(57)【要約】セルロース系の天然木材にリグニンを部分的に除去する化学処理を施すことにより、非常に強くて丈夫な圧縮木材構造が形成される。処理された木材は、細胞壁のセルロースナノファイバーが整列している、天然木材の内腔を保持する。次いで、処理された木材は、内腔が崩壊し、木材内の残留流体が除去されるように、内腔が延在する方向と交差する方向にプレスされる。その結果、細胞壁が絡み合い、隣接するセルロースナノファイバー間に水素結合が形成されることによって、他の機械的特性の中でも木材の強度および靭性が向上する。圧縮木材を更に修正、操作、または機械加工することにより、多様な用途に適合させることができる。【選択図】図４Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルロース系の内腔の構造を実質的に保存しつつ、化学処理によりリグニンを部分的に除去し、更に、前記内腔が少なくとも部分的に崩壊するように、前記内腔の延在方向に交差する第１の方向にプレスされる天然木材を含む第１のピースを含む、構造。
【請求項２】
前記第１の方向への前記第１のピースの厚さが、前記天然木材の厚さと比較して少なくとも６０％減少している、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記第１のピースの厚さが、前記天然木材の厚さと比較して少なくとも８０％減少している、請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記第１のピースが少なくともいくらかのリグニンを保持している、請求項１に記載の構造。
【請求項５】
天然木材中のリグニンの５％〜９５％が化学処理により除去されている、請求項４に記載の構造。
【請求項６】
天然木材中のリグニンの２３％〜６０％が化学処理により除去されている、請求項５に記載の構造。
【請求項７】
前記第１のピースは、前記化学処理後に、天然木材のリグニンの約５５％を保持している、請求項６に記載の構造。
【請求項８】
前記第１のピース内の崩壊した内腔の対向部分は、水素結合によって一緒に保持されている、請求項１に記載の構造。
【請求項９】
前記第１のピースは、化学処理前の前記天然木材と比較して、引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度係数、衝撃靭性、圧縮強度および／または弾性剛性が増加している、請求項１に記載の構造。
【請求項１０】
前記第１のピースの引張強度は、化学処理前の前記天然木材の引張強度よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項１１】
前記第１のピースの引張強度は、少なくとも３５０ＭＰａである、請求項９に記載の構造。
【請求項１２】
前記第１のピースの延性は、前記化学処理前の天然木材の延性と同じである、請求項９に記載の構造。
【請求項１３】
前記第１のピースの破壊靭性は、前記化学処理前の天然木材の破壊靭性よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項１４】
前記第１のピースの弾性剛性は、前記化学処理前の天然木材の弾性剛性よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項１５】
前記第１のピースの引っかき硬度は、前記化学処理前の天然木材の引っかき硬度よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項１６】
前記第１のピースの衝撃靭性は、前記化学処理前の天然木材の衝撃靭性よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項１７】
前記第１のピースの硬度係数は、前記化学処理前の天然木材の硬度係数よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項１８】
前記延在方向に沿った第１のピースの曲げ強度は、前記化学処理前の天然木材の曲げ強度よりも少なくとも５倍大きく、前記延在方向に垂直な第１ピースの曲げ強度は、前記化学処理前の天然木材の曲げ強度よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項１９】
前記延在方向に沿った第１のピースの圧縮強度は、前記化学処理前の天然木材の圧縮強度よりも少なくとも５倍大きく、前記延在方向に垂直な第１のピースの圧縮強度は、前記化学処理前の天然木材の圧縮強度よりも少なくとも５倍大きい、請求項９に記載の構造。
【請求項２０】
前記第１のピースは、化学処理前の前記天然木材と比較して密度が増加している、請求項１に記載の構造。
【請求項２１】
前記第１のピースの密度は、前記化学処理前の天然木材の密度よりも少なくとも２倍大きい、請求項２０に記載の構造。
【請求項２２】
前記第１のピースは、３００ＭＰａ  ｃｍ３／ｇより大きい比引張強度を有する、請求項１に記載の構造。
【請求項２３】
前記第１のピースは、約４５０ＭＰａ  ｃｍ３／ｇの比引張強度を有する、請求項２２に記載の構造。
【請求項２４】
前記崩壊した内腔のセルロースナノファイバーが、前記延在方向に沿って実質的に整列している、請求項１に記載の構造。
【請求項２５】
断面図において、前記第１のピースは、前記内腔の壁の間に隙間をほぼ含まない、請求項１に記載の構造。
【請求項２６】
前記天然木材は、硬材または軟材を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項２７】
前記天然木材は、バスウッド、オーク、ポプラ、アッシュ、ハンノキ、ヤマナラシ、バルサ材、ブナ、カバノキ、チェリー、バターナット、栗、ココボロ、ニレ、ヒッコリー、メープル、オーク、パダウク、プラム、ウォルナット、ヤナギ、イエローポプラ、ラクウショウ、杉、ヒノキ、ベイマツ、モミ、ベイツガ、カラマツ、松、セコイア、トウヒ、タマラック、ジュニパー、およびイチイのうちの少なくとも１つを含む、請求項２６に記載の構造。
【請求項２８】
セルロース系の内腔の構造を実質的に保持しつつ、化学処理によりリグニンを部分的に除去し、更に、前記内腔が少なくとも部分的に崩壊するように、前記内腔の延在方向と交差する方向にプレスされる天然木材を含む第２のピースを更に含み、
前記第１のピースおよび前記第２のピースが、対向面に沿って互いに結合され、前記第１のピースの内腔の延在方向が、前記第２のピースの内腔の延在方向と交差している、請求項１に記載の構造。
【請求項２９】
前記第１のピースの内腔の延在方向が、前記第２のピースの内腔の延在方向に直交している、請求項２８に記載の構造。
【請求項３０】
前記第１のピースおよび前記第２のピースは、それらの対向表面間で水素結合によって互いに結合されている、請求項２８に記載の構造。
【請求項３１】
前記第１のピースおよび前記第２のピースは、それらの対面表面間で接着剤またはエポキシによって互いに結合されている、請求項２８に記載の構造。
【請求項３２】
前記第１のピースおよび前記第２のピースのそれぞれが、フラットシート、ブロック、スティック、ストリップ、中空形状、膜、厚さ２００μｍ未満の薄膜、木材チップ、または木材フレークとして形成されている、請求項２８に記載の構造。
【請求項３３】
前記第１のピースおよび前記第２のピースと一緒に結合された複数の追加の第１のピースおよび第２のピースを更に備えて、多層積層構造を形成する、請求項２８に記載の構造。
【請求項３４】
前記第１のピースは、フラットシート、ブロック、スティック、ストリップ、中空形状、膜、厚さ２００μｍ未満の薄膜、木材チップ、または木材フレークとして形成されている、請求項１に記載の構造。
【請求項３５】
前記第１のピースは、前記崩壊した内腔および／または前記第１のピースの外面内に組み込まれた非天然粒子を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項３６】
前記非天然粒子は疎水性ナノ粒子を含む、請求項３５に記載の構造。
【請求項３７】
前記ナノ粒子はＳｉＯ２ナノ粒子を含む、請求項３６に記載の構造。
【請求項３８】
前記非天然粒子は、前記第１のピースを疎水性にする、請求項３５に記載の構造。
【請求項３９】
前記第１のピースは、少なくとも９０°の静的接触角、または１０°未満の動的接触角を有する、請求項３８に記載の構造。
【請求項４０】
前記第１のピースは、１５０°より大きい静的接触角および５°未満の動的接触角を有する、請求項３９に記載の構造。
【請求項４１】
前記第１のピースは、疎水性となるように化学処理されている、請求項１に記載の構造。
【請求項４２】
疎水性化学処理は、エポキシ樹脂、シリコーンオイル、ポリウレタン、パラフィンエマルジョン、無水酢酸、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン、フルオロエシン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、メタクリルオキシメチルトリメチルシラン（ＭＳｉ）、多面体オリゴマーシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）、カリウムメチルシリコネート（ＰＭＳ）、ドデシル（トリメトキシ）シラン（ＤＴＭＳ）、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルジエトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、ポリメチルメタクリレート、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（ｐｏｌｙＤＡＤＭＡＣ）、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＭＰＳ）、疎水性ステアリン酸、両親媒性フッ素化トリブロックアジドコポリマー、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化シラン、ｎ−ドデシルトリメトキシシラン、並びにラウリル硫酸ナトリウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項４１に記載の構造。
【請求項４３】
前記第１のピースは、天候または塩水に耐性を有するように化学処理されている、請求項１に記載の構造。
【請求項４４】
前記天候または塩水に耐性を持たせるための化学的処理は、ＣＤＤＣ、アンモニア銅第４級（ＡＣＱ）、クロム化ヒ酸銅（ＣＣＡ）、アンモニア性銅亜鉛ヒ酸（ＡＣＺＡ）、ナフテン酸銅、酸性クロム酸銅、クエン酸銅、銅アゾール、８−ヒドロキシキノリン銅、ペンタクロロフェノール、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸銅、クレオソート、二酸化チタン、プロピコナゾール、テブコナゾール、シプロコナゾール、ホウ酸、ホウ砂、有機ヨウ化物（ＩＰＢＣ）、およびＮａ２Ｂ８Ｏ１３・４Ｈ２Ｏのうちの少なくとも１つを含む、請求項４３に記載の構造。
【請求項４５】
前記第１のピースの１つ以上の外面上のコーティングを更に含む、請求項１に記載の構造。
【請求項４６】
前記コーティングは、油性塗料、疎水性塗料、ポリマーコーティング、または耐火性コーティングを含む、請求項４５に記載の構造。
【請求項４７】
前記耐火性コーティングは、窒化ホウ素、モンモリロナイト粘土、ハイドロタルサイト、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ケイ酸ナトリウム、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）、水酸化マグネシウム、（Ｍｇ（ＯＨ）２）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ホウ酸亜鉛、ホウ酸、ホウ砂、リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）、メラミン、ポリウレタン、ポリリン酸アンモニウム、リン酸、リン酸エステル、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、ホスホン酸、リン酸二アンモニウム（ＤＡＰ）、リン酸二水素アンモニウム、リン酸一アンモニウム（ＭＡＰ）、リン酸グアニル尿素（ＧＵＰ）、リン酸二水素グアニジン、および五酸化アンチモンのうちの少なくとも１つを含む、請求項４６に記載の構造。
【請求項４８】
前記第１のピースは、その中にポリマーを含む、請求項１に記載の構造。
【請求項４９】
前記第１のピース内の内腔が完全に崩壊している、請求項１に記載の構造。
【請求項５０】
（ａ）セルロース系であり第１の方向に延在する内腔の構造を実質的に保存しつつ、天然木材片を化学溶液で処理して、リグニンを部分的に除去する処理ステップと、
（ｂ）前記処理ステップ後、前記内腔が少なくとも部分的に崩壊するように、化学処理された前記木材片を前記第１の方向と交差する第２の方向に第１の時間にわたりプレスするプレスステップと、
を含む、方法。
【請求項５１】
前記プレスステップが、２０℃〜１２０℃の温度で、０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの圧力で実施される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記プレスステップが、約１００℃の温度および約５ＭＰａの圧力で実施される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１の時間は少なくとも５分である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の時間は１時間である、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記プレスステップは、前記化学処理された木材から少なくとも水を除去するのに有効である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５６】
前記プレスステップは、任意の中間の乾燥ステップなしで、前記処理後に実施される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５７】
前記化学溶液は、ＮａＯＨ、Ｎａ２Ｓ、ＮａＨＳＯ３、ＳＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎａ２ＳＯ３、アントラキノン（ＡＱ）、Ｎａ２Ｓｎ（ｎは整数）、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｃ４Ｈ９ＯＨ、ＨＣＯＯＨ、ＮＨ３、ｐ−ＴｓＯＨ、ＮＨ３−Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＮａＣｌＯ、ＮａＣｌＯ２、ＣＨ３ＣＯＯＨ（酢酸）、ＣｌＯ２、およびＣｌ２のうちの少なくとも１つを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５８】
前記化学溶液は、ＮａＯＨとＮａ２ＳＯ３との混合物を含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記化学溶液は、２．５ＭのＮａＯＨおよび０．４ＭのＮａ２ＳＯ３を含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記化学溶液が沸騰している、請求項５０に記載の方法。
【請求項６１】
前記プレスステップ前および前記処理ステップ後に、前記化学処理された木材片を溶媒に浸漬して、前記木材片内の化学溶液の残りを除去するステップを更に含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６２】
前記溶媒は沸騰脱イオン（ＤＩ）水を含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記処理ステップは、前記天然木材片を前記化学溶液に少なくとも０．５時間浸漬するステップを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６４】
前記天然木材片は、０．１時間〜７２時間にわたり前記化学溶液に浸漬される、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記処理ステップは、前記化学溶液が前記天然木材片の内腔に浸透するように真空下で実行される、請求項５０に記載の方法。
