를 조각으로 밀거나 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 11. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 7-10 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 (e) 단계의 건조는 공기 또는 가스 흐름에 노출시키는 단계, 공기 또는 가스의 정체된 부피에 노출시키는 단계, 진공에 노출시키는 단계, 상온에 노출시키는 단계, 상온 이상의 온도로 가열시키는 단계 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 12. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 7-11 중 어느 한 항목에 있어서, 단단한 모놀리식 조각 위에 보호층 또는 코팅을 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 보호층 또는 코팅은 상기 강성 모놀리식 조각의 재-수화를 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 13. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 7-12 중 어느 한 항목에 있어서, 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 강성 모놀리식 조각을 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 하나 이상의 다른 강성 모놀리식 조각과 조립하는 단계;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 강성 모놀리식 조각을 하나 이상의 다른 목재와 조립하는 단계;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 강성 모놀리식 조각을 복합 구조물을 형성하기 위한 하나 이상의 다른 비-목재 물질(예를 들어, 폴리머, 금속, 금속 합금, 시멘트, 유리, 세라믹 등)과 조립하는 단계; 또는
상기의 임의의 조합을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 14. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-13 중 어느 한 항목에 있어서, (c)의 습기에 노출시키는 단계는 유체 내에 부분적으로 또는 완전히 침지시키는 것, 습한 환경에서 유체 증기에 노출시키는 것, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 15. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 4-14 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 (c) 단계의 부분적으로-건조된 조각의 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 16. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-15 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 천연 목재는 경목(hardwood)을 포함하고, 상기 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 상기 경목의 섬유 또는 세관을 포함하고, 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 상기 경목의 베셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 17. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-15 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 천연 목재는 연목을 포함하고, 상기 제1 및 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 세관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 18. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-17 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 셀룰로오스-베이스 세포 세포의 각각의 내강(lumen)에 대하여, (b)의 건조 후의 단면 크기는 (a) 이전의 천연 목재에서의 단면 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
항목 19. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-18 중 어느 한 항목에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 리그닌의 0.1% 내지 99% (포함)를 제거하는 것과 같거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 헤미셀룰로오스의 0.1% 내지 99% (포함)를 제거하는 것과 같거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 20. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-19 중 어느 한 항목에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 리그닌의 50% 이하를 제거하는 것과 같거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 헤미셀룰로오스의 50% 이하를 제거하는 것과 같거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 21. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-20 중 어느 한 항목에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 리그닌의 함량이 10% 이하로 감소되는 것과 같거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 헤미셀룰로오스의 함량이 10% 이하로 감소되는 것과 같거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 22. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-21 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 천연 목재는 경목이고, (a) 이후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌의 함량은 적어도 10wt% 이상이거나;
상기 천연 목재는 연목이고, (a) 이후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌의 함량은 적어도 12.5wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 23. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-22 중 어느 한 항목에 있어서, 하나 이상의 화학적 처리 중 적어도 하나 이상은 하나 이상의 화학 용액에 부분적으로 또는 완전히 침지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 24. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 23에 있어서, 상기 하나 이상의 화학 용액이 알칼리성 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 25. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 23-24 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 하나 이상의 화학용액은 수산화나트륨(sodium hydroxide) (NaOH), 수산화리튬(lithium hydroxide) (LiOH), 수산화칼륨(potassium hydroxide) (KOH), 아황산나트륨(sodium sulfite) (Na2SO3), 황산나트륨(sodium sulfate) (Na2SO4), 황화나트륨(sodium sulfide) (Na2S), n이 정수인 NanS, 우레아(urea) (CH4N2O), 아황산수소나트륨(sodium bisulfite) (NaHSO3), 이산화황(sulfur dioxide) (SO2), 안트라퀴논(anthraquinone) (C14H8O2), 메탄올(methanol) (CH3OH), 에탄올(ethanol) (C2H5OH), 부탄올(butanol) (C4H9OH), 포름산(formic acid) (CH2O2), 과산화수소(hydrogen peroxide) (H2O2), 아세트산(acetic acid) (CH3COOH), 부티르산(butyric acid) (C4H8O2), 과산화포름산(peroxy formic acid) (CH2O3), 과산화아세트산(peroxy acetic acid) (C2H4O3), 암모니아(ammonia) (NH3), 토실산(tosylic acid) (p-TsOH), 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite) (NaClO), 아염소산나트륨(sodium chlorite) (NaClO2), 이산화염소(chlorine dioxide) (ClO2), 염소(chorine) (Cl2), 또는 상기의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 26. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 23-25 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 하나 이상의 화학 용액은 NaOH 및 Na2SO3의 끓는 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 27. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 1-26 중 어느 한 항목에 있어서, (a) 이전에 천연 목재 조각을 베니어(veneer)로 형성하기 위해 롤-커팅 기술(roll-cutting technique)을 사용하여 천연 목재의 실질적으로-원통형 부분을 커팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 28. 항목 1-27 중 어느 한 항목의 방법에 의해 형성된 몰드가능한 목재 구조물.
항목 29. 항목 1-27 중 어느 한 항목의 방법에 의해 형성된 강성 몰드된 목재 구조물.
항목 30. 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상 건조된 모놀리식 조각, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 내부에 다중 폴드(folds) 또는 벤드(bends)에 의해 형성된 반복적이고 물결 모양 구성(undulating configuration)을 갖도록 형성되고, 상기 물결 모양 구성은 적어도 하나 이상의 피크 및 적어도 하나 이상의 골(trough)을 갖는 반복 패턴을 가지며, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 15wt% 이하의 수분 함량을 가지며;
적어도 2개 이상 건조된 모놀리식 조각에 결합된 제1 및 제2 지지 플레이트를 포함하는 구조 물질.
