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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

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

Уровень техники

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

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

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

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

Сущность изобретения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Описание чертежей

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

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

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

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

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

На ФИГ.6 представлена схематическая диаграмма DC-ускорителя.

На ФИГ.7 представлено схематическое изображение источника ионизации полем.

На ФИГ.8 представлено схематическое изображение электростатического сепаратора ионов.

На ФИГ.9 представлено схематическое изображение генератора ионизации полем.

На ФИГ.10 представлено схематическое изображение термоионного эмиссионного источника.

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

На ФИГ.12 представлено схематическое изображение рециркуляционного ускорителя.

На ФИГ.13 представлено схематическое изображение статического ускорителя.

На ФИГ.14 представлено схематическое изображение динамического линейного ускорителя.

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

На ФИГ.16 представлено схематическое изображение изогнутого тандемного ускорителя.

Подробное описание

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Облучение для влияния на функциональные группы материала

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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