【請求項６６】
前記処理ステップ後に、ヘミセルロースおよびリグニンの少なくとも一部が、前記木材片によって保持されている、請求項５０記載の方法。
【請求項６７】
前記処理ステップによって前記木材片からリグニンの５％〜９５％が除去されている、請求項６６記載の方法。
【請求項６８】
前記プレスステップ後に、前記化学処理された木材片内の内腔が完全に崩壊する、請求項５０に記載の方法。
【請求項６９】
前記プレスステップ前に、前記内腔にポリマーを導入するステップを更に含み、前記プレス後に、前記ポリマーが前記内腔内に配置されている、請求項５０に記載の方法。
【請求項７０】
前記プレスステップ後に、前記木材片の１つ以上の外面をコーティングするステップを更に含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項７１】
コーティングは、油性塗料、疎水性塗料、ポリマーコーティング、または耐火性コーティングを含む、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記耐火性コーティングは、窒化ホウ素、モンモリロナイト粘土、ハイドロタルサイト、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ケイ酸ナトリウム、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）、水酸化マグネシウム、（Ｍｇ（ＯＨ）２）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ホウ酸亜鉛、ホウ酸、ホウ砂、リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）、メラミン、ポリウレタン、ポリリン酸アンモニウム、リン酸、リン酸エステル、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、ホスホン酸、リン酸二アンモニウム（ＤＡＰ）、リン酸二水素アンモニウム、リン酸一アンモニウム（ＭＡＰ）、リン酸グアニル尿素（ＧＵＰ）、リン酸二水素グアニジン、および五酸化アンチモンのうちの少なくとも１つを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記プレスステップ前に、複数の非天然粒子を前記内腔の内面に堆積させるステップを更に含み、前記プレス後に、前記非天然粒子が前記崩壊した内腔に組み込まれる、請求項５０に記載の方法。
【請求項７４】
前記非天然粒子は疎水性ナノ粒子を含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記ナノ粒子はＳｉＯ２ナノ粒子を含む、請求項７４記載の方法。
【請求項７６】
前記非天然粒子は、前記化学処理された木材片を疎水性にする、請求項７３に記載の方法。
【請求項７７】
前記プレスステップ後、前記化学処理された木材片は、少なくとも９０°の静的接触角、または１０°未満の動的接触角を有する、請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
前記プレスステップ後、前記化学処理された木材片は、１５０°より大きい静的接触角および５°未満の動的接触角を有する、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
（ａ）の後に、前記化学処理した木材に更なる化学処理を施して、前記木材を疎水性にするステップ（ｃ）を更に含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項８０】
前記（ｃ）が前記（ｂ）の前に生じる、請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
疎水性化学処理は、エポキシ樹脂、シリコーンオイル、ポリウレタン、パラフィンエマルジョン、無水酢酸、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン、フルオロエシン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、メタクリルオキシメチルトリメチルシラン（ＭＳｉ）、多面体オリゴマーシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）、カリウムメチルシリコネート（ＰＭＳ）、ドデシル（トリメトキシ）シラン（ＤＴＭＳ）、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルジエトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、ポリメチルメタクリレート、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（ｐｏｌｙＤＡＤＭＡＣ）、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＭＰＳ）、疎水性ステアリン酸、両親媒性フッ素化トリブロックアジドコポリマー、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化シラン、ｎ−ドデシルトリメトキシシラン、並びにラウリル硫酸ナトリウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項７９に記載の方法。
【請求項８２】
（ａ）の後に、前記化学処理された木材に更なる化学処理を施して、天候または塩水に対する耐性を高めるステップ（ｃ）を更に含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項８３】
前記天候または塩水に耐性を持たせる化学的処理は、ＣＤＤＣ、アンモニア銅第４級（ＡＣＱ）、クロム化ヒ酸銅（ＣＣＡ）、アンモニア性銅亜鉛ヒ酸（ＡＣＺＡ）、ナフテン酸銅、酸性クロム酸銅、クエン酸銅、銅アゾール、８−ヒドロキシキノリン銅、ペンタクロロフェノール、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸銅、クレオソート、二酸化チタン、プロピコナゾール、テブコナゾール、シプロコナゾール、ホウ酸、ホウ砂、有機ヨウ化物（ＩＰＢＣ）、およびＮａ２Ｂ８Ｏ１３・４Ｈ２Ｏのうちの少なくとも１つを含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】
前記崩壊した内腔のセルロースナノファイバーは、前記第１の方向に沿って実質的に整列している、請求項５０に記載の方法。
【請求項８５】
前記プレスステップ後、前記木材片は、断面図において、前記内腔の壁間にほぼ隙間を含まない、請求項５０に記載の方法。
【請求項８６】
前記天然木材は硬材または軟材を含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項８７】
前記天然木材は、バスウッド、オーク、ポプラ、アッシュ、ハンノキ、ヤマナラシ、バルサ材、ブナ、カバノキ、チェリー、バターナット、栗、ココボロ、ニレ、ヒッコリー、メープル、オーク、パダウク、プラム、ウォルナット、ヤナギ、イエローポプラ、ラクウショウ、杉、ヒノキ、ベイマツ、モミ、ベイツガ、カラマツ、松、セコイア、トウヒ、タマラック、ジュニパー、およびイチイ等のうちの少なくとも１つを含む、請求項８６に記載の方法。
【請求項８８】
前記プレスステップ後、前記木材片の引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度係数、衝撃靭性、圧縮強度、および弾性剛性のうちの少なくとも１つが前記処理ステップ前の天然木材と比較して増加する、請求項５０に記載の方法。
【請求項８９】
前記プレスステップ後、前記木材片は、
前記処理ステップ前の天然木材の密度の少なくとも２倍の密度と、
前記処理ステップ前の天然木材の厚さと比較して、少なくとも６０％減少した、前記第２の方向への厚さと、
を有する、請求項５０に記載の方法。
【請求項９０】
前記プレスステップ後の前記木材片の厚さは、前記天然木材の厚さと比較して少なくとも８０％減少している、請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記プレスステップは、前記崩壊した内腔の対向する部分間に水素結合を形成するステップを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項９２】
前記木材片は、フラットシート、ブロック、スティック、ストリップ、膜、薄膜、中空形状、木材チップ、または木材フレークとして形成される、請求項５０に記載の方法。
【請求項９３】
前記薄膜が２００μｍ以下の厚さを有する、請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
（ｃ）１つ以上の追加の天然木材片において（ａ）および（ｂ）を繰り返すステップと、
（ｄ）結果的に得られる、プレスされ化学処理された木材片を結合するステップと、
を更に含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項９５】
前記結合された、プレスされ化学処理された木材片の少なくとも一部のそれぞれの第１の方向が互いに交差している、請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
前記交差している第１の方向が互いに直交している、請求項９５に記載の方法。
【請求項９７】
（ｄ）は、対向する表面が水素結合されるように、前記プレスされ化学処理された木材片を更にプレスするステップを含む、請求項９４に記載の方法。
【請求項９８】
各（ａ）の後、化学処理された前記木材片を他の化学処理された片と接触するように配置するステップを更に含み、
（ｂ）のプレスが、（ｄ）の結合を生じさせるように、配置された前記木材片に対して同時に実行される、請求項９４に記載の方法。
【請求項９９】
（ｄ）は、前記化学処理された木材片の対向面に接着剤またはエポキシを塗布するステップを含む、請求項９４に記載の方法。
【請求項１００】
（ｂ）の後、前記化学処理された木材片を機械加工するステップ、または前記化学処理された木材片を所望の形状または構成に形成するステップを更に含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項１０１】
断面図において、内腔のセル壁間に隙間を有することなく、前記内腔が完全に崩壊している圧縮木材片を含む、構造。
【請求項１０２】
前記圧縮木材片は、少なくとも５対２の比率で圧縮されている、請求項１０１に記載の構造。
【請求項１０３】
記圧縮木材片は、約５対１の比率で圧縮されている、請求項１０２に記載の構造。
【請求項１０４】
前記圧縮木材片は、前記木材片を形成するために使用される天然木材よりも少ないリグニンを含む、請求項１０１に記載の構造。
【請求項１０５】
前記圧縮木材片は、天然木材におけるリグニンの５％〜９５％を含む、請求項１０４に記載の構造。
【請求項１０６】
前記圧縮木材片は、１％〜２５％のリグニンを含む、請求項１０５に記載の構造。
【請求項１０７】
前記圧縮木材片は、前記木材片を形成するために使用される天然木材と比較して、引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度係数、衝撃靭性、圧縮強度および／または弾性剛性が増加している、請求項１０１に記載の構造。
【請求項１０８】
前記圧縮木材片は、少なくとも３００ＭＰａ  ｃｍ３／ｇの比引張強度を有する、請求項１０１に記載の構造。
【請求項１０９】
複数の圧縮木材片を含む積層体であって、各片は、断面図において少なくとも部分的に崩壊した内腔を有しており、前記内腔はそれぞれの延在方向に延在し、
前記圧縮木材片の少なくとも一部の前記延在方向が互いに交差しており、かつ、
前記複数の圧縮木材片が互いに結合されている、積層体。
【請求項１１０】
各片は、断面図において、前記内腔の壁間に隙間のない、完全に崩壊した内腔を有する、請求項１０９に記載の積層体。
【請求項１１１】
前記圧縮木材の隣接する木材片は、対向面に沿って互いに結合されている、請求項１１０に記載の積層体。
【請求項１１２】
前記隣接する木材片は、前記対向面間の水素結合によって互いに結合されている、請求項１１１に記載の積層体。
【請求項１１３】
前記隣接する木材片は、前記対向面間で接着剤またはエポキシによって互いに結合されている、請求項１１１に記載の積層体。
【請求項１１４】
前記圧縮木材片の第１のセットは、第１の層に配置され、
前記圧縮木材片の第２のセットは、前記第１の層上の第２の層に配置され、かつ、
前記第１の層および前記第２の層は、各層からの隣接する片間の対向面を介して互いに結合されている、請求項１１０に記載の積層体。
【請求項１１５】
隣接する対の前記圧縮木材片の延在方向が互いに直交している、請求項１１０に記載の積層体。
【請求項１１６】
圧縮木材の各片は、少なくとも５対２の比で圧縮されている、請求項１１０に記載の積層体。
【請求項１１７】
圧縮木材の各片は、約５対１の比で圧縮されている、請求項１１６に記載の積層体。
【請求項１１８】
圧縮木材の各片は、前記片を形成するために使用される天然木材よりも少ないリグニンを含む、請求項１１０に記載の積層体。
【請求項１１９】
圧縮木材の各片は、天然木材中のリグニンの５％〜９５％を含む、請求項１１８に記載の積層体。
【請求項１２０】
前記圧縮木材片は、５％〜１６％のリグニンを含む、請求項１１９に記載の積層体。
【請求項１２１】
圧縮木材の各片は、前記木材片を形成するために使用される天然木材と比較して、増加した引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度係数、衝撃靭性、圧縮強度および／または弾性剛性を有する、請求項１１０記載の積層体。
【請求項１２２】
圧縮木材の各片は、フラットシート、ブロック、スティック、ストリップ、中空形状、膜、厚さ２００μｍ未満の薄膜、木材チップ、または木材フレークとして形成される、請求項１１０に記載の積層体。
【請求項１２３】
圧縮木材の各片は、少なくとも３００ＭＰａ  ｃｍ３／ｇの比引張強度を有する、請求項１１０に記載の積層体。
【請求項１２４】
請求項１〜４９のいずれか一項に記載の構造、
請求項１０１〜１０８のいずれか一項に記載の構造、
請求項１０９〜１２３のいずれか一項に記載の積層体、または
請求項５０〜１００のいずれか一項に記載の方法によって形成された構造と、
を含む、材料。
【請求項１２５】
前記材料は、自動車、列車、トラック、飛行機、ボート、船舶、または任意の他の輸送手段、車両、若しくは輸送機関の内部コンポーネントまたは外部コンポーネントとして形成される、請求項１２４に記載の材料。
【請求項１２６】
前記材料は、コンテナ、ボックス、または輸送用木枠の一部を形成する、請求項１２４に記載の材料。
【請求項１２７】
前記材料は、倉庫、工場、オフィスビル、納屋、家、または任意の他の建物若しくは構造物の内部コンポーネントまたは外部コンポーネントとして形成される、請求項１２４に記載の材料。
【請求項１２８】
前記材料は、ディスプレイ、装飾、窓枠、額縁、ドア若しくはドア枠、テーブル、机、椅子、キャビネット、ワードローブ、ベッド、または家具若しくはホームアクセントの任意の他の一部を形成する、請求項１２４に記載の材料。
【請求項１２９】
前記材料は、橋、ドック、デッキ、またはプラットフォームの一部を形成する、請求項１２４に記載の材料。
【請求項１３０】
前記材料は、楽器の一部を形成する、請求項１２４記載の材料。
【請求項１３１】
前記材料は、保護カバー、爆風シールド、または他の保護デバイスの一部を形成する、請求項１２４に記載の材料。
【請求項１３２】
前記材料は、道具、運動器具、またはスポーツ用品の一部を形成する、請求項１２４に記載の材料。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年４月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／４８３８２８号および２０１８年２月７日に出願された米国仮特許出願第６２／６２７６００号の利益を主張しており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般に天然木材構造に関し、より具体的には、強度および靭性を向上させるための天然木材の化学処理およびプレス加工、並びにそのような強くて丈夫な木材を組み込んだ構造およびデバイスに関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