항목 31. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30에 있어서, 상기 물결 모양 구성의 폴드 또는 벤드는 제1 방향에 평행한 각각의 축에 대해 있고, 상기 지지 플레이트는 상기 건조된 모놀리식 조각을 사이에 끼우도록 제1 방향을 기준으로 상기 건조된 모놀리식 조각을 사이에 두고 배치되며, 상기 구조 물질은 벌집형 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 32. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-31 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각 중 인접한 하나의 대향 표면(facing surfaces)은 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 33. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-32 중 어느 한 항목에 있어서, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 1.5g/cm3 미만(예를 들어, ≤ 1g/cm3)의 밀도, 적어도 140MPa 이상(예를 들어, ≥ 200 MPa)의 인장 강도, 적어도 40MPa 이상의 압축 강도, 적어도 115MPa/(g/cm3) 이상(예를 들어, ≥ 300 MPa/(g/cm3))의 특정 인장 강도 또는 상기의 임의의 조합을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 34. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-33 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 구조 재료는 적어도 3MPa 이상 (예를 들어, ≥ 5 MPa)의 압축 강도, 적어도 30MPa/(g/cm3) 이상(예를 들어, ≥ 50 MPa/(g/cm3))의 특정 압축 강도, 또는 상기의 임의의 조합을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 35. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-34 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 각각의 건조된 모놀리식 조각이 다수의 피크 및 골을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 36. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-35 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 각각의 건조된 모놀리식 조각이 제1 및 제2 지지 플레이트 모두와 접촉하는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 37. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-36 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 지지 플레이트 중 하나 또는 둘 다는 실질적으로 편평한 평면 구성을 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 천연 목재의 또 다른 건조된 조각을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 38. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-37 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제1 및 제2 지지 플레이트 중 하나 또는 둘 다는 하나 이상의 비-목재 물질(예를 들어, 폴리머, 금속, 금속 합금, 시멘트, 유리, 세라믹, 합성물 또는 이들의 조합)로 형성되는 구조 물질.
항목 39. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-38 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 구조 물질은 수분이 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각에 침투하는 것을 방지하도록 밀봉되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 40. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-39 중 어느 한 항목에 있어서,
적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 외부 표면에 형성된 보호층 또는 코팅을 추가로 포함하며,
상기 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각은 보호층 또는 코팅에 의한 수분 침투에 대해 밀봉하는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 41. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-40 중 어느 한 항목에 있어서,
제3 지지 플레이트를 추가로 포함하며,
상기에서 물결 모양 구성의 폴드 또는 벤드는 제1 방향에 평행한 각각의 축에 대해 있고,
상기 제1 및 제2 지지 플레이트는 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향에 대해 건조된 모놀리식 조각 중 제1 조각의 반대 측면에 배치되고,
제2 및 제3 지지 플레이트는 제2 방향에 대해 건조된 모놀리식 조각 중 제2 조각의 반대 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 42. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-41 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제1 조각의 물결 모양 구성의 피크 부분은 측면에서 볼 때 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제2 조각의 물결 모양 구성의 상응하는 피크 부분과 실질적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 43. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-41 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제1 조각의 물결 모양 구성의 피크 부분은 측면에서 볼 때 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제2 조각의 물결 모양 구성의 상응하는 골 부분과 실질적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 44. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-43 중 어느 한 항목에 있어서, 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 각각의 건조된 모놀리식 조각의 미세구조는 실질적으로 붕괴된 목재의 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 가지며, 각각의 세로 세포는 천연 목재의 세로 성장 방향에 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 45. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-44 중 어느 한 항목에 있어서, 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 각각의 모놀리식 조각에서 붕괴된 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유가 연장 방향에 실질적으로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 46. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-45 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각에 대한 목재는 경목 또는 연목을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 47. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-46 중 어느 한 항목에 있어서,
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 리그닌 함량을 0.1% 내지 99%(포함)만큼 감소시킴으로서 생성되거나;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 헤미셀룰로오스 함량을 0.1% 내지 99% (포함)만큼 감소시킴으로서 생성되거나;
상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 48. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-47 중 어느 한 항목에 있어서,
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 리그닌 함량을 50% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 헤미셀룰로오스 함량을 50% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 49. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-48 중 어느 한 항목에 있어서,
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 리그닌 함량을 10% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 헤미셀룰로오스 함량을 10% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 50. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 30-49 중 어느 한 항목에 있어서, 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 각각의 건조된 모놀리식 조각에서 리그닌의 양이 적어도 10wt% 이상인 것을 특징으로 하는 구조 물질.
항목 51. 적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 천연 목재의 모놀리식 조각을 포함하며,
상기 모놀리식 조각은 단면 크기가 제1 크기보다 작은 천연 목재의 제1 셀룰로오스-베이스 세로 셀의 루미나인 미세구조를 가지고, 실질적으로 붕괴되고 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 천연 목재의 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 적어도 부분적으로 개방되어 있고,
상기 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 천연 목재의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 몰드 가능한 목재 구조물.
항목 52. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51에 있어서, 상기 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 53. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-52 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 제2 셀룰로오스-베이스 수직 세포의 각각 내강에 대해 상기 모놀리식 조각에서의 단면 크기는 부분 탈리그닌화 전의 천연 목재에서의 단면 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 54. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-53 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 모놀리식 조각은 0°내지 180°(포함)의 각도 범위 내에서 벤딩 또는 폴딩에 의해 탄성 변형되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 55. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-54 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 모놀리식 조각은 적어도 100회 이상 폴딩 사이클에 걸쳐 피로감-없는 탄성 변형이 가능한 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 56. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-54 중 어느 한 항목의 몰드 가능한 목재 구조가 비-평면 3-차원 구성(non-planar three-dimensional configuration)으로 형성되고 이후 건조되어 수분 함량이 15wt% 이하가 되도록 수분이 제거되는 것을 포함하는 몰드 목재 구조물.
항목 57. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성은 모놀리식 조각에 대한 오리가미-폴드 기하학(origami-folded geometry) 또는 키리가미-폴드 기하학(kirigami-folded geometry)을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 58. 비-평면 3-차원 구성으로 형성된 부분적으로-탈리그닌화된 천연 목재의 건조된 모놀리식 조각을 포함하며, 상기 건조된 모놀리식 조각은 수분 함량이 15wt% 이하이고,
상기 건조된 모놀리식 조각의 미세구조는 실질적으로 붕괴된 목재의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나를 가지며, 천연 목재의 세로 성장 방향에 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 각각의 세로 세포를 갖는 몰드 목재 구조물.