開示された主題の実施形態は、セルロース系の天然木材にリグニンを部分的に除去する化学処理を施すことにより形成される強くて丈夫な木材構造を提供する。処理された木材は、細胞壁のセルロースナノファイバーが整列した、天然木材の内腔を保持する。次に、処理された木材は、内腔が崩壊し、木材内の残留流体が除去されるように、内腔が延在する方向と交差する（即ち、内腔が延在する方向に垂直な力成分を有する）方向にプレスされる。その結果、細胞壁が絡み合い、隣接するセルロースナノファイバー間に水素結合が形成される故に、他の機械的特性の中でも木材の強度および靭性が向上する。プレスされ化学処理された木材を更に修正、操作、または機械加工することにより、様々な構造用途に適合させることができる。
【０００４】
１つ以上の実施形態において、構造は、セルロース系の内腔の構造を実質的に維持しながらリグニンを部分的に除去するように化学処理され、かつ、内腔が少なくとも部分的に崩壊するように、内腔の延在方向と交差する第１の方向に更にプレスされた、第１の天然木材片を含む。
【０００５】
１つ以上の実施形態において、方法は、第１の方向に延在する、セルロース系の内腔の構造を実質的に維持しながら、リグニンを部分的に除去するように天然木材片を化学溶液で処理するステップを含む。この方法は、処理後に、内腔が少なくとも部分的に崩壊するように、化学処理された木材片を第１の方向と交差する第２の方向に第１の時間にわたりプレスするステップも含むことができる。
【０００６】
１つ以上の実施形態において、構造は、断面図において、内腔の細胞壁間に隙間を有することなく、内腔が完全に崩壊している圧縮木材片を含む。
【０００７】
１つ以上の実施形態において、積層体は、複数の圧縮木材片を含む。各ピースは、断面図において、少なくとも部分的に崩壊した内腔を有することができる。内腔は、それぞれの延在方向に延在している。圧縮木材片のうちの少なくとも一部の延在方向は、互いに交差し得る。積層体内の複数の圧縮木材片は、一緒に結合することができる。
【０００８】
開示された主題の実施形態の目的および利点は、添付の図面と併せて、以下の説明から明らかになるであろう。
【０００９】
必ずしも縮尺通りに描かれているとは限らない添付図面を参照して、実施形態を以下に説明する。該当する場合、一部の要素は、基礎となる機能の図解および説明を支援するために、簡略化されるか、さもなければ図示されない場合がある。図面を通して、同様の参照番号は同様の要素を示すものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】開示された主題の１つ以上の実施形態による、強くて丈夫な木材ベースの構造を製造するための例示的なプロセスフロー図である。
【図２Ａ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、リグニンを部分的に除去するために化学処理を施された天然木材片の簡略化された概略図である。
【図２Ｂ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレス後の図２Ａの化学処理された木材の簡略化された概略図である。
【図３】図３Ａは、リグニンを除去していない天然木材片の簡略図である。図３Ｂは、プレス後の図３Ａの天然木材の簡略図である。図３Ｃは、リグニンを除去していない天然木材の、樹木の成長方向に垂直な方向への断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図３Ｄは、リグニンを除去していない天然木材の、樹木の成長方向に平行な方向への、長手方向断面のＳＥＭ画像である。図３Ｅは、プレス後の天然木材の、樹木の成長方向に垂直な方向への断面のＳＥＭ画像である。図３Ｆは、プレス後の天然木材の、樹木の成長方向に平行な方向への、長手方向断面のＳＥＭ画像である。
【図４】図４Ａは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、リグニンを部分的に除去するために化学処理を施された天然木材片の簡略図である。図４Ｂは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレス後の図４Ａの化学処理された木材の簡略図である。図４Ｃは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレス後の化学処理された木材の、樹木の成長方向に垂直な方向への断面のＳＥＭ画像である。図４Ｄは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレス後の化学処理された木材の、樹木の成長方向に平行な方向への、長手方向断面のＳＥＭ画像である。図４Ｅは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、図４Ｄの領域４１０の拡大ＳＥＭ画像である。図４Ｆは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレス後の化学処理された木材の絡み合った細胞壁のセルロースナノファイバー間の水素結合を示す概略図である。
【図５】図５Ａは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、リグニン含有量の関数としての、プレスされ、化学処理された木材について得られた密度値のグラフである。図５Ｂは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、異なるリグニン含有量に対する、プレスされ、化学処理された木材の応力−歪み曲線のグラフである。図５Ｃは、全てのリグニンを除去する化学処理後のプレスされた木材の、樹木の成長方向に平行な方向への、長手方向断面のＳＥＭ画像である。
【図６】図６Ａは、開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレスされ、化学処理された木材のコーティングされたピースの簡略図である。図６Ｂは、様々な構造材料の、最大使用温度と引張強度とのグラフである。
【図７Ａ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、その表面を複数のナノ粒子で化学処理された木材の簡略図である。
【図７Ｂ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレス後の図７Ｃの木材の簡略図である。
【図７Ｃ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレス前の、ナノ粒子で化学処理された木材の内腔の内面のＳＥＭ画像である。
【図７Ｄ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、図７Ｃの領域７２０の拡大ＳＥＭ画像である。
【図８Ａ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、強くて丈夫な木材を形成するための例示的なプロセスの簡略化された概略図である。
【図８Ｂ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、回転切断を使用して強くて丈夫な木材を形成するための例示的なプロセスの簡略化された概略図である。
【図８Ｃ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、天然木材の中空円筒から強くて丈夫な木材を形成するための例示的なプロセスの簡略化された概略図である。
【図８Ｄ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、天然木材の中実円筒から強くて丈夫な木材を形成するための例示的なプロセスの簡略化された概略図である。
【図８Ｅ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、天然木材の中実円筒から強くて丈夫な木材を形成するための別の例示的なプロセスの簡略化された概略図である。
【図９Ａ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレスされ、化学処理された木材を湾曲するための機構の簡略化された概略図である。
【図９Ｂ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレスされ、化学処理された木材の例示的な湾曲片の画像である。
【図９Ｃ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレスされ、化学処理された木材の別の例示的な湾曲片の簡略化された概略図である。
【図９Ｄ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレスされ、化学処理された木材を機械加工するための機構の簡略化された概略図である。
【図９Ｅ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、プレスされ、化学処理された木材の例示的な機械加工片の画像である。
【図１０Ａ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、強くて丈夫な木材から積層構造を製造するための例示的なプロセスフロー図である。
【図１０Ｂ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、強くて丈夫な木材から積層構造を製造するための別の例示的なプロセスフロー図である。
【図１１Ａ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、積層構造を形成するための化学処理された木材片の配置の簡略図である。
【図１１Ｂ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、図１１Ａの木材片によって形成された積層構造の簡略図である。
【図１１Ｃ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、図１１Ｂの化学処理された木材片で形成された多層積層構造の簡略図である。
【図１１Ｄ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、積層構造を形成するための化学処理された木材片の別の配置の簡略図である。
【図１１Ｅ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、図１１Ｄの木材片によって形成される積層構造の簡略図である。
【図１１Ｆ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、図１１Ｅの化学処理された木材片から形成される多層積層構造の簡略図である。
【図１２Ａ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、木材チップから強くて丈夫な木材積層体を製造するための例示的なプロセスの簡略化された概略図である。
【図１２Ｂ】開示された主題の１つ以上の実施形態による、木材チップおよび木材シートから強くて丈夫な木材積層体を製造するための例示的なプロセスの簡略化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
天然木材は、リグニン（２０重量％〜３５重量％）とヘミセルロース（２０重量％〜３０重量％）とのマトリックスに埋め込まれたセルロースナノファイバーの複合材料である。木材の主要成分であるセルロース（４０重量％〜５０重量％）は、ほとんどの金属、複合材料、および多くのセラミックよりも高い比弾性率および比強度を有する。天然木材はまた、図３Ａに示されるように、木材の成長方向３０６に延在する内腔３０２（例えば、断面寸法が２０〜８０μｍの管状チャネル）を含む、複数のチャネルを備えた独特の３次元多孔質構造３００を有する。天然木材３００の細胞壁３０４は、主に、セルロース、ヘミセルロース、およびリグニンから構成され、図３Ｃおよび図３ＤのＳＥＭ画像に示すように、この３つの成分が互いに絡み合って、強くて堅い壁構造を形成する。
【００１２】
開示された主題の実施形態では、天然木材に化学処理を施す。化学処理により、天然木材中のリグニンおよびヘミセルロースの含有量が大幅に減少するが、セルロースの含有量は僅かに減少するだけである。細胞壁３０４からリグニン／ヘミセルロースを部分的に除去することにより、木材はより多孔質になり、剛性が低くなる。化学処理の後、木材は、セルロース系の構造が延在する方向（即ち、樹木が成長し、天然木材の内腔が延在する方向）に垂直な方向にプレスされる。プレスされ、化学処理された木材（即ち、圧縮木材）は、処理およびプレス前の天然木材と比較して、少なくとも強度および靭性の向上がもたらされ得る。更に、ハイブリッド構造を形成するために、プレス前またはプレス後のいずれかに、木材に更なる材料を追加することができる。追加される材料は、化学処理およびプレス後の圧縮木材によって提供される機械的性能の向上を享受しつつ、例えば、疎水性または耐火性を提供することにより、天然木材では利用できない機能性を追加することができる。
【００１３】
本明細書で使用する場合、圧縮木材とは、本明細書に記載の化学処理およびプレス処理を施された天然木材（または竹等のその他の天然繊維植物）を指し、この化学処理によりリグニンおよびヘミセルロースを部分的に除去し、また、このプレス処理により化学処理された木材の内腔を少なくとも部分的に崩壊（好ましくは完全に崩壊）させることによって木材の機械的特性を向上させる。ピース（片）および構造という用語は、本明細書では互換的に使用されており、特定のシート、スティック、ストリップ、バー、ブロック、膜、フィルム、または任意の他の形状を指す。実際、場合によっては、プレスされ、化学処理された、内腔が崩壊した木材構造は、単に圧縮木材または強い木材とも呼ばれる。いくつかの実施形態では、圧縮木材フィルムは、薄い、即ち、厚さ方向に垂直な平面のいずれかの寸法よりも小さい厚さを有する、例えば、プレス後の厚さが２００μｍ未満であると考えられ得る。
【００１４】
最初に図１を参照すると、圧縮木材を形成および使用するための一般化されたプロセス１００が示されている。プロセス１００は１０２で開始することができ、ここでは、例えば、既存の木（または他の植物）または天然木材のブロックから切断することにより、天然木材片が供給される。例えば、図３Ａは、長方形に切断された天然木材片３００を示すが、限定されないが円筒形または中空円筒形等の他の開始形状も可能である。天然木材３００は、樹木の成長方向３０６に沿って延在する内腔３０２を有する独特の３次元構造を示す。内腔３０２は、主にセルロースからなる細胞壁３０４によって境界付けられている。図３Ｃおよび図３Ｅは、天然木材３００の形態および微細構造を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【００１５】
天然木材には、バスウッド、オーク、ポプラ、アッシュ、ハンノキ、ヤマナラシ、バルサ材、ブナ、カバノキ、チェリー、バターナット、栗、ココボロ、ニレ、ヒッコリー、メープル、オーク、パダウク、プラム、ウォルナット、ヤナギ、イエローポプラ、ラクウショウ、杉、ヒノキ、ベイマツ、モミ、ベイツガ、カラマツ、松、セコイア、トウヒ、タマラック、ジュニパー、およびイチイ等、あらゆる種類の硬材または軟材を使用することができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、天然木材は、竹等の木材以外の天然の繊維状植物であり得る。
【００１６】
切断１０２の後、プロセス１００は１０４に進み、ここで、リグニンを部分的に（しかしながら完全にではなく）除去するために、天然木材片３００を化学溶液で処理することができる。処理１０４は、化学溶液が天然木材の細胞壁および内腔に完全に浸透することを促進するために、真空下で実行することができる。処理は、天然木材のセルロースの少なくとも一部を保持しながら、元の天然木材のリグニンの１％〜９９％（重量パーセント）が除去されるようにすることができる。例えば、化学処理後、天然木材のリグニンの５％〜９５％が除去される一方で、天然木材から少なくとも２０％、少なくとも４０％、少なくとも６０％、または少なくとも９０％（重量パーセント）のセルロースが保持される。いくつかの実施形態では、天然木材中のリグニンの２３％〜６０％である。例えば、化学処理後に、天然木材のリグニンの５５％を保持する（即ち、４５％を除去する）ことができる。
【００１７】
化学溶液は、パルプ化またはパルプ漂白で使用される化学物質を含むことができ、ＮａＯＨ、ＮａＯＨ／Ｎａ２Ｓ、ＮａＨＳＯ３＋ＳＯ２＋Ｈ２Ｏ、ＮａＨＳＯ３、ＮａＨＳＯ３＋Ｎａ２ＳＯ３、ＮａＯＨ＋Ｎａ２ＳＯ３、Ｎａ２ＳＯ３、ＮａＯＨ＋ＡＱ、ＮａＯＨ／Ｎａ２Ｓ＋ＡＱ、ＮａＨＳＯ３＋ＳＯ２＋Ｈ２Ｏ＋ＡＱ、ＮａＯＨ＋Ｎａ２ＳＯ３＋ＡＱ、ＮａＨＳＯ３＋ＡＱ、ＮａＨＳＯ３＋Ｎａ２ＳＯ３＋ＡＱ、Ｎａ２ＳＯ３＋ＡＱ、ＮａＯＨ＋Ｎａ２Ｓ＋Ｎａ２Ｓｎ、Ｎａ２ＳＯ３＋ＮａＯＨ＋ＣＨ３ＯＨ＋ＡＱ、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋ＮａＯＨ、Ｃ４Ｈ９ＯＨ、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＣＨ３ＯＨ＋ＨＣＯＯＨ、Ｃ４Ｈ８Ｏ２、ＮＨ３．Ｈ２Ｏ、ｐ−ＴｓＯＨ、Ｈ２Ｏ２、ＮａＣｌＯ、ＮａＣｌＯ２＋酢酸、ＣｌＯ２、およびＣｌ２（整数のｎおよびＡＱはアントラキノン）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００１８】
１０６では、天然木材から十分なリグニンが除去されたか否かが判断される。上記のように、リグニンの１％〜９９％が除去されるが、最終的な量は特定の用途向けの圧縮木材の望ましい機械的特性に依存する。除去されるリグニンの量は浸漬時間に依存するが、浸漬時間は僅か０．１時間〜７２時間以上、例えば０．５時間〜１時間の範囲であり得る。リグニン除去の望ましい量に応じて、浸漬時間の調整に加えて、または浸漬時間の調整の代わりに、化学溶液の温度も調整することができる。いくつかの実施形態では、化学溶液は沸騰していてもよく、これは非沸騰溶液と比較して、より多量のリグニンに影響し得る。いくつかの実施形態では、化学溶液はアルカリ性のｐＨ値を有し得る。例えば、化学溶液は、２．５Ｍ  ＮａＯＨおよび０．４Ｍ  Ｎａ２ＳＯ３の沸騰溶液であり、浸漬時間は０．５〜７時間であり得る。
【００１９】
１０４の処理によって十分なリグニンが除去されると、プロセス１００は、処理された木材片を任意に濯ぐステップに進むことができる。濯ぎは、限定されないが、脱イオン（ＤＩ）水等の溶媒に処理された木材片を浸漬するステップを含むことができる。いくつかの実施形態では、溶媒は沸騰のような高温であってもよい。濯ぎは、処理された木材片および／または処理により除去された木材の成分内の化学溶液の残りを除去するのに効果的であり得る。いくつかの実施形態では、木材の除去される成分を保持することが望ましい場合があり、その場合には濯ぎは省略可能である。
【００２０】
濯いだ後（または濯ぎがない場合には処理１０４の終了後）、プロセス１００は任意に１０８に進むことができ、そこで化学処理された木材はプリプレス修正を施される。例えば、任意の修正１０８は、化学処理された木材の表面上に非天然粒子を形成するまたは堆積させるステップを含むことができる。そのような表面は、内面、例えば、内腔の内側の細胞壁と、化学処理された木材の外面とを含むことができる。化学処理された木材の表面に組み込まれた非天然粒子は、他の機能の中でも、疎水性、耐候性、耐食性（例えば、耐塩水性等）、および／または難燃性等の、特定の有利な特性を最終的な圧縮木材に含めることができる。例えば、一実施形態では、疎水性ナノ粒子（例えば、ＳｉＯ２ナノ粒子）は、図７Ａ〜図７Ｅに関して以下で更に説明されるように、化学処理された木材の表面上に形成され得る。
【００２１】
代替的または付加的に、任意の修正１０８は、化学処理された木材にポリマーを追加するステップ、または化学処理された木材の表面を修正して有利な特性を得る更なる化学処理を実行するステップを含むことができる。例えば、疎水性を提供するための１０８の更なる化学処理には、エポキシ樹脂、シリコーンオイル、ポリウレタン、パラフィンエマルジョン、無水酢酸、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン、フルオロエシン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、メタクリルオキシメチルトリメチルシラン（ＭＳｉ）、多面体オリゴマーシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）、カリウムメチルシリコネート（ＰＭＳ）、ドデシル（トリメトキシ）シラン（ＤＴＭＳ）、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルジエトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、ポリメチルメタクリレート、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（ｐｏｌｙＤＡＤＭＡＣ）、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＭＰＳ、疎水性ステアリン酸、両親媒性フッ素化トリブロックアジドコポリマー、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化シラン、ｎ−ドデシルトリメトキシシラン、並びにラウリル硫酸ナトリウムのうちの少なくとも１つが含まれる。
【００２２】
例えば、耐候性または耐食性を提供するための１０８の更なる化学処理には、ＣＤＤＣ（cupramate）、アンモニア銅第４級（ＡＣＱ）、クロム化ヒ酸銅（ＣＣＡ）、アンモニア性銅亜鉛ヒ酸（ＡＣＺＡ）、ナフテン酸銅、酸性クロム酸銅、クエン酸銅、銅アゾール、８−ヒドロキシキノリン銅、ペンタクロロフェノール、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸銅、クレオソート、二酸化チタン、プロピコナゾール、テブコナゾール、シプロコナゾール、ホウ酸、ホウ砂、有機ヨウ化物（ＩＰＢＣ）、およびＮａ２Ｂ８Ｏ１３・４Ｈ２Ｏのうちの少なくとも１つが含まれる。
【００２３】
任意の修正１０８の後、プロセス１００は１１０に進むことができ、そこで、化学処理された木材は、内腔の延材方向と交差する方向にプレスされる。例えば、プレス１１０は、内腔の延材方向にほぼ垂直な方向に施されるか、または、プレス１１０は、内腔の延材方向に垂直な力成分を有し得る。プレス１１０は、木材の厚さを減少させることができ、それによって、木材の密度を増加させるとともに、木材の断面内の空隙または隙間を除去することができる。例えば、プレス１１０は、０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの圧力、例えば、５ＭＰａで実施することができる。いくつかの実施形態では、プレスは室温で実行されてもよい一方（即ち、コールドプレス）、他の実施形態では、プレスは高温で実行されてもよい（即ち、ホットプレス）。例えば、プレスは、２０℃〜１２０℃の温度、例えば１００℃で実行されてもよい。
【００２４】
プレス１１０は、処理１０４および／または任意の修正１０８の後に、中間の乾燥ステップなしで実行されてもよい。結果として、化学処理された木材はその中に水を保持している場合がある。従って、プレス１１０により、化学処理された木材に保持されている水分を除去するとともに、木材の厚さを減少させて木材の密度を高めることができる。プレス１１０の間、木材の細胞壁の残りのセルロース系のナノファイバー間に水素結合が形成され、それにより木材の機械的特性が改善される。更に、変更１０８の間に木材の表面上または木材内に形成される粒子または材料は、プレス後も保持することができ、内面上の粒子／材料は崩壊した内腔と、絡み合った細胞壁内とに埋め込まれる。
【００２５】
プレス１１０は、水が除去され、かつ望ましい水素結合が形成されるのを可能にする期間にわたり実行することができる。例えば、化学処理された木材は、温度、相対湿度、および木材の種類等の要因に応じて他の時間でも可能だが、少なくとも５分間、圧力下で保持することができる。例えば、化学処理された木材は、少なくとも１時間、少なくとも１２時間、少なくとも２４時間、または少なくとも４８時間、圧力下で保持することができる。
【００２６】
図２Ａは、方向２０６に沿って延材する内腔２０２と、方向２０６に沿って整列したセルロース系のナノファイバーからなる壁２０４とを有する、化学処理された木材ブロック２００を示す。ブロック２００は、延在方向２０６と交差する方向にプレス２０８を受けることができ、それによって、図２Ｂの圧縮木材構造２１０がもたらされる。プレスの結果として、２１２で示されるように、内腔２０２を完全に崩壊させることができ、細胞壁２０４を絡み合わせることができる。プレスは、プレス後のブロック２１０の厚さＷ２がブロック２００のＷ１と比較して少なくとも１０％減少するようにすることができる。例えば、厚さＷ２は、ブロック２００のＷ１と比較して６０％、７０％、または８０％より多く減少し得る。例えば、プレスは、圧縮比（Ｗ１：Ｗ２）が１．１：１〜１０：１になり得る。
【００２７】
プレス１１０後、プロセスは任意に１１２に進むことができ、ここで、圧縮木材は、ポストプレス修正を施される。例えば、任意の修正１１２は、圧縮木材の外面上に（例えば、非天然粒子の）コーティングを形成するまたは堆積するステップを含むことができる。コーティングは、他の特性の中でも、疎水性、耐候性、耐腐食性（例えば、耐塩水性）、および／または難燃性等の特定の有利な特性を圧縮木材に含めることができる。例えば、コーティングは、油性塗料、疎水性塗料、ポリマーコーティング、または耐火性コーティングを含むことができる。
【００２８】
一実施形態において、ナノ粒子（例えば、ＢＮナノ粒子）の耐火性コーティングは、図６Ａ〜図６Ｂに関して以下で更に説明するように、圧縮木材の外面上に形成することができる。代替的または付加的に、修正１１２のコーティングは、窒化ホウ素、モンモリロナイト粘土、ハイドロタルサイト、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ケイ酸ナトリウム、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）、水酸化マグネシウム、（Ｍｇ（ＯＨ）２）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ホウ酸亜鉛、ホウ酸、ホウ砂、リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）、メラミン、ポリウレタン、ポリリン酸アンモニウム、リン酸、リン酸エステル、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、ホスホン酸、リン酸二アンモニウム（ＤＡＰ）、リン酸二水素アンモニウム、リン酸一アンモニウム（ＭＡＰ）、リン酸グアニル尿素（ＧＵＰ）、リン酸二水素グアニジン、および五酸化アンチモンのうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２９】
任意の修正１１２の後、プロセス１００は、任意に１１４に進むことができ、そこで、例えば、圧縮木材の構造または形状を変更するために機械加工または操作することにより、圧縮木材を最終用途に備えることができる。機械加工プロセスには、切断（例えば、切削）、穴あけ、施盤加工、タッピング、ボーリング、カービング、ルーティング、サンディング、研削、および研磨タンブリングが含まれ得るが、これらに限定されない。操作プロセスには、曲げ、成形、およびその他の成形技術が含まれるが、これらに限定されない。
【００３０】
任意の機械加工または操作１１４の後、プロセス１００は１１６に進むことができ、そこで、圧縮木材を特定の用途に使用することができる。機械的特性が改善されている故に、圧縮木材は、様々な構造および用途に応用可能である。例えば、圧縮木材は次のように適応可能である。
・外部コンポーネント（例えば、ボディパネル、ドアパネル、ルーフ、バンパー、フローリング、ルーフ、トリム、マスト等）、内部構造コンポーネント（例えば、シャーシ、フレームレール、クロスビーム、胴体フレーム、ウィングフレーム等）、または自動車、トラック、オートバイ、列車、航空機、船舶、宇宙船、船舶またはその他の輸送手段、車両、または輸送機関の内部コンポーネント（例えば、ドアパネル、ライナー、ハンドル、手すり、フローリング、シート、トリム、収納箱または棚等）；
・外部コンポーネント（例えば、外壁、羽目板、屋根、シャッター等）、内部構造コンポーネント（例えば、フレーム、スタッド、壁板、まぐさ、横桁、耐力梁、床下等）、または家庭、オフィス、納屋、倉庫、タワー、またはその他の建物または構造の内部コンポーネント（ドア、ドアフレーム、窓枠、額縁、壁、フローリング、パネル、天井、トリム、階段、手すり等）；
・デッキ、オーニング、ドック、パティオ、ブリッジ、ポール、ブリーチャー、またはプラットフォームの構造コンポーネント；
・家具（例えば、椅子、ベンチ、机、テーブル、キャビネット、ワードローブ、カウンタートップ等）またはその内部構造コンポーネント（例えば、ソファまたは椅子のフレーム、ベッドフレーム等）、またはホームアクセントあるいは装飾；
・楽器（例えば、ピアノ、ギター、バイオリン、ハープ、ツィター、ドラム等）、スポーツ用品（例えば、ゴルフクラブ、卓球台およびパドル、バスケットボールのバックボード、ゴールまたはゴールポスト、野球のバット等）、ツール（例えば、ハンマーのハンドル、ほうきのハンドル、ノコギリ等）；または
・保護コンポーネント（例えば、コンピュータケース、携帯電話ケース、ブラストシールド、保護ベスト等）、エンクロージャ、コンテナ、ボックス、輸送用木枠、包装、またはハウジング。
【００３１】
圧縮木材の上記の使用リストは、網羅的なものではない。１つ以上の考えられる実施形態によれば、具体的に列挙された用途を超える圧縮木材の適用も可能である。実際、本開示の教示に基づいて、圧縮木材を他の用途に適合させることができることを当業者は容易に理解するであろう。
【００３２】
従来の圧縮プロセスでは、リグニンを除去することなく天然木材３００をプレスする。多くの場合、木材の前処理（例えば、蒸気、熱、またはアンモニアへの曝露、または冷間圧延等）が必要である。これらの前処理は木材の構造を柔らかくすることができるが、天然木材の基本的な組成を変えることはない。図３Ｂに示される、結果的に得られるプレスされた木材３０８は、元の天然木材と比較して、厚さの減少量（即ち、方向３１２に沿った）が制限されている。例えば、従来の圧縮プロセスは、厚さの約６０％の減少に制限されている。リグニンを除去しない場合、天然木材３００をプレスして、内腔３０２を完全に崩壊させ、断面から他の空隙を除去することは困難である。更に、プレスされた木材３０８の厚さの部分的な回復がプレス後に生じ得る。従って、リグニンを除去しない従来の圧縮木材３０８は、図３Ｂおよび図３Ｅ〜図３ＦのＳＥＭ画像に示すように、崩壊した細胞壁３０４間の多数の隙間３１０に悩まされる。
【００３３】
対照的に、開示された主題の実施形態によれば、部分的にリグニンを除去した圧縮木材は、天然木材の内腔を完全に崩壊させ、細胞壁間の空間を除去し、細胞壁が互いに密接に絡み合った独特の積層構造をもたらすことができ、これにより優れた機械的特性がもたらされ得る。例えば、リグニンを部分的に除去するように化学処理された木材２００をプレスすることにより、図４Ｂに示されるように、木材内腔２０２および多孔質細胞壁２０４は完全に崩壊する。リグニンの部分的な除去により、プレスは厚さの大幅な減少、例えば、厚さを少なくとも５：２だけ減少（例えば、７０％〜８０％減少）させ、かつ密度を増加（例えば、約３倍増加）させることができる。
【００３４】
図４Ｃ〜図４ＤのＳＥＭ画像に示されるように、以前に中空であった内腔２０２は完全に崩壊して、高度に絡み合った木材細胞壁を形成する。木材細胞壁２０４における小さな穴でさえ、圧縮により除去される。圧縮木材２１０は、その断面に沿って密に絡み合い、その長さ方向（即ち、方向２０６）に沿って密に詰まっている、完全に崩壊した木材細胞壁を有する独特の微細構造を有する。更に、図４Ｅに示すように、細胞壁２０４のセルロースナノファイバー２１４は、天然木材と同様であるが、はるかに密に詰まっている（例えば、方向２０６に沿って）高度に整列した状態を維持する。
【００３５】