항목 59. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56-58 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 기하학은 상기 모놀리식 조각의 적어도 2개 이상의 벤드 또는 폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 60. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 59에 있어서, 적어도 2개 이상의 벤드 또는 폴드에서 상기 모놀리식 조각의 두께는 상기 모놀리식 조각의 벤딩되지 않거나 폴딩되지 않은 부분과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 61. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 59-60 중 어느 한 항목에 있어서, 적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 연장 방향에 실질적으로 평행한 축 주위에 있는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 62. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 59-61 중 어느 한 항목에 있어서, 적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 180°미만의 내각을 형성하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 63. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 59-62 중 어느 한 항목에 있어서, 적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 135°이하의 내각을 형성하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 64. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 59-63 중 어느 한 항목에 있어서,
적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 상기 연장 방향을 가로지르는 축을 중심으로 하거나;
적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 상기 연장 방향에 평행인 축을 중심으로 하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 65. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 56-64 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각은 이의 폴딩 또는 벤딩에 의해 플라스틱 변형되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 66. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-65 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각의 외부 표면 위에 보호층 또는 코팅을 추가로 포함하고, 상기 보호층 또는 코팅이 모놀리식 조각으로의 수분 침투를 방지하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 67. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-66 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 천연 목재는 경목 또는 연목을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 68. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-67 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 천연 목재는 경목을 포함하고, 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 경목의 섬유 또는 헛물관(tracheids)을 포함하고, 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 경목의 베셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 69. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-67 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 천연 목재는 연목을 포함하고, 제1 및 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 헛물관(tracheids)을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 70. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-69 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 0.1%에서 99%까지 감소시킴으로써 생산되거나;
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 0.1%에서 99%까지 감소시킴으로써 생산되거나;
상기의 모든 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 71. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-70 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 50% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 50% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기의 모든 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 72. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-71 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 10% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 10% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기의 모든 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 73. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-72 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 모놀리식 조각에서 리그닌의 양이 적어도 10wt% 이상인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 74. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-73 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 두께가 적어도 0.1mm 이상(예를 들어, ≥ 0.5 mm)이거나,
상기 모놀리식 조각의 두께가 10mm 이하이거나,
상기 모놀리식 조각은 0.1mm 내지 10mm (포함) (예를 들어, ≥ 0.5 mm 및 ≤ 10 mm)의 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 75. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 74에 있어서, 상기 모놀리식 조각의 두께가 연장 방향에 실질적으로 수직인 방향을 따르는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 76. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 74-75 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 모놀리식 조각은 두께 방향에 수직인 평면에서 제1 및 제2 치수를 가지며, 제1 및 제2 치수는 서로 직교하고, 적어도 하나 이상의 제1 및 제2 치수는 상기 두께보다 적어도 10배 더 큰 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 77. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 51-76 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 모놀리식 조각에서 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유가 연장 방향에 실질적으로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
항목 78. (a) 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각의 미세구조물을 보존하면서 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 하나 이상의 화학적 처리에 적용하여 이로부터 적어도 일부 리그닌을 제거함으로서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질을 생성하는 단계로서, 상기 미세구조물은 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 건조시켜 수분을 제거하는 단계로서, 적어도 일부의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 붕괴되고 상기 건조된 조각이 수분 함량이 15wt% 이하가 되도록하는 단계;
(c) 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 건조된 조각에 유체-충격 처리를 수행하여 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 재-수화된 조각을 산출하는 단계로서, 상기 유체-충격 처리는 상기 건조된 조각을 습기에 노출시키는 것을 포함하고, 상기 재-수화된 조각은 적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 가지는 단계; 및
(d) 실질적으로 평평한 평면 구성에서 비-평면 3-차원 구성으로부터 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 재-수화된 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 재-수화된 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 실질적으로 붕괴되고, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스계 재료의 재-수화된 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 적어도 부분적으로 개방되어 있는 것인 방법.
항목 79. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78에 있어서, (d) 단계 동안 상기 재-수화된 조각의 수분 함량이 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 80. (a) 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각의 미세구조물을 보존하면서 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 하나 이상의 화학적 처리에 적용하여 이로부터 적어도 일부 리그닌을 제거함으로서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질을 생성하는 단계로서, 상기 미세구조물은 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질 조각을 부분적으로 건조시켜 수분을 제거하는 단계로서, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 부분적으로-건조된 조각은 적어도 35% 이상의 수분 함량을 가지는 단계; 및
(c) 실질적으로 평평한 평면 구성에서 비-평면 3-차원 구성으로부터 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 부분적으로-건조된 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 부분적으로-건조된 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 실질적으로 붕괴되고, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스계 재료의 부분적으로-건조된 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 적어도 부분적으로 개방되어 있는 것인 방법.
항목 81. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-80 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성으로 몰드한 후에:
(e) 상기 조각을 건조시켜 습기를 제거하여 상기 조각의 모양을 설정하고 상기 비-평면 3-차원 구성에서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 강성 모놀리식 조각을 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 강성 모놀리식 조각은 15wt% 이하의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
항목 82. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-81 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질 섬유성 식물인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 83. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 82에 있어서, 상기 섬유질 식물은 경목, 연목, 대나무, 잔디 또는 갈대인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 84. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-84 중 어느 한 항목에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 리그닌 함량이 0.1% 내지 99%(포함)까지 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 헤미셀룰로오스 함량이 0.1% 내지 99%(포함)까지 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 85. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-84 중 어느 한 항목에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 리그닌 함량이 50% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 헤미셀룰로오스 함량이 50% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 86. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-85 중 어느 한 항목에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 리그닌 함량이 10% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 헤미셀룰로오스 함량이 10% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 87. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-86 중 어느 한 항목에 있어서,
상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 경목이고, (a) 후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌 함량이 적어도 10wt% 이상이거나;
상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 연목이고, (a) 후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌 함량이 적어도 12.5wt% 이상이거나;
상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 대나무이고, (a) 이후 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌 함량이 적어도13wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
항목 88. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-87 중 어느 한 항목의 방법에 의해 형성된 몰드 가능한 구조물(moldable structure).
항목 89. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 78-87 중 어느 한 항목의 방법에 의해 형성된 강성 몰드 구조물(rigid molded structure).
항목 90. 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각으로서, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 내부에 다중 폴드 또는 벤드에 의해 형성된 물결 모양 구성을 갖도록 형성되고, 상기 물결 모양 구성은 적어도 하나 이상의 피크 및 적어도 하나 이상의 골을 갖는 반복 패턴을 가지며, 15wt% 이하의 수분 함량을 갖는 각각의 건조된 모놀리식 조각; 및
적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각에 결합된 제1 및 제2 지지 플레이트를 포함하는 구조 물질.
항목 91. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 90에 있어서,
항목 92. 수분 함량이 적어도 35wt% 이상인 부분적으로-탈리그닌화된, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 모놀리식 조각을 포함하는 몰드 가능한 구조물로서,
상기 모놀리식 조각은 제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 미세 구조를 가지며, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 실질적으로 붕괴되며, 적어도 부분적으로 열려 있고,
셀룰로오스-베이스 세로 세포는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향에 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 것인 몰드 가능한 구조물.
항목 93. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 92에 있어서, 상기 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 구조물.