化学処理およびその後のプレスにより、図４に示すように、隣接するセルロースナノファイバー２１４間に水素結合２１６が形成される。これらの水素結合２１６は、圧縮木材の機械的特性の向上に積極的に貢献し得る。特に、圧縮木材２１０における密に詰まって絡み合ったマイクロスケールの木材細胞壁２０４は、セルロースナノファイバー２１４の高度な整列をもたらし、従ってナノファイバー２１４間の界面面積を劇的に増加させる。
【００３６】
セルロース分子鎖における豊富なヒドロキシル基により、密に詰まった木材細胞壁２０４の間の相対的な摺動は、分子スケールでの水素結合形成−破壊−再形成を非常に多く繰り返す。その結果、圧縮木材を破壊するのに必要な総エネルギーは、天然木材を破壊するよりも著しく高くなる。換言すると、圧縮木材は天然木材よりもはるかに強靭である。また、密集した微細構造により、圧縮木材の欠陥の量およびサイズの両方が大幅に減少され、従って、天然木材よりもはるかに高い強度が得られる。天然木材および圧縮木材（例えば、リグニン除去率４５％のバスウッド等）の機械的特性の例示的な値を以下の表１に示す。
【００３７】
圧縮木材の機械的特性は、天然木材の特性よりも優れているだけでなく、多くの広く使用されている構造材料（例えば、プラスチック、スチール、および合金等）の特性をよりも優れている。実際、圧縮木材の実証された引張強度は、リグニンを除去しない従来の圧縮木材と同様に、通常のプラスチック（例えば、ナイロン６、ポリカーボネート、ポリスチレン、およびエポキシ等）の引張強度よりもはるかに高い。興味深いことに、圧縮木材の引張強度の著しい増加は、靭性の低下の影響を受けない。セルロースの本質的な軽量性は、少なくとも３００ＭＰａ  ｃｍ３／ｇ、例えば、約４５０ＭＰａ  ｃｍ３／ｇの圧縮木材の比強度をもたらし、その比強度はチタン合金の比強度（例えば、約２４４ＭＰａ  ｃｍ３／ｇ）を超える。
【００３８】
【表１】
2020516497.tif 000003
【００３９】
表２は、天然木材、ホットプレスなしの脱リグニン木材（サンプル１）、脱リグニンなしの圧縮天然木材（サンプル２）、および圧縮木材（脱リグニン後プレス−サンプル３）の軸方向圧縮強度（内腔の延在方向に沿った）を比較している。明白であるように、リグニンの少なくとも部分的な除去は、内腔を完全に崩壊させ、細胞壁を絡み合わせるために必要であり、これにより、結果的に得られる圧縮木材は優れた強度および靭性を達成できる。
【００４０】
【表２】
2020516497.tif 000004
【００４１】
しかしながら、結果的に得られた圧縮木材の機械的特性は、プレス前に天然木材からどれだけのリグニンが除去されたかに依存する。表３のデータに反映されているように、リグニンの除去量は、化学溶液内の時間の関数であり得る。図５Ｂは、異なるレベルでリグニン除去された圧縮木材サンプルと、プレスしていない天然木材サンプルとの応力−歪み曲線を示す。表３は、様々なレベルにリグニン除去された圧縮木材サンプルと、プレスしていない天然木材サンプルとの組成および機械的特性を示している。表３と同様に、図５Ａ〜図５Ｂにおいて、ＮＷはプレスしていない天然木材を指し、ＤＷ−ｘはリグニンの除去率を示すｘを有する圧縮木材を指す。データから容易に明らかなように、４５％リグニン除去（例えばリグニン含有量１１．３重量％）の圧縮木材は、バスウッドについては最高の強度および靭性を有するが、他の除去量が他の種類の木材または異なる用途に最適な場合もある。
【００４２】
【表３】
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【００４３】
結果的に得られた圧縮木材の密度も、図５Ａのグラフに反映されているように、除去されたリグニンの量の関数である。リグニン除去率が４５％未満の場合、結果的に得られる圧縮木材の密度は、リグニン除去率と共に高くなる。これは、少なくとも３つの要因に起因し得る。第一に、リグニンがより多く除去されるにつれて、細胞壁により多くの細孔が形成される。第二に、化学処理された木材の細胞壁は、化学溶液中での時間の増加とともに柔らかくなり、その時間の増加は、リグニン除去の望ましい増加をもたらすために必要である。第三に、化学処理後の構造は、結合剤として少なくともいくらかのリグニンを保持するため、崩壊しない。しかしながら、リグニンを過剰に除去した場合（例えば、リグニンの約１００％が除去された場合）、図５ＣのＳＥＭ画像に示されるように、圧力下で木材構造が容易に崩壊し、従ってプレスすることによって構造の密度を高める能力が阻害される。
【００４４】
【表４】
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【００４５】
特定の種類の木材の結果が本明細書で議論され、表１〜表３および図５Ａ〜図５Ｂに示されているが、他の種類の木材または他の植物（例えば、竹）についても同様の結果を得ることができる。例えば、表４は、様々な種類の天然木材と圧縮木材（リグニンを部分的に除去）との機械的特性の例示的な値を示している。従って、本開示の教示は、多種多様な植物種に適用可能である。
【００４６】
圧縮木材は、湿気による攻撃の下でも安定している。例えば、９５％の相対湿度（ＲＨ）に１２８時間曝された場合、圧縮木材は厚さが約８．４％膨張し、４９３．１ＭＰａまで引張強度が僅かに低下するが（例えば、２０％未満）、これは周囲環境における天然木材の引張強度よりも未だに一桁大きい。
【００４７】
環境要因からの圧縮木材の特性の更なる保護または新しい特性の導入は、ポストプレス修正１１２によって提供することができる。例えば、圧縮木材は、油性塗料、疎水性塗料、またはポリマーコーティングでコーティングすることにより、環境水分から実質的に免れることができる。別の例では、圧縮木材６０２は、図６Ａに示されるように、その外面６０８上に形成された耐熱コーティング６０４を有し得る。そのようなコーティング６０４は、複合構造６００が表面６０８に沿って熱６０６を伝導することを可能にし、それによって複合構造（即ち、圧縮木材６０２）の内部の温度上昇を最小化または少なくとも低減する。
【００４８】
コーティング６０４は、難燃性コーティングとして機能し得る。一実施形態では、難燃性コーティング６０４は、ＢＮナノシート（例えば、圧縮木材６０２の表面に結合されたナノ粒子の層）等の窒化ホウ素（ＢＮ）コーティングであってもよい。そのような複合構造６００は、コーティングされていない圧縮木材２００（図６Ｂの６１４）または他の従来の構造材料と比較して、少なくとも引張強度および最大使用温度（図６Ｂの６１２）に関して優れた性能を享受することができる。圧縮木材の臨界温度は、単一のポイント６１２として示されているが、６００ＭＰａの引張強度で３００℃〜５００℃の範囲にあり得る。別の実施形態では、難燃性コーティングはモンモリロナイト粘土を含む。代替的または付加的に、図１に関して上述したように、例えば、疎水性、耐候性または耐腐食性、耐薬品性、または耐火性を高めるために、処理後に圧縮木材に異なる表面処理を施すことができる。
【００４９】
代替的または付加的に、環境要因からの圧縮木材の特性の保護または新しい特性の導入は、プリプレス修正１０８によって提供することができる。例えば、更なる化学処理により、ナノ粒子またはポリマー等の機能性材料を化学処理された木材に加えることで、耐水性、耐腐食性、耐候性、耐薬品性、耐火性、および／または他の特性を最終的な圧縮木材に含めることができる。
【００５０】
一実施形態では、圧縮木材に超疎水性を提供するために、化学処理された木材の内面および外面にナノ粒子を形成することができる。本明細書で使用する場合、超疎水性とは、１５０°を超える静的水接触角（ＣＡ）および１０°未満の動的ロール角として定義される。このような超疎水性は、湿気条件での構造材料の耐食性を改善し、それによって安定性および耐久性の改善につながる。他の実施形態では、ナノ粒子は、圧縮木材が少なくとも９０°の静的接触角または１０°未満の動的接触角を示すように疎水性を導入してもよい。例えば、ナノ粒子はＳｉＯ２ナノ粒子であり得る。
【００５１】
上記の他の実施形態と同様に、化学処理された木材は、最初にヘミセルロースおよびリグニンを部分的に除去することにより形成され、多孔質細胞壁７０４および内腔７０２が残る。続いて、化学処理された木材７００は、図７Ａに示すように、木材７０６の内面および外面上のナノ粒子７０８のインサイチュ成長を引き起こす更なる化学処理を施される。例えば、化学処理された木材７００は、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）およびヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラデシルトリメトキシシラン（１７Ｆ）の溶液（例えば、１００ｍｌのエタノール中に３ｍｌのＴＥＯＳ、３ｍｌのＮＨ３・Ｈ２Ｏおよび０．０１ｍＬの１７Ｆ）に浸漬することができる。浸漬は、高温（例えば、５０℃）で、長時間（例えば、１０時間）行うことで、ゾルゲル法により修正ＳｉＯ２ナノ粒子を形成することができる。例えば、ナノ粒子の直径は約１００ｎｍである。インサイチュで形成の結果として、ナノ粒子７０８は、図７Ｃ〜図７ＤのＳＥＭ画像に示されるように、木材表面および内腔７０２の内側の両方に均一に分布することができる。
【００５２】
次いで、ＳｉＯ２ナノ粒子７０８で装飾された処理木材７０６を（例えば、１００℃でプレスすることにより）圧縮し、図７Ｂに示す圧縮木材構造７１０を得ることができる。プレスすることにより、チャネル壁７０４間の空間が除去される（またはほぼ完全に除去される）故に、複数の絡み合った層７１２と、個々の層内に整列したセルロースナノファイバーとを有する積層構造がもたらされる。プレスしたにもかかわらず、ＳｉＯ２ナノ粒子は絡み合った層の間で保持される。従って、ＳｉＯ２ナノ粒子のインサイチュ成長と共に、よく保存されたマイクロ／ナノ階層構造により、圧縮木材７１０に超疎水性を付与することができる。例えば、圧縮木材７１０は、木材７１０の表面７１６上に配置された水滴７１４に関して、それぞれ１５９．４oおよび３oの静的および動的接触角を示し得る。ナノ粒子７０８は、酸性／アルカリ性条件に対する耐性も付与することができる。
【００５３】
超疎水性は、圧縮木材に抗膨潤特性も提供し得る。特に、圧縮木材７１０は、２４時間にわたり水に浸漬された場合に非常に僅かな水しか吸収せず、約１．８％という非常に低い膨張効率を示す。これは、圧縮木材７１０が水を強くはじくことを示唆している。対照的に、天然木材は、同じ条件に曝された場合にかなりの膨張を示し、例えば、１１９％の膨張効率を示す。圧縮木材７１０の優れた疎水性は、湿潤状態またはその他の好ましくないあるいは厳しい屋外環境に曝された場合でさえも、木材の寸法安定性および耐腐朽性を著しく向上させることができる。
【００５４】
更に、圧縮木材７１０の木材微細構造内のナノ粒子処理は、処理の耐摩耗性を向上させ得る。実験では、圧縮中にサンドペーパー（１２０メッシュ）を木材の上面および底面（接線部）に配置し、結果として得られた圧縮木材７１０にマイクロメートルサイズの粗さを付与した。圧縮木材上の水の最初の静的および動的接触角は、それぞれ１５９．２°および３°である。１０、２０、３０、および４０回のサンドペーパーによる摩耗サイクルの後、それぞれ１５８．１°／４．５°、１５６．３°／５．９°、１５２．９°／７．７°、および１５０．１°／９°の値が得られた。各サイクルで静的接触角の最小の減少（および動的接触角の最小の増加）のみが生じるため、圧縮木材７１０の疎水性処理が耐摩耗性であることは明白である。圧縮後の層状構造は、十分に分散されたナノＳｉＯ２球体を閉じ込めることにより、ナノ粒子が木材にしっかりと固定され、堅牢な超疎水性が得られる。
【００５５】
ここで図８Ａを参照すると、天然木材８０２から圧縮木材構造を形成するための例示的な製造プロセスが示されている。天然木材８０２は、シート、スティック、ストリップ、バー、ブロック、膜、フィルム、または任意の他の形状の木材であってもよい。天然木材８０２内の内腔は方向８０６に沿って延在し得る。製造プロセスにおける第１のステップ８００は、例えばプロセス１００の１０４に関して上述したように、化学溶液８０４内に天然木材８０２を浸漬して、木材８０２からリグニンを部分的に除去するステップであり得る。化学溶液８０４およびその中に浸漬される木材８０２は、ハウジング８０８内に収容されてもよい。いくつかの実施形態では、ハウジング８０８は真空ハウジングであってもよく、浸漬中に溶液８０４および木材８０２を真空下に維持してもよい。代替的または付加的に、ハウジング８０８またはその中の別のコンポーネントは、溶液８０４を室温より高く加熱することができる。例えば、溶液８０４は、化学処理８００の間に沸騰するまで加熱されてもよい。
【００５６】
処理８００の後、化学処理された木材８１６は、例えば、プロセス１００の１１０に関連して上述したように、延在方向８０６にほぼ垂直な方向、または延在方向８０６と少なくとも交差する方向にプレスするために、ハウジング８０８から圧縮ステーション８１０に搬送されてもよい。例えば、圧縮ステーション８１０は、上部プラテン８１４および下部プラテン８１８を含むことができる。プラテン８１４、８１８間の相対運動により、化学処理された木材８１６に所望の圧縮がもたらされ、圧縮木材が生成される。例えば、上部プラテン８１４は、木材８１６に圧縮力８１２を印加するために、静止状態を維持し、木材８１６を支持する下部プラテン８１８に向けて移動し得る。あるいは、プラテン８１４および８１８の両方が互いに向けて移動して、圧縮力８１２を付与し得る。
【００５７】
いくつかの実施形態では、圧縮中に、木材８１６の温度を室温よりも上げるために、一方または両方のプラテン８１４、８１８を加熱することができる。代替的または付加的に、プラテン８１４、８１８は加熱されなくてもよいが、木材８１６の温度を上昇させるために、別個の加熱機構が設けられてもよく、または圧縮ステーションを含む環境を加熱してもよい。
【００５８】
図８Ｂを参照すると、天然木材８３２から圧縮木材構造を形成するための別の例示的な製造プロセスが示されている。天然木材８３２は、丸太または円筒形の棒の形態であり得、内腔がページに垂直な方向に延在している。第１のステップ８２０は、例えば、ロータリーレーズ８３４を使用して天然木材８３２を切断して、後続の処理のために天然木材の薄い連続層８３６を分離することができる。天然木材層８３６は、製造プロセスの次のステップ８３０、例えば、プロセス１００の１０４に関して上述したように、化学溶液８０４に木材８３６を浸漬するステップのためにハウジング８３８に運ばれて、木材８０２からリグニンを部分的に除去することができる。ハウジング８０８と同様に、ハウジング８３８は、浸漬中に真空を適用するおよび／または加熱するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、ハウジング８３８のサイズ、および天然木材８３２からハウジング８３８を通る層８３６の搬送速度は、化学処理のための所望の浸漬時間に対応し得る。従って、層８３６の一部がハウジング８３８に入ってから、圧縮ステーション８４０のためにハウジング８３８を出るまでの時間は、所望の量のリグニン除去のための浸漬時間に対応するであろう。
【００５９】
処理８３０の後、例えばプロセス１００の１１０に関して上述したように、化学処理された木材８４８は、延在方向にほぼ垂直な方向、または延在方向に少なくとも交差する方向にプレスするために、ハウジング８３８から圧縮ステーション８４０に運搬され得る。例えば、圧縮ステーション８４０は、上部ローラー８４４および下部ローラー８４６を含むことができ、これらは互いに一定の距離に留まることができる。一定の距離は、化学処理された木材８４８の厚さより小さくてもよく、それによって、圧縮木材をもたらすプレス力８４２が印加される。
【００６０】
いくつかの実施形態では、圧縮中に、木材８４８の温度を室温よりも上げるように、一方または両方のローラー８４４、８４６を加熱することができる。代替的または付加的に、ローラー８４４、８４６は加熱されなくてもよいが、木材８４８の温度を上昇さるために、別個の加熱機構が設けられてもよく、または圧縮ステーション８４０を含む環境が加熱されてもよい。
【００６１】