항목 94. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 92-93중 어느 한 항목의 몰드 가능한 구조는 비-평면 3-차원 구성으로 형성되고 15wt% 이하의 수분 함량을 갖도록 후속적으로 건조되어 그로부터 수분을 제거하는 것을 포함하는 몰드 구조물.
항목 95. 비-평면 3-차원 구성으로 형성된 부분적으로-탈리그닌화된, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 수분 함량이 15wt% 이하인 건조된 모놀리식 조각을 포함하는 몰드 구조물로서,
여기서 상기 건조된 모놀리식 조각의 미세구조물은 실질적으로 붕괴된 셀룰로오스-베이스 물질의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나를 가지며, 각각의 세로 세포는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 확장 방향을 따라 연장되는 몰드 구조물.
항목 96. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 90-95 중 어느 한 항목에 있어서, 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 섬유질 식물인 것을 특징으로 하는 구조물.
항목 97. 본원에서 임의의 항목 또는 실시예, 특히 항목 96에 있어서, 상기 섬유질 식물은 경목, 연목, 대나무, 잔디 또는 갈대인 것을 특징으로 하는 구조물.
Claims (97)
- (a) 천연 목재 조각의 미세 구조물을 보존하면서 그로부터 적어도 일부의 리그닌(lignin)을 제거하기 위해 천연 목재 조각에 하나 이상의 화학적 처리를 함으로써 부분적으로 탈리그닌화된 목재 조각(a piece of partially-delignified wood)을 생산하는 단계로서, 상기 미세구조물은 천연 목재의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포(cellulose-based longitudinal cells)를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각을 건조시켜 그로부터 수분을 제거하여, 적어도 일부의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나(lumina)가 붕괴되고 상기 건조된 조각의 수분 함량이 15wt% 이하가 되도록 하는 단계;
(c) 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 건조된 조각에 유체-충격 처리를 수행하여 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각(rehydrated piece)을 생성하는 단계로서, 상기 유체-충격 처리는 건조된 조각을 수분에 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 재-수화된 조각은 수분 함량이 적어도 35wt% 이상인 단계; 및
(d) 실질적으로 평평한 평면 구성에서 비-평면 3-차원 구성으로 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 실질적으로 붕괴되고, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 재-수화된 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 적어도 부분적으로 개방되어 있는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 연장 방향에 수직인 방향에서 상기 천연 목재 조각의 두께는 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계 동안 재-수화된 조각의 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
- (a) 천연 목재 조각의 미세 구조를 보존하면서 그로부터 적어도 일부의 리그닌(lignin)을 제거하기 위해 천연 목재 조각에 하나 이상의 화학적 처리를 함으로써 부분적으로 탈리그닌화된 목재 조각(a piece of partially-delignified wood)을 생산하는 단계로서, 상기 미세구조물은 천연 목재의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포(cellulose-based longitudinal cells)를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각을 부분적으로 건조하여 수분을 약간 제거하는 단계로서, 상기 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각은 적어도 35%의 수분 함량을 가지는 단계; 및
(c) 실질적으로 편평한 구성으로부터 비-평면 3차원 구성으로 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
상기 제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 실질적으로 붕괴되었고 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-건조된 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 적어도 부분적으로 개방되어 있는 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장 방향에 수직인 방향으로 천연 목재 조각의 두께가 0.1mm 내지 10mm (포함)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성으로 형성하는 단계는 조각을 폴딩하는 단계, 조각을 벤딩하는 단계, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성으로 형성하는 단계 후에:
(e) 상기 조각을 건조시켜 수분을 제거하여 조각의 형상을 설정하고
상기 비-평면 3-차원 구성에서 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 단단한 모놀리식 조각을 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 단단한 모놀리식 조각은 15wt% 이하의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법. - 제7항에 있어서, (e) 단계 전에:
적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각의 두께를 통해 연장되는 적어도 하나 이상의 구멍 또는 개구부를 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 형성은 비-기계 가공 기술(non-machining technique)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 또는 제4항에 있어서, (a) 단계 후 및 (b) 단계 전에:
부분적으로-탈리그닌화된 목재 조각의 두께를 통해 연장되는 적어도 하나 이상의 구멍 또는 개구부를 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 형성은 비-기계 가공 기술(non-machining technique)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제9항에 있어서, 적어도 하나 이상의 구멍 또는 개구부를 형성하는 단계는 바늘(needle), 못(nail), 또는 다른 날카로운-팁 기다란 부재를 조각으로 밀거나 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (e) 단계의 건조는 공기 또는 가스 흐름에 노출시키는 단계, 공기 또는 가스의 정체된 부피에 노출시키는 단계, 진공에 노출시키는 단계, 상온에 노출시키는 단계, 상온 이상의 온도로 가열시키는 단계 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서,
단단한 모놀리식 조각 위에 보호층 또는 코팅을 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 보호층 또는 코팅은 상기 강성 모놀리식 조각의 재-수화를 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제7항에 있어서,
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 강성 모놀리식 조각을 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 하나 이상의 다른 강성 모놀리식 조각과 조립하는 단계;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 강성 모놀리식 조각을 하나 이상의 다른 목재와 조립하는 단계;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 강성 모놀리식 조각을 복합 구조물을 형성하기 위한 하나 이상의 다른 비-목재 물질과 조립하는 단계; 또는
상기의 임의의 조합을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 (c)의 습기에 노출시키는 단계는 유체 내에 부분적으로 또는 완전히 침지시키는 것, 습한 환경에서 유체 증기에 노출시키는 것, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 (c) 단계의 부분적으로-건조된 조각의 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 천연 목재는 경목(hardwood)을 포함하고, 상기 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 상기 경목의 섬유 또는 세관을 포함하고, 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 상기 경목의 베셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 천연 목재는 연목을 포함하고, 상기 제1 및 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 세관을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 제2 셀룰로오스-베이스 세포 세포의 각각의 내강(lumen)에 대하여, (b)의 건조 후의 단면 크기는 (a) 이전의 천연 목재에서의 단면 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 리그닌의 0.1% 내지 99% (포함)를 제거하는 것과 같거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 헤미셀룰로오스의 0.1% 내지 99% (포함)를 제거하는 것과 같거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법. - 제19항에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 리그닌의 50% 이하를 제거하는 것과 같거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 헤미셀룰로오스의 50% 이하를 제거하는 것과 같거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 리그닌의 함량이 10% 이하로 감소되는 것과 같거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각을 생성하기 위해 상기 천연 목재에서 헤미셀룰로오스의 함량이 10% 이하로 감소되는 것과 같거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 천연 목재는 경목이고, (a) 이후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌의 함량은 적어도 10wt% 이상이거나;
상기 천연 목재는 연목이고, (a) 이후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌의 함량은 적어도 12.5wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 또는 제4항에 있어서, 하나 이상의 화학적 처리 중 적어도 하나 이상은 하나 이상의 화학 용액에 부분적으로 또는 완전히 침지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 하나 이상의 화학 용액이 알칼리성 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 하나 이상의 화학용액은 수산화나트륨(sodium hydroxide) (NaOH), 수산화리튬(lithium hydroxide) (LiOH), 수산화칼륨(potassium hydroxide) (KOH), 아황산나트륨(sodium sulfite) (Na2SO3), 황산나트륨(sodium sulfate) (Na2SO4), 황화나트륨(sodium sulfide) (Na2S), n이 정수인 NanS, 우레아(urea) (CH4N2O), 아황산수소나트륨(sodium bisulfite) (NaHSO3), 이산화황(sulfur dioxide) (SO2), 안트라퀴논(anthraquinone) (C14H8O2), 메탄올(methanol) (CH3OH), 에탄올(ethanol) (C2H5OH), 부탄올(butanol) (C4H9OH), 포름산(formic acid) (CH2O2), 과산화수소(hydrogen peroxide) (H2O2), 아세트산(acetic acid) (CH3COOH), 부티르산(butyric acid) (C4H8O2), 과산화포름산(peroxy formic acid) (CH2O3), 과산화아세트산(peroxy acetic acid) (C2H4O3), 암모니아(ammonia) (NH3), 토실산(tosylic acid) (p-TsOH), 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite) (NaClO), 아염소산나트륨(sodium chlorite) (NaClO2), 이산화염소(chlorine dioxide) (ClO2), 염소(chorine) (Cl2), 또는 상기의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 하나 이상의 화학 용액은 NaOH 및 Na2SO3의 끓는 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제4항에 있어서, (a) 이전에 천연 목재 조각을 베니어(veneer)로 형성하기 위해 롤-커팅 기술(roll-cutting technique)을 사용하여 천연 목재의 실질적으로-원통형 부분을 커팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 몰드가능한 목재 구조물.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 강성 몰드된 목재 구조물.
- 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상 건조된 모놀리식 조각, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 내부에 다중 폴드(folds) 또는 벤드(bends)에 의해 형성된 반복적이고 물결 모양 구성(undulating configuration)을 갖도록 형성되고, 상기 물결 모양 구성은 적어도 하나 이상의 피크 및 적어도 하나 이상의 골(trough)을 갖는 반복 패턴을 가지며, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 15wt% 이하의 수분 함량을 가지며;
적어도 2개 이상 건조된 모놀리식 조각에 결합된 제1 및 제2 지지 플레이트를 포함하는 구조 물질. - 제30항에 있어서, 상기 물결 모양 구성의 폴드 또는 벤드는 제1 방향에 평행한 각각의 축에 대해 있고, 상기 지지 플레이트는 상기 건조된 모놀리식 조각을 사이에 끼우도록 제1 방향을 기준으로 상기 건조된 모놀리식 조각을 사이에 두고 배치되며, 상기 구조 물질은 벌집형 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각 중 인접한 하나의 대향 표면(facing surfaces)은 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 1.5g/cm3 미만의 밀도, 적어도 140MPa 이상의 인장 강도, 적어도 40MPa 이상의 압축 강도, 적어도 115MPa/(g/cm3) 이상의 특정 인장 강도 또는 상기의 임의의 조합을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 구조 재료는 적어도 3MPa 이상의 압축 강도, 적어도 30MPa/(g/cm3) 이상의 특정 압축 강도, 또는 상기의 임의의 조합을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 각각의 건조된 모놀리식 조각이 다수의 피크 및 골을 갖는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 각각의 건조된 모놀리식 조각이 제1 및 제2 지지 플레이트 모두와 접촉하는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 지지 플레이트 중 하나 또는 둘 다는 실질적으로 편평한 평면 구성을 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 천연 목재의 또 다른 건조된 조각을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 제1 및 제2 지지 플레이트 중 하나 또는 둘 다는 하나 이상의 비-목재 물질로 형성되는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 구조 물질은 수분이 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각에 침투하는 것을 방지하도록 밀봉되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항 또는 제31항에 있어서,
적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 외부 표면에 형성된 보호층 또는 코팅을 추가로 포함하며,
상기 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각은 보호층 또는 코팅에 의한 수분 침투에 대해 밀봉하는 것을 특징으로 하는 구조 물질. - 제30항에 있어서,
제3 지지 플레이트를 추가로 포함하며,
상기에서 물결 모양 구성의 폴드 또는 벤드는 제1 방향에 평행한 각각의 축에 대해 있고,
상기 제1 및 제2 지지 플레이트는 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향에 대해 건조된 모놀리식 조각 중 제1 조각의 반대 측면에 배치되고,
제2 및 제3 지지 플레이트는 제2 방향에 대해 건조된 모놀리식 조각 중 제2 조각의 반대 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 구조 물질. - 제41항에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제1 조각의 물결 모양 구성의 피크 부분은 측면에서 볼 때 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제2 조각의 물결 모양 구성의 상응하는 피크 부분과 실질적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제41항에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제1 조각의 물결 모양 구성의 피크 부분은 측면에서 볼 때 상기 건조된 모놀리식 조각 중 제2 조각의 물결 모양 구성의 상응하는 골 부분과 실질적으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항, 제31항 및 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 각각의 건조된 모놀리식 조각의 미세구조물은 실질적으로 붕괴된 목재의 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 가지며, 각각의 세로 세포는 천연 목재의 세로 성장 방향에 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항, 제31항 및 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 각각의 모놀리식 조각에서 붕괴된 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유가 연장 방향에 실질적으로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항, 제31항 및 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각에 대한 목재는 경목 또는 연목을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 제30항, 제31항 및 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 리그닌 함량을 0.1% 내지 99%(포함)만큼 감소시킴으로서 생성되거나;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 헤미셀룰로오스 함량을 0.1% 내지 99% (포함)만큼 감소시킴으로서 생성되거나;
상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 구조 물질. - 제30항, 제31항 및 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 리그닌 함량을 50% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 헤미셀룰로오스 함량을 50% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 구조 물질. - 제30항, 제31항 및 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 리그닌 함량을 10% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
부분적으로-탈리그닌화된 목재의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각의 각각은 각각의 천연 목재 조각에서 헤미셀룰로오스 함량을 10% 이하로 감소시킴으로서 생성되거나;
상기 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 구조 물질. - 제30항, 제31항 및 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 각각의 건조된 모놀리식 조각에서 리그닌의 양이 적어도 10wt% 이상인 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 천연 목재의 모놀리식 조각을 포함하며,
상기 모놀리식 조각은 단면 크기가 제1 크기보다 작은 천연 목재의 제1 셀룰로오스-베이스 세로 셀의 루미나인 미세구조물을 가지고, 실질적으로 붕괴되고 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 천연 목재의 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나는 적어도 부분적으로 개방되어 있고,
상기 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 천연 목재의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 몰드가능한 목재 구조물. - 제51항에 있어서, 상기 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항에 있어서, 상기 제2 셀룰로오스-베이스 수직 세포의 각각 내강에 대해 상기 모놀리식 조각에서의 단면 크기는 부분 탈리그닌화 전의 천연 목재에서의 단면 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항에 있어서, 상기 모놀리식 조각은 0°내지 180°(포함)의 각도 범위 내에서 벤딩 또는 폴딩에 의해 탄성 변형되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제54항에 있어서, 상기 모놀리식 조각은 적어도 100회 이상 폴딩 사이클에 걸쳐 피로감-없는 탄성 변형이 가능한 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항의 몰드 가능한 목재 구조가 비-평면 3-차원 구성(non-planar three-dimensional configuration)으로 형성되고 이후 건조되어 수분 함량이 15wt% 이하가 되도록 수분이 제거되는 것을 포함하는 몰드 목재 구조물.