図８Ｂには２つのローラー８４４、８４６のみが示されているが、シート８４８の搬送方向に沿って複数のローラーを直列に配置することができる。シート８４８は、所望の累積圧縮時間（例えば、数分または数時間ほど）を提供するために、隣接するローラー間を運搬されるように圧力下で保持することができる。代替的または付加的に、ローラー８４４、８４６のサイズおよびシート８４８の搬送速度は、所望の圧縮時間に対応し得る。従って、シート８４８が最初に圧縮されるときから、圧縮木材８５０として圧縮ステーション８４０を出るまでの時間は、所望のプレス時間に対応するであろう。もちろん、例えば、化学処理８３８の前または後にシート８３６を切断することによって、圧縮ステーション８４０を化学処理８３８から切り離すことも可能である。そのような構成では、圧縮ステーションは、図８Ｂに示されるようなローラーの形態または図８Ａに示されるように平坦プラテンの形態をとり得る。
【００６２】
図８Ｃを参照すると、天然木材８６２から圧縮木材構造を形成するための例示的な製造プロセスが示されている。天然木材８６２は、方向８６４に沿って延在する内腔を備えた中空円筒の形態であってもよい。製造プロセスの第１のステップ８６０は、例えば、プロセス１００の１０４に関して上述したように、化学溶液８０４に天然木材８６２を浸すことで、木材８６２からリグニンを部分的に除去することができる。化学溶液８０４およびその中に浸漬される木材８６２は、図８Ａのハウジング８０８と同様に、浸漬中に真空を適用するおよび／または加熱するように構成され得る。
【００６３】
処理８６０の後、化学処理された木製円筒８６８は、例えば、プロセス１００の１１０に関して上述したように、（図８Ｃの８０７におけるページの平面に垂直な）延在方向８６４にほぼ垂直な方向、または延在方向８６４に少なくとも交差する方向にプレスするために、ハウジング８６６から圧縮ステーション８７０に運搬され得る。例えば、圧縮ステーション８７０は、円筒８６８の外側に配置された上部ローラー８７２と、円筒８６８の内側に配置された下部ローラー８７４とを含むことができる。ローラー８７２、８７４は、円筒８６８の壁がそこを通過するとき、互いに一定の距離に留まることができる。一定の距離は、化学処理された木材８６８の壁厚より小さくてもよく、それにより、圧縮木材の中空円筒をもたらすプレス力８７６が印加される。
【００６４】
いくつかの実施形態では、圧縮中に、木材８６８の温度を室温よりも上げるように、一方または両方のローラー８７２、８７４を加熱することができる。代替的または付加的に、ローラー８７２、８７４は加熱されなくてもよいが、木材８６８の温度を上げるために、別個の加熱機構が設けられてもよく、または圧縮ステーション８７０を含む環境が加熱されてもよい。
【００６５】
図８Ｃには２つのローラー８７２、８７４のみが示されているが、複数のローラーを円筒８６８の周囲に直列に配置することができる。円筒８６８の壁は、所望の累積圧縮時間（例えば、数分または数時間ほど）を提供するために、隣接するローラー間を運搬されるときに圧力下で維持されてもよい。代替的または付加的に、ローラー８７２、８７４のサイズおよび円筒８６８の回転速度は、所望の圧縮時間に対応していてもよい。
【００６６】
図８Ｄを参照すると、天然木材８８２から圧縮木材構造を形成するための例示的な製造プロセスが示されている。天然木材８８２は、方向８８４に沿って延在する内腔を有する、中実円筒の形態であり得る。製造プロセスの第１のステップ８８０は、例えば、プロセス１００の１０４に関して上述したように、化学溶液８０４に天然木材８８２を浸漬して、木材８８２からリグニンを部分的に除去することができる。化学溶液８０４およびその中に浸漬される木材８８２は、図８Ａのハウジング８０８と同様に、浸漬中に真空を提供するおよび／または加熱するように構成され得る、ハウジング８６６内に収容されてもよい。
【００６７】
処理８８０の後、化学処理された木材円筒８８６は、例えば、プロセス１００の１１０に関して上述したように、（図８の８９０においてページの平面に垂直な）延在方向８８４にほぼ垂直、または延在方向８８４に少なくとも交差する方向にプレスするためにハウジング８６６から圧縮ステーション８９０に運搬され得る。例えば、圧縮ステーション８９０は、円筒８８６の外側に配置された単一のローラー８８８を含むことができ、このローラーは支持され、その中心軸線を中心に回転可能である。ローラー８８８は、回転する際に円筒８８６の壁に押し込む一定の距離に留まることができ、それにより、圧縮木材の中実円筒をもたらすプレス力８９２を印加する。
【００６８】
いくつかの実施形態では、圧縮中に、木材８８６の温度を室温よりも上げるようにローラー８８８を加熱することができる。代替的または付加的に、ローラー８８８は加熱されなくてもよいが、木材８８６の温度を上げるために、別個の加熱機構が設けられてもよく、または圧縮ステーション８９０を含む環境が加熱されてもよい。
【００６９】
図８Ｄには単一のローラー８８８のみが示されているが、複数のローラーを円筒８８６の周囲に直列に配置することができる。円筒８８６は、所望の累積圧縮時間（例えば、数分または数時間ほど）を提供するために、隣接するローラー間で搬送されるときに圧力下に維持することができる。代替的または付加的に、ローラー８８８のサイズおよび円筒８８６の回転速度は、所望の圧縮時間に対応し得る。更に別の代替形態では、円筒８８６は、図８Ｅに示されるように、ローラー８８８を有する圧縮ステーション８９０の代わりに、圧縮ステーション８９５の圧縮ベルト８９４によってプレスされてもよい。このような構成では、円筒８８６は回転するのではなく静止したままであってもよい。
【００７０】
特定の木材の形状および製造技術が図８Ａ〜図８Ｅに示されているが、１つ以上の企図される実施形態に従って、他の形状（中実または中空）および製造技術も可能である。従って、木材の形状および製造技術は、具体的に示されたものに限定されない。更に、濯ぎステーション、並びにプリプレス修正およびポストプレス修正は、図８Ａ〜図８Ｅには示されていないが、これらの技術は、開示された主題の１つ以上の実施形態に従って、濯ぎ、プリプレス修正および／またはポストプレス修正を含むように容易に修正され得る。
【００７１】
化学処理された木材片を圧縮して圧縮木材が形成されると、例えば、プロセス１００の１１４に関して上述したように、最終的な使用に備えて、更なる加工（即ち、機械加工または修正）を施すことができる。例えば、圧縮木材９０２は、図９Ａに示されるように、曲げセットアップ９００に設置することができる。圧縮木材９０２は、曲げ工具９０４（例えば、円柱状の棒）がその上面に押し付けられている間、支持体９０６上に載置されてもよい。一定時間曲げツール９０４を介して圧力を維持することにより、例えば、図９Ｂの湾曲した圧縮木材９１０または図９Ｃの湾曲した圧縮木材９１２のような、所望の湾曲プロファイル９０８を圧縮木材９０２に誘導することができる。代替的または付加的に、圧縮木材は、従来の機械加工技術を受けることができる。例えば、図９Ｄは、機械加工セットアップ９２０を示しており、そこでは、ドリルビット９２４を備えたプレス９２２を使用して、図９Ｅに示すように、圧縮木材片９２６に貫通穴９２８を生成する。１つ以上の企図される実施形態によれば、他のタイプのポストプレス修正および／または機械加工も可能である。
【００７２】
開示された主題の実施形態では、化学処理およびプレスにより、天然木材のセルロースナノファイバーの整列を維持し、従って、圧縮木材の異方性の機械特性をもたらす。例えば、繊維の整列方向に垂直な方向での圧縮木材の引張試験では、４５．１ＭＰａの引張強度が得られる。これは、繊維の整列方向に沿った強度よりもはるかに低いが、天然木材の横方向の強度（例えば、５．７ＭＰａ）よりもはるかに高い。異方性を低下させる（または機械的特性を改善する）ために、圧縮されたピースを積層構造に結合することができる。
【００７３】
図１０Ａを参照すると、圧縮木材の積層構造を形成および使用するための一般化されたプロセス１０００が示されている。図１のプロセス１００と同様に、プロセス１０００は、切断１０２、十分なリグニン１０６を除去するための化学処理１０４、およびその後の処理された木材のプレス１１０を含むことができる。これらの初期プロセスは１００２で繰り返され、複数の個別の圧縮木材が製造される。
【００７４】
十分な数の圧縮木材片が準備されると、プロセス１０００は１００４に進むことができ、そこで圧縮木材片は、任意に表面処理を施される。いくつかの実施形態では、圧縮木材片は、接着剤またはエポキシを使用して互いに結合される。そのような実施形態では、準備１００４は、接着剤またはエポキシを圧縮木材片の対向面に塗布するステップを含むことができる。他の実施形態では、圧縮木材片の対向面間の最終的な水素結合は、それらを一緒に保持するのに十分であり、その場合、準備１００４は省略され得る。
【００７５】
プロセス１０００は１００６に進むことができ、ここで、圧縮木材片は接合の準備のために配置される。圧縮木材片はそれぞれ、それぞれの向きを有することができ、これは、プレスする前にその内腔が延在している方向に対応する。従って、整列１００６は、木材片の少なくとも一部が互いに対して異なる向きを有するように、圧縮木材片を配置するステップを含むことができる。例えば、図１１Ａは、第１の向き１１０３を有する圧縮木材の第１のピース１１０２と、第２の向き１１０５を有する圧縮木材の第２のピース１１０４とを有する積層体のセット１１００を示す。図１１Ｂに示すように、ピースが積層構造１１０６として接合されると、第１の向き１１０３が第２の向き１１０５に直交するように、第１のピース１１０２および第２のピース１１０４を配置することができる。
【００７６】
２つの垂直な木材繊維方向に沿った図１１Ｂの圧縮木材積層体の引張強度は、ほぼ同じ（例えば、それぞれ、２２１．６±２０ＭＰａおよび２２５．６±１８ＭＰａ）であり、圧縮木材（例えば、４３．３±２ＭＰａ）または天然木材（例えば、５．１±０．４ＭＰａ）の単一のピースのＴ方向（即ち、木材繊維方向に垂直な方向）への強度よりも著しく高い。
【００７７】
他の実施形態では、結合された圧縮木材片の向きは、互いに対して非直角である。例えば、図１１Ｄは、積層体の別のセット１１１０を示しているが、ここでは圧縮木材の第１のピース１１１２は、図１１Ａとは異なる第１の向き１１１３を有する。特に、図１１Ｅに示すように、第１のピース１１１２が第２のピース１１０４に結合されると、平面図において、第１のピースの向き１１１３の方向は、第２のピースの向き１１０５の方向と交差する。
【００７８】
図１１Ｃに示すように、複数のセット１１００を互いに接合して、圧縮木材の各ピースが隣接するピースに対して９０°回転した向きを有するように、多層１１０６積層構造を形成することができる。同様に、図１１Ｆに示すように、複数のセット１１１０を一緒に接合して、圧縮木材の各ピースが、隣接するピースの向きと異なる向きを有し、および／または各層が隣接する層の複合配向とは異なる複合配向を有するように、多層１１１６、１１１８積層構造を形成することができる。
【００７９】
積層構造のための特定の数の圧縮木材片が図１１Ａ〜図１１Ｆに示されているが、１つ以上の企図される実施形態によれば、他の数の圧縮木材片も可能である。更に、図１１Ａ〜図１１Ｆには長方形の形状が示されているが、１つ以上の企図される実施形態によれば、他の形状も可能である。更に、図１１Ａ〜図１１Ｆに示された向きおよび整列を超える他の向きおよび整列も、１つ以上の企図される実施形態によれば可能である。いくつかの実施形態では、例えば異方性を高めるために、隣接する木材片の向きを整列させることができる。
【００８０】
図１０Ａに戻ると、整列１００６の後、プロセス１０００は１００８に進むことができ、そこで、例えば接着剤／エポキシまたは水素結合によって、整列された圧縮木材片が一緒に接合される。水素結合が使用される実施形態では、接合１００８は、圧縮木材片を形成するために使用されるプレスと同様に、高圧下で整列したピースを一緒にプレスするステップを含み得る。接合されて積層構造が形成されると、プロセス１０００は１０１０に進むことができ、そこで、積層は、（例えば、プロセス１００の１１４に関して上述したように）用途に適合され、および／または（例えば、プロセス１００の１１６に関して上述したように）使用される。
【００８１】
図１０Ａは、接合前に圧縮木材片を形成するが、開示された主題の実施形態はそれに限定されない。むしろ、他の実施形態では、木材片の接合は、木材片を圧縮するためのプレスと組み合わされてもよい。図１０Ｂは、そのようなプロセス１０５０を示している。図１のプロセス１００と同様に、プロセス１０５０は、十分なリグニン１０６を除去するための切断１０２および化学処理１０４、およびその後の処理された木材のプレス１１０を含むことができる。これらの初期プロセスは１０５２で繰り返され、化学処理された複数の個別の木材片を生成する。
【００８２】
十分な数の化学処理された木材片が準備されると、プロセス１０５０は１０５４に進むことができ、そこで、化学処理された木材片が接合のための準備として配置される。化学処理された木材片はそれぞれ、それぞれの向きを有することができ、これは、内腔が延在する方向に対応している。従って、整列１０５４は、図１０Ａおよび図１１Ａ〜図１１Ｆに関して上述したように、木材片のうちの少なくとも一部が互いに異なる向きを有するように、化学処理された木材片を配置するステップを含むことができる。
【００８３】
整列１０５４の後、プロセス１０５０は１０５６に進むことができ、そこで整列され化学処理された木材片が一緒にプレスされる。プレス１０５６は、各木材片を圧縮する（即ち、圧縮木材片を生成する）のに効果的であり、木材片の対向面間に水素結合を形成させる。従って、プレス１０５６は、木材片の圧縮および接合を同時に生成して、積層構造を形成する。１０５８で切断、化学処理、整列、およびプレスを繰り返すことにより、更なる層を積層体に追加することができる。それ以外の場合、プロセス１０５０は１０６０に進み、プロセス１０００と同様に、積層体を用途に適合させる、および／または使用することができる。
【００８４】
濯ぎ、プリプレス修正、およびポストプレス修正は、図１０Ａ〜図１０Ｂには別個に示されていないが、これらの実施形態は、図１のプロセス１００と同様に、濯ぎ、プリプレス修正および／またはポストプレス修正も含むことができることが理解されよう。
【００８５】
いくつかの実施形態において、積層構造は、異なる繊維の向きを有する複数の木材チップから形成され得る。例えば、図１２Ａは、個々の木材チップ１２０２から圧縮木材の積層体を形成するための例示的な製造プロセスの態様を示す。個々の木材チップ１２０２は、内腔の延在方向および／または繊維整列方向に対応する、それぞれの向き１２０４を有し得る。上述のプロセス１００と同様に、木材チップ１２０２は、そこからリグニンを部分的に除去するために化学処理を受け、その後、１２０６を介して多層構造に組み立てられ得る。化学的に修正された木材チップのアセンブリは、例えば、向きが図１１Ａ〜図１１Ｂに示されるように直交する、図１１Ｄ〜図１１Ｅに示されるように交差する、または整列するように、チップ１２０２の向き１２０４を考慮に入れることができる。あるいは、向き１２０４は、多層配列内にランダムであってもよい。次いで、１２１０で多層構造をプレスして、圧縮木材チップの多層積層体１２１２を形成することができる。隣接する圧縮木材チップは、プレス１２１０の間に形成される水素結合によって保持され得る。
【００８６】
いくつかの実施形態では、積層構造は、異なる繊維の向きを有する木材シートおよび複数の木材チップから形成され得る。例えば、図１２Ｂは、個々の木材チップ１２０２から、一対の木材シート１２２０、１２２４で、圧縮木材の積層体を形成するための例示的な製造プロセスの態様を示す。個別の木材チップ１２０２は、内腔の延在方向および／または繊維整列方向に対応する、それぞれの向き１２０４を有し得る。同様に、木材シート１２２０、１２２４は、内腔の延在方向および／またはその中の繊維の整列方向に対応する、それぞれの向き１２２２、１２２６を有し得る。
【００８７】
上記のプロセス１００と同様に、木材シート１２２０、１２２４および木材チップ１２０２は、化学処理を施してリグニンを部分的に除去し、その後、木材チップ１２０２をシート１２２０、１２２４の間に配置して、１２２８を介して多層構造に組み立てることができる。アセンブリは、シート１２２０、１２２４およびチップ１２０２の向きを考慮することができる。例えば、少なくともチップ１２０２の向き１２０４が図１１Ａ〜図１１Ｂのように直交する、図１１Ｄ〜図１１Ｅのように交差する、または整列するように、配置１２２８することができる。あるいは、少なくともチップ１２０２の向き１２０４は、多層配列内でランダムであってもよい。別の実施例では、少なくともシートの向き１２２２、１２２６が図１１Ａ〜図１１Ｂのように直交する、図１１Ｄ〜図１１Ｅのように交差する、または整列するように、配置１２２８することができる。そのような例では、木材チップ１２０２の向き１２０４は、シート１２２０、１２２４のうちの少なくとも１つの向きに応じて、またはシートの向きとは無関係に整列させることができる。例えば、向き１２２０、１２２４は互いに直交し得るが、チップ１２０２の向き１２０４は実質的にランダムであってもよい。