- 제56항에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성은 모놀리식 조각에 대한 오리가미-폴드 기하학(origami-folded geometry) 또는 키리가미-폴드 기하학(kirigami-folded geometry)을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 비-평면 3-차원 구성으로 형성된 부분적으로-탈리그닌화된 천연 목재의 건조된 모놀리식 조각을 포함하며, 상기 건조된 모놀리식 조각은 수분 함량이 15wt% 이하이고,
상기 건조된 모놀리식 조각의 미세구조물은 실질적으로 붕괴된 목재의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나를 가지며, 천연 목재의 세로 성장 방향에 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 각각의 세로 세포를 갖는 몰드 목재 구조물. - 제56항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 기하학은 상기 모놀리식 조각의 적어도 2개 이상의 벤드 또는 폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제59항에 있어서, 적어도 2개 이상의 벤드 또는 폴드에서 상기 모놀리식 조각의 두께는 상기 모놀리식 조각의 벤딩되지 않거나 폴딩되지 않은 부분과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제59항에 있어서, 적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 연장 방향에 실질적으로 평행한 축 주위에 있는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제59항에 있어서, 적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 180°미만의 내각을 형성하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제62항에 있어서, 적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 135°이하의 내각을 형성하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제59항에 있어서,
적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 상기 연장 방향을 가로지르는 축을 중심으로 하거나;
적어도 하나 이상의 벤드 또는 폴드는 상기 연장 방향에 평행인 축을 중심으로 하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물. - 제56항 내지 제58항에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각은 이의 폴딩 또는 벤딩에 의해 플라스틱 변형되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제56항 내지 제58항에 있어서, 상기 건조된 모놀리식 조각의 외부 표면 위에 보호층 또는 코팅을 추가로 포함하고, 상기 보호층 또는 코팅이 모놀리식 조각으로의 수분 침투를 방지하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항 내지 제58항에 있어서, 상기 천연 목재는 경목 또는 연목을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항 내지 제56항에 있어서,
상기 천연 목재는 경목을 포함하고, 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 경목의 섬유 또는 헛물관(tracheids)을 포함하고, 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 경목의 베셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물. - 제51항 내지 제56항에 있어서, 상기 천연 목재는 연목을 포함하고, 제1 및 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포는 헛물관(tracheids)을 포함하는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항 내지 제58항에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 0.1%에서 99%까지 감소시킴으로써 생산되거나;
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 0.1%에서 99%까지 감소시킴으로써 생산되거나;
상기의 모든 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물. - 제51항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 50% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 50% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기의 모든 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물. - 제51항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 10% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기 모놀리식 조각은 천연 나무의 리그닌 함량을 10% 이하로 줄임으로써 생산되거나;
상기의 모든 조합인 것을 특징으로 하는 목재 구조물. - 제51항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모놀리식 조각에서 리그닌의 양이 적어도 10wt% 이상인 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모놀리식 조각은 두께가 적어도 0.1mm 이상이거나,
상기 모놀리식 조각의 두께가 10mm 이하이거나,
상기 모놀리식 조각은 0.1mm 내지 10mm (포함)의 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 목재 구조물. - 제74항에 있어서, 상기 모놀리식 조각의 두께가 연장 방향에 실질적으로 수직인 방향을 따르는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제74항에 있어서, 상기 모놀리식 조각은 두께 방향에 수직인 평면에서 제1 및 제2 치수를 가지며, 제1 및 제2 치수는 서로 직교하고, 적어도 하나 이상의 제1 및 제2 치수는 상기 두께보다 적어도 10배 더 큰 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- 제51항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모놀리식 조각에서 세로 세포의 벽을 형성하는 셀룰로오스 나노섬유가 연장 방향에 실질적으로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 목재 구조물.