【００８８】
次いで、１２３２で多層構造１２３０をプレスして、圧縮木材の多層積層体１２３４を形成することができる。圧縮木材の隣接するピースは、プレス１２３２の間に形成される水素結合によって一緒に保持することができる。木材チップ１２０２の３層が木材シート１２２０と１２２４との間に示されているが、例えば、木材チップの単一層または３層より多い層等、より少ないまたは追加の木材チップの層を提供することも可能である。更に、開示された主題の実施形態は、図１２Ａ〜図１２Ｂに示されるシートおよびチップの特定の数および配置に限定されない。例えば、積層体１２３４は、あるユニット１２３４の圧縮シート１２２４が上にあり、隣接するユニット１２３４の圧縮シート１２２０に結合される多層構造の層ユニットを含むことができる。別の例では、多層積層構造は、木材チップ１２０２の介在層を有するシート１２２０（またはシート１２２４）の層を繰り返すステップを含み得る。
【００８９】
図１２Ａ〜図１２Ｂのプロセスは、向きのランダムなまたは整列した配置による異方性が少ない連続した木製構造（例えば、圧縮された木板１２１２または圧縮された木板１２３４）をもたらし得る。従って、互いにサイズおよび向きが異なる小さな木材チップを組み合わせて、より密度の高い木材製品にすることができる。実際、このような積層構造は、様々な用途および／または様々なサイズで使用するために容易に拡張可能である。
【００９０】
濯ぎ、プレプレス修正、およびポストプレス修正は、図１２Ａ〜図１２Ｂでは別個に示されていないが、これらの実施形態は、図１のプロセス１００と同様に、濯ぎ、プレプレス修正および／またはポストプレス修正も含むことができることが理解されるであろう。積層構造のための特定の数の圧縮木材チップまたはシートが図１２Ａ〜図１２Ｂに示されているが、１つ以上の企図される実施形態によれば、他の数の圧縮木材チップまたはシートも可能である。更に、図１２Ａ〜図１２Ｂには長方形の形状が示されているが、１つ以上の企図される実施形態に従って、他の形状も可能である。実際、木材チップは、積層構造に結合される前に、不規則または異なる形状／サイズを有する場合がある。更に、１つ以上の企図される実施形態に従って、図１２Ａ〜図１２Ｂに示された向きおよび整列を超える他の向きおよび整列も可能である。いくつかの実施形態では、例えば、異方性を高めるために、隣接するピースの向き（木材チップ１２０２またはシート１２２０、１２２４）を整列させることができる。
【００９１】
１つ以上の第１の実施形態では、構造は、化学処理されてリグニンを部分的に除去する一方で、セルロース系の内腔の構造を実質的に保存し、更に、内腔が少なくとも部分的に崩壊するように内腔の延在方向に垂直な第１の方向にプレスされる第１の天然植物材料片を含む。
【００９２】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料は天然木材である。
【００９３】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、天然木材の厚さと比較して少なくとも１０％減少した前記第１の方向への厚さを有する。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、天然木材の厚さと比較して少なくとも３０％減少した前記第１の方向への厚さを有する。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、天然木材の厚さと比較して少なくとも６０％減少した前記第１の方向への厚さを有する。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、天然木材の厚さと比較して少なくとも７０％減少した前記第１の方向への厚さを有する。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、天然木材の厚さと比較して少なくとも８０％減少した前記第１の方向への厚さを有する。
【００９４】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは少なくともいくらかのリグニンを保持する。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料中のリグニンの１％〜９９％が化学処理により除去された。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料中のリグニンの５％〜９５％が化学処理により除去された。
【００９５】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料中のリグニンの２３％〜６０％が化学処理により除去された。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、化学処理後、天然植物材料からのリグニンの約５５％を保持する。
【００９６】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピース内の崩壊した内腔の対向する部分は、水素結合によって一緒に保持される。
【００９７】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、化学処理前の天然植物材料と比較して、引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度係数、衝撃靭性、圧縮強度および／または弾性剛性が増加している。
【００９８】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの引張強度は、化学処理前の天然植物材料の引張強度よりも少なくとも２倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの引張強度は、化学処理前の天然植物材料の引張強度より少なくとも５倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの引張強度は少なくとも３５０ＭＰａである。
【００９９】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの延性は、化学処理前の天然植物材料の延性と同じか、少なくとも１０倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態において、第１のピースの延性は、化学処理前の天然植物材料の延性よりも少なくとも５０倍大きい。
【０１００】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの破壊靭性は、化学処理前の天然植物材料の破壊靭性よりも少なくとも２倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの破壊靭性は、化学処理前の天然植物材料の破壊靭性よりも少なくとも５倍大きい。
【０１０１】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの弾性剛性は、化学処理前の天然植物材料の弾性剛性よりも少なくとも５倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの弾性剛性は、化学処理前の天然植物材料の弾性剛性よりも少なくとも１０倍大きい。
【０１０２】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの引っかき硬度は、化学処理前の天然植物材料の引っかき硬度より少なくとも５倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの引っかき硬度は、化学処理前の天然植物材料の引っかき硬度よりも少なくとも１０倍大きい。
【０１０３】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの衝撃靭性は、化学処理前の天然植物材料の衝撃靭性よりも少なくとも２．５倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの衝撃靭性は、化学処理前の天然植物材料の衝撃靭性よりも少なくとも５倍大きい。
【０１０４】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの硬度係数は、化学処理前の天然植物材料の硬度係数よりも少なくとも５倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの硬度係数は、化学処理前の天然植物材料の硬度係数よりも少なくとも１０倍大きい。
【０１０５】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、延在方向に沿った第１のピースの曲げ強度は、化学処理前の天然植物材料の曲げ強度よりも少なくとも５倍大きく、延材方向に垂直な第１のピースの曲げ強度は、化学処理前の天然植物材料の曲げ強度よりも少なくとも５倍大きい。
【０１０６】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、延在方向に沿った第１のピースの曲げ強度は、化学処理前の天然植物材料の曲げ強度よりも大きい第１の倍数であり、延在方向に垂直な第１のピースの曲げ強度は、化学処理前の天然植物材料の曲げ強度よりも大きい第２の倍数であり、第２の倍数は第１の倍数よりも大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、延在方向に沿った第１のピースの曲げ強度は、化学処理前の天然植物材料の曲げ強度よりも少なくとも５倍大きく、延在方向に垂直な第１のピースの曲げ強度は、化学処理前の天然植物材料の曲げ強度の少なくとも１０倍大きい。
【０１０７】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、延在方向に沿った第１のピースの圧縮強度は、化学処理前の天然植物材料の圧縮強度よりも少なくとも５倍大きく、延在方向に垂直な第１のピースの圧縮強度は、化学処理前の天然植物材料の圧縮強度よりも少なくとも５倍大きい。
【０１０８】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、延在方向に沿った第１のピースの圧縮強度は、化学処理前の天然植物材料の圧縮強度よりも大きい第１の倍数であり、延在方向に垂直な第１のピースの圧縮強度は、化学処理前の天然植物材料の圧縮強度よりも大きい第２の倍数であり、第２の倍数は第１の倍数より大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、延在方向に沿った第１のピースの圧縮強度は、化学処理前の天然植物材料の圧縮強度よりも少なくとも５倍大きく、延材方向に垂直な第１のピースの圧縮強度は、化学処理前の天然植物材料の圧縮強度よりも少なくとも３０倍大きい。
【０１０９】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、化学処理前の天然植物材料と比較して密度が増加している。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの密度は、化学処理前の天然植物材料の密度より少なくとも１．５倍大きい。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの密度は、化学処理前の天然植物材料の密度よりも少なくとも２倍大きい。
【０１１０】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、３００ＭＰａ  ｃｍ３／ｇより大きい比引張強度を有する。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは約４５０ＭＰａ  ｃｍ３／ｇの比引張強度を有する。
【０１１１】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、崩壊した内腔のセルロースナノファイバーは、延在方向に沿って実質的に整列している。
【０１１２】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、断面図において、内腔の壁の間に隙間をほぼ含まない。
【０１１３】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料は竹または天然木材を含む。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、天然木材は、硬材または軟材を含む。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、天然木材は、バスウッド、オーク、ポプラ、アッシュ、ハンノキ、ヤマナラシ、バルサ材、ブナ、カバノキ、チェリー、バターナット、栗、ココボロ、ニレ、ヒッコリー、メープル、オーク、パダウク、プラム、ウォルナット、ヤナギ、イエローポプラ、ラクウショウ、杉、ヒノキ、ベイマツ、モミ、ベイツガ、カラマツ、松、セコイア、トウヒ、タマラック、ジュニパー、およびイチイのうちの少なくとも１つを含む。
【０１１４】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、構造体は、更に、セルロース系の内腔の構造を実質的に保存しながら、内腔が少なくとも部分的に崩壊するように、内腔の延在方向に交差する方向に更なるプレスを施しつつ、化学処理によりリグニンを部分的に除去した第２の天然木材片を含む。第１のピースおよび第２のピースは、対向面に沿って互いに結合され、第１のピースの内腔の延在方向は、例えば平面図で、第２のピースの内腔の延在方向と交差する。
【０１１５】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースの内腔の延在方向は、第２のピースの内腔の延在方向に直交する。
【０１１６】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースおよび第２のピースは、それらの対向面間の水素結合によって互いに結合される。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースおよび第２のピースは、それらの対向面の間で接着剤またはエポキシによって互いに結合される。
【０１１７】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースおよび第２のピースはそれぞれ、フラットシート、ブロック、スティック、ストリップ、中空形状、膜、厚さ２００μｍ未満の薄膜、木材チップ、または木材フレークとして形成される。
【０１１８】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、構造は、多層積層構造を形成するために第１のピースおよび第２のピースと一緒に結合された複数の追加の第１のピースおよび第２のピースを更に含む。
【０１１９】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、崩壊した内腔および／または第１のピースの外面内に組み込まれた非天然粒子を含む。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、非天然粒子は疎水性ナノ粒子を含む。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、ナノ粒子はＳｉＯ２ナノ粒子を含む。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、非天然粒子は、第１のピースを疎水性にする。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、少なくとも９０°の静的接触角、または１０°未満の動的接触角を有する。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、１５０°より大きい静的接触角および５°未満の動的接触角を有する。
【０１２０】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、疎水性になるように化学処理されている。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、疎水性化学処理は、エポキシ樹脂、シリコーンオイル、ポリウレタン、パラフィンエマルジョン、無水酢酸、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン、フルオロエシン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、メタクリルオキシメチルトリメチルシラン（ＭＳｉ）、多面体オリゴマーシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）、カリウムメチルシリコネート（ＰＭＳ）、ドデシル（トリメトキシ）シラン（ＤＴＭＳ）、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルジエトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、ポリメチルメタクリレート、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（ｐｏｌｙＤＡＤＭＡＣ）、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＭＰＳ、疎水性ステアリン酸、両親媒性フッ素化トリブロックアジドコポリマー、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化シラン、ｎ−ドデシルトリメトキシシラン、並びにラウリル硫酸ナトリウムのうちの少なくとも１つを含む。
【０１２１】
第１の実施形態または他の任意の実施形態では、第１のピースは、天候または塩水に耐えるように化学処理されている。第１の実施形態または任意の他の実施形態において、耐候性または塩水に対する化学処理は、ＣＤＤＣ、アンモニア銅第４級（ＡＣＱ）、クロム化ヒ酸銅（ＣＣＡ）、アンモニア性銅亜鉛ヒ酸（ＡＣＺＡ）、ナフテン酸銅、酸性クロム酸銅、クエン酸銅、銅アゾール、８−ヒドロキシキノリン銅、ペンタクロロフェノール、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸銅、クレオソート、二酸化チタン、プロピコナゾール、テブコナゾール、シプロコナゾール、ホウ酸、ホウ砂、有機ヨウ化物（ＩＰＢＣ）、およびＮａ２Ｂ８Ｏ１３・４Ｈ２Ｏののうちの少なくとも１つを含む。
【０１２２】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、構造体は、第１のピースの１つ以上の外面上へのコーティングを更に含む。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、コーティングは、油性塗料、疎水性塗料、ポリマーコーティング、または耐火性コーティングを含む。第１の実施形態または任意の他の実施形態では、耐火性コーティングは、窒化ホウ素、モンモリロナイト粘土、ハイドロタルサイト、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ケイ酸ナトリウム、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）、水酸化マグネシウム、（Ｍｇ（ＯＨ）２）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ホウ酸亜鉛、ホウ酸、ホウ砂、リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）、メラミン、ポリウレタン、ポリリン酸アンモニウム、リン酸、リン酸エステル、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、ホスホン酸、リン酸二アンモニウム（ＤＡＰ）、リン酸二水素アンモニウム、リン酸一アンモニウム（ＭＡＰ）、リン酸グアニル尿素（ＧＵＰ）、リン酸二水素グアニジン、および五酸化アンチモンのうちの少なくとも１つを含む。
【０１２３】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピースは、その中に（例えば、完全にまたは部分的に崩壊した内腔内に）ポリマーを含む。
【０１２４】
第１の実施形態または任意の他の実施形態では、第１のピース内の内腔は完全に崩壊している。
【０１２５】
１つ以上の第２の実施形態において、方法は、第１の方向に延材する、セルロース系の内腔の構造を実質的に維持しつつ、リグニンを部分的に除去するように天然植物材料片を化学溶液で処理するステップと、処理後に、内腔が少なくとも部分的に崩壊するように、化学処理された植物材料片を第１の方向と交差する第２の方向に第１の時間にわたりプレスするステップとを含む。
【０１２６】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料は天然木材である。
【０１２７】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、プレスは、２０℃〜１２０℃の温度で、０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａの圧力で実施される。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、プレスは約１００℃の温度および約５ＭＰａの圧力で実施される。
【０１２８】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、第１の時間は少なくとも５分である。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、第１の時間は少なくとも１時間である。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、第１の時間は少なくとも１２時間である。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、第１の時間は少なくとも２４時間である。
【０１２９】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮は、化学処理された植物材料から少なくとも水を除去するのに有効である。
【０１３０】
第２の実施形態または他の任意の実施形態では、プレスは、中間の乾燥ステップなしに処理後に実行される。
【０１３１】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、化学溶液は、ＮａＯＨ、Ｎａ２Ｓ、ＮａＨＳＯ３、ＳＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎａ２ＳＯ３、アントラキノン（ＡＱ）、Ｎａ２Ｓｎ（ｎは整数）、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｃ４Ｈ９ＯＨ、ＨＣＯＯＨ、ＮＨ３、ｐ−ＴｓＯＨ、ＮＨ３−Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２、ＮａＣｌＯ、ＮａＣｌＯ２、ＣＨ３ＣＯＯＨ（酢酸）、ＣｌＯ２、およびＣｌ２のうちの少なくとも１つを含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、化学溶液はＮａＯＨとＮａ２ＳＯ３との混合物を含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、化学溶液は、２．５ＭのＮａＯＨおよび０．４ＭのＮａ２ＳＯ３を含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、化学溶液は沸騰している。
【０１３２】
第２の実施形態または任意の他の実施形態において、方法は、プレス前および処理後に、化学処理植物材料片を溶媒に浸漬して、前記ピース中の化学溶液の残留物を除去するステップを更に含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、溶媒は沸騰脱イオン（ＤＩ）水を含む。
【０１３３】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、処理するステップは、天然植物材料片を化学溶液に少なくとも３０分間浸漬するステップを含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、処理は、天然植物材料片を化学溶液に少なくとも１時間浸漬するステップを含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料片を化学溶液に０．１時間〜７２時間にわたり浸漬する。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、処理は、化学溶液が天然植物材料片の内腔に浸透するように、真空下で実行される。
【０１３４】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、ヘミセルロースおよびリグニンの少なくとも一部は、処理後に前記ピースによって保持される。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、リグニンの１％〜９９％が処理により前記ピースから除去されている。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、処理により５％〜９５％のリグニンが前記ピースから除去されている。
【０１３５】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、プレス後、化学処理された植物材料片内の内腔は完全に崩壊する。
【０１３６】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、方法は、プレス前に、ポリマーを内腔に導入するステップを更に含み、プレス後に、ポリマーは植物材料内（例えば、部分的または完全に崩壊した内腔内）に配置される。
【０１３７】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、方法は、プレス後に、前記ピースの１つ以上の外面をコーティングするステップを更に含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、コーティングは、油性塗料、疎水性塗料、ポリマーコーティング、または耐火性コーティングを含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、耐火性コーティングは、窒化ホウ素、モンモリロナイト粘土、ハイドロタルサイト、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ケイ酸ナトリウム、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）、水酸化マグネシウム、（Ｍｇ（ＯＨ）２）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）、硫酸アルミニウム、硫酸鉄、ホウ酸亜鉛、ホウ酸、ホウ砂、リン酸トリフェニル（ＴＰＰ）、メラミン、ポリウレタン、ポリリン酸アンモニウム、リン酸、リン酸エステル、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、ホスホン酸、リン酸二アンモニウム（ＤＡＰ）、リン酸二水素アンモニウム、リン酸一アンモニウム（ＭＡＰ）、リン酸グアニル尿素（ＧＵＰ）、リン酸二水素グアニジン、および五酸化アンチモンのうちの少なくとも１つを含む。
【０１３８】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、方法は、プレスする前に、複数の非天然粒子を内腔の内面に堆積させるステップを更に含み、プレス後には、非天然粒子が崩壊した内腔に組み込まれる。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、非天然粒子は疎水性ナノ粒子を含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、ナノ粒子はＳｉＯ２ナノ粒子を含む。
【０１３９】
第２の実施形態または任意の他の実施形態において、非天然粒子は、化学処理された植物材料片を疎水性にする。第２の実施形態または他の任意の実施形態では、プレス後、化学処理された植物材料片は、少なくとも９０°の静的接触角、または１０°未満の動的接触角を有する。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、プレス後、化学処理された木材片は、１５０°より大きい静的接触角および５°未満の動的接触角を有する。
【０１４０】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、方法は、処理後に、植物材料を疎水性にするために、化学処理された植物材料に更なる化学処理を施すステップを更に含む。第２の実施形態または他の実施形態では、疎水性にするための処理は、（ｂ）の前に行うことができる。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、疎水性化学処理は、エポキシ樹脂、シリコーンオイル、ポリウレタン、パラフィンエマルジョン、無水酢酸、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシルトリエトキシシラン、フルオロエシン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、メタクリルオキシメチルトリメチルシラン（ＭＳｉ）、多面体オリゴマーシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）、カリウムメチルシリコネート（ＰＭＳ）、ドデシル（トリメトキシ）シラン（ＤＴＭＳ）、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルジエトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、ポリメチルメタクリレート、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（ｐｏｌｙＤＡＤＭＡＣ）、３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート（ＭＰＳ、疎水性ステアリン酸、両親媒性フッ素化トリブロックアジドコポリマー、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化シラン、ｎ−ドデシルトリメトキシシラン、並びにラウリル硫酸ナトリウムのうちの少なくとも１つを含み得る。
【０１４１】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、方法は、リグニンを部分的に除去する処理の後に、化学処理木材に更なる化学処理を施して、耐候性または塩水に対する耐性を改善するステップを更に含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、耐候性または塩水に対する化学処理は、ＣＤＤＣ、アンモニア銅第４級（ＡＣＱ）、クロム化ヒ酸銅（ＣＣＡ）、アンモニア性銅亜鉛ヒ酸（ＡＣＺＡ）、ナフテン酸銅、酸性クロム酸銅、クエン酸銅、銅アゾール、８−ヒドロキシキノリン銅、ペンタクロロフェノール、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸銅、クレオソート、二酸化チタン、プロピコナゾール、テブコナゾール、シプロコナゾール、ホウ酸、ホウ砂、有機ヨウ化物（ＩＰＢＣ）、およびＮａ２Ｂ８Ｏ１３・４Ｈ２Ｏのうちの少なくとも１つを含む。
【０１４２】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、崩壊した内腔のセルロースナノファイバーは、第１の方向に沿って実質的に整列している。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、プレス後、断面図において、前記ピースは内腔の壁の間に隙間をほぼ含まない