- (a) 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각의 미세구조물을 보존하면서 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 하나 이상의 화학적 처리에 적용하여 이로부터 적어도 일부 리그닌을 제거함으로서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질을 생성하는 단계로서, 상기 미세구조물은 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 건조시켜 수분을 제거하는 단계로서, 적어도 일부의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 붕괴되고 상기 건조된 조각이 수분 함량이 15wt% 이하가 되도록하는 단계;
(c) 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 건조된 조각에 유체-충격 처리를 수행하여 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 재-수화된 조각을 산출하는 단계로서, 상기 유체-충격 처리는 상기 건조된 조각을 습기에 노출시키는 것을 포함하고, 상기 재-수화된 조각은 적어도 35wt% 이상의 수분 함량을 가지는 단계; 및
(d) 실질적으로 평평한 평면 구성에서 비-평면 3-차원 구성으로부터 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 재-수화된 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 재-수화된 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 실질적으로 붕괴되고, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스계 재료의 재-수화된 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 적어도 부분적으로 개방되어 있는 것인 방법. - 제78항에 있어서, (d) 단계 동안 상기 재-수화된 조각의 수분 함량이 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
- (a) 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각의 미세구조물을 보존하면서 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 하나 이상의 화학적 처리에 적용하여 이로부터 적어도 일부 리그닌을 제거함으로서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질을 생성하는 단계로서, 상기 미세구조물은 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 셀룰로오스-베이스 세로 세포를 포함하는 단계;
(b) 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질 조각을 부분적으로 건조시켜 수분을 제거하는 단계로서, 상기 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 부분적으로-건조된 조각은 적어도 35% 이상의 수분 함량을 가지는 단계; 및
(c) 실질적으로 평평한 평면 구성에서 비-평면 3-차원 구성으로부터 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 부분적으로-건조된 조각을 형성하는 단계를 포함하는 방법으로서,
제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 부분적으로-건조된 조각에서 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 실질적으로 붕괴되고, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스계 재료의 부분적으로-건조된 조각에서 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 적어도 부분적으로 개방되어 있는 것인 방법. - 제78항 또는 제80항에 있어서, 상기 비-평면 3-차원 구성으로 몰드한 후에:
(e) 상기 조각을 건조시켜 습기를 제거하여 상기 조각의 모양을 설정하고 상기 비-평면 3-차원 구성에서 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 강성 모놀리식 조각을 형성하는 단계를 추가로 포함하며,
상기 강성 모놀리식 조각은 15wt% 이하의 수분 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법. - 제78항 또는 제80항에 있어서, 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질 섬유성 식물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제82항에 있어서, 상기 섬유질 식물은 경목, 연목, 대나무, 잔디 또는 갈대인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제78항 또는 제80항에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 리그닌 함량이 0.1% 내지 99%(포함)까지 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 헤미셀룰로오스 함량이 0.1% 내지 99%(포함)까지 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법. - 제84항에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 리그닌 함량이 50% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 헤미셀룰로오스 함량이 50% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법. - 제78항 또는 제80항에 있어서,
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 리그닌 함량이 10% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
(a)의 하나 이상의 화학적 처리를 받는 것은 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질에서 헤미셀룰로오스 함량이 10% 이하로 감소되어 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 조각을 생성하거나;
상기의 임의의 조합인 것을 특징으로 하는 방법. - 제78항 또는 제80항에 있어서,
상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 경목이고, (a) 후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌 함량이 적어도 10wt% 이상이거나;
상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 연목이고, (a) 후의 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌 함량이 적어도 12.5wt% 이상이거나;
상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 대나무이고, (a) 이후 부분적으로-탈리그닌화된 목재의 조각에서 리그닌 함량이 적어도 13wt% 이상인 것을 특징으로 하는 방법. - 제78항 내지 제87항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 몰드 가능한 구조물(moldable structure).
- 제78항 내지 제87항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 강성 몰드 구조물(rigid molded structure).
- 부분적으로-탈리그닌화된 셀룰로오스-베이스 물질의 적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각으로서, 각각의 건조된 모놀리식 조각은 내부에 다중 폴드 또는 벤드에 의해 형성된 물결 모양 구성을 갖도록 형성되고, 상기 물결 모양 구성은 적어도 하나 이상의 피크 및 적어도 하나 이상의 골을 갖는 반복 패턴을 가지며, 15wt% 이하의 수분 함량을 갖는 각각의 건조된 모놀리식 조각; 및
적어도 2개 이상의 건조된 모놀리식 조각에 결합된 제1 및 제2 지지 플레이트를 포함하는 구조 물질. - 제90항에 있어서, 상기 물결 모양 구성에서 폴드 또는 벤드는 제1 방향에 평행한 각각의 축에 대해 있으며, 상기 건조된 모놀리식 조각의 제1 방향을 기준으로 대향하여 상기 건조된 모놀리식 조각을 사이에 끼우도록 지지 플레이트를 배치하고, 상기 구조 물질은 벌집 모양 구성 가지는 것을 특징으로 하는 구조 물질.
- 수분 함량이 적어도 35wt% 이상인 부분적으로-탈리그닌화된, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 모놀리식 조각을 포함하는 몰드 가능한 구조물로서,
상기 모놀리식 조각은 제1 크기보다 작은 단면 크기를 갖는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 제1 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 미세 구조를 가지며, 제1 크기보다 큰 단면 크기를 갖는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 제2 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나가 실질적으로 붕괴되며, 적어도 부분적으로 열려 있고,
셀룰로오스-베이스 세로 세포는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향에 실질적으로 평행한 연장 방향을 따라 연장되는 것인 몰드 가능한 구조물. - 제92항에 있어서, 상기 수분 함량이 적어도 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 구조물.
- 제92항의 몰드 가능한 구조는 비-평면 3-차원 구성으로 형성되고 15wt% 이하의 수분 함량을 갖도록 후속적으로 건조되어 그로부터 수분을 제거하는 것을 포함하는 몰드 구조물.
- 비-평면 3-차원 구성으로 형성된 부분적으로-탈리그닌화된, 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 수분 함량이 15wt% 이하인 건조된 모놀리식 조각을 포함하는 몰드 구조물로서,
여기서 상기 건조된 모놀리식 조각의 미세구조물은 실질적으로 붕괴된 셀룰로오스-베이스 물질의 셀룰로오스-베이스 세로 세포의 루미나를 가지며, 각각의 세로 세포는 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질의 세로 성장 방향과 실질적으로 평행한 확장 방향을 따라 연장되는 몰드 구조물. - 제92항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자연적으로-발생하는 셀룰로오스-베이스 물질은 섬유질 식물인 것을 특징으로 하는 구조물.
- 제96항에 있어서, 상기 섬유질 식물은 경목, 연목, 대나무, 잔디 또는 갈대인 것을 특징으로 하는 구조물.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202063013955P | 2020-04-22 | 2020-04-22 | |
| US63/013,955 | 2020-04-22 | ||
| PCT/US2021/028541 WO2021216803A1 (en) | 2020-04-22 | 2021-04-22 | Moldable and molded cellulose-based structural materials, and systems and methods for forming and use thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230006864A true KR20230006864A (ko) | 2023-01-11 |
Family
ID=78269996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020227040894A KR20230006864A (ko) | 2020-04-22 | 2021-04-22 | 몰드 가능하고 몰드된 셀룰로오스-베이스 구조 물질, 시스템 및 이의 형성 및 사용 방법 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230234258A1 (ko) |
| EP (1) | EP4139365A4 (ko) |
| JP (1) | JP2023524653A (ko) |
| KR (1) | KR20230006864A (ko) |
| CN (1) | CN115698091B (ko) |
| AU (1) | AU2021261364A1 (ko) |
| CA (1) | CA3174155A1 (ko) |
| WO (1) | WO2021216803A1 (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113802403B (zh) * | 2021-08-13 | 2022-07-26 | 湖北金汉江精制棉有限公司 | 一种高聚合度精制棉生产工艺 |
| PL440924A1 (pl) * | 2022-04-13 | 2023-10-16 | Uniwersytet Przyrodniczy W Poznaniu | Sposób i urządzenie do krzywoliniowego formowania drewnianej łuszczki falistej |
| WO2023224971A1 (en) * | 2022-05-16 | 2023-11-23 | University Of Maryland, College Park | Structures with circumferentially-extending densified fibrous plant materials, and systems and methods for fabrication and use thereof |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5506046A (en) * | 1992-08-11 | 1996-04-09 | E. Khashoggi Industries | Articles of manufacture fashioned from sheets having a highly inorganically filled organic polymer matrix |
| US5736209A (en) * | 1993-11-19 | 1998-04-07 | E. Kashoggi, Industries, Llc | Compositions having a high ungelatinized starch content and sheets molded therefrom |
| WO2003099539A1 (en) * | 2002-05-24 | 2003-12-04 | Nexsol Technologies, Inc. | Biodegradable compound and preparation method thereof, and molded material made of the same and molding method thereof |
| FI122236B (fi) * | 2005-08-10 | 2011-10-31 | Jvs Polymers Oy | Menetelmä biomassan luontaisen rakenteen hajottamiseksi |
| SG174745A1 (en) * | 2006-10-26 | 2011-10-28 | Xyleco Inc | Processing biomass |
| US9090915B2 (en) * | 2008-04-22 | 2015-07-28 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Sulfite pretreatment for biorefining biomass |
| CN103562284A (zh) * | 2011-03-25 | 2014-02-05 | 丝路技术公司 | 得自天然纤维素的包含纳米原纤化纤维素的纤维素基材料 |
| JP6244808B2 (ja) * | 2013-10-17 | 2017-12-13 | ヤマハ株式会社 | 音響材用複合材料及び音響材用複合材料製造方法 |
| EP3257661B1 (en) * | 2016-06-17 | 2019-02-27 | UPM-Kymmene Corporation | A composite material for additive manufacturing of a three-dimensional composite product |
| US11440214B2 (en) * | 2017-04-03 | 2022-09-13 | University Of Maryland, College Park | Flexible wood structures and devices, and methods for fabricating and use thereof |
| CN110914029B (zh) * | 2017-04-10 | 2022-08-02 | 马里兰大学派克分院 | 强韧结构木质材料及其制造方法和用途 |
| AU2018331479B2 (en) * | 2017-09-15 | 2023-01-12 | University Of Maryland, College Park | Delignified wood materials, and methods for fabricating and use thereof |
| FI130116B (en) * | 2018-09-21 | 2023-03-03 | Woodio Oy | Process for the production of shaped products |
-
2021
- 2021-04-22 KR KR1020227040894A patent/KR20230006864A/ko active Search and Examination
- 2021-04-22 EP EP21793255.7A patent/EP4139365A4/en active Pending
- 2021-04-22 CA CA3174155A patent/CA3174155A1/en active Pending
- 2021-04-22 AU AU2021261364A patent/AU2021261364A1/en active Pending
- 2021-04-22 US US17/919,411 patent/US20230234258A1/en active Pending
- 2021-04-22 CN CN202180039773.9A patent/CN115698091B/zh active Active
- 2021-04-22 JP JP2022564340A patent/JP2023524653A/ja active Pending
- 2021-04-22 WO PCT/US2021/028541 patent/WO2021216803A1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230234258A1 (en) | 2023-07-27 |
| AU2021261364A1 (en) | 2022-10-27 |
| CA3174155A1 (en) | 2021-10-28 |
| EP4139365A1 (en) | 2023-03-01 |
| EP4139365A4 (en) | 2024-04-03 |
| CN115698091A (zh) | 2023-02-03 |
| CN115698091B (zh) | 2024-01-16 |
| JP2023524653A (ja) | 2023-06-13 |
| WO2021216803A1 (en) | 2021-10-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20230006864A (ko) | 몰드 가능하고 몰드된 셀룰로오스-베이스 구조 물질, 시스템 및 이의 형성 및 사용 방법 | |
| Frey et al. | Delignified and densified cellulose bulk materials with excellent tensile properties for sustainable engineering | |
| Fang et al. | An overview on bamboo culm flattening | |
| Lou et al. | Bamboo flattening technique: A literature and patent review | |
| US20230160141A1 (en) | Extraction of delignified, cellulose-based fibers from natural plant material, and materials incorporating such fibers | |
| Khakalo et al. | Delignification and ionic liquid treatment of wood toward multifunctional high-performance structural materials | |
| CA2967757C (en) | Method for molding cnf and molded product of cnf obtained by the molding method | |
| US20220412002A1 (en) | Bamboo structures, and methods for fabrication and use thereof | |
| CN118119490A (zh) | 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 | |
| Popat et al. | A review on bamboo fiber composites | |
| Song et al. | Bamboo–Alginate Composite as a Sustainable Structural Material | |
| US20040250912A1 (en) | Wood profile and method for the production of the same | |
| CN1134866A (zh) | 竹纤维合板的制造方法及其竹纤维合板 | |
| WO2019066085A1 (ja) | 高密度木質積層材の製造方法 | |
| WO2023224971A1 (en) | Structures with circumferentially-extending densified fibrous plant materials, and systems and methods for fabrication and use thereof | |
| EP3767032A1 (en) | Shape forming of delignified wood | |
| WO2024129827A1 (en) | Adhesive-free engineered plant materials, and methods for fabrication thereof | |
| CN113327778A (zh) | 一种木质基电极薄膜的制备方法 | |
| CN112157751A (zh) | 一种木材软化弯曲的制备方法 | |
| CN113386235A (zh) | 一种纤维素天然骨架基竹钢及其加工工艺 | |
| Tsunehisa et al. | Deformation behavior of natural wood having hierarchical structure under a compression state | |
| WO2022004796A1 (ja) | 流動成形用木質材料及びそれを含む流動成形用材料並びに木質成形体 | |
| JPWO2021216803A5 (ko) | ||
| CN117716086A (zh) | 具有各向异性弹性的木质材料及其制造和使用方法 | |
| CN117226945A (zh) | 线状木材的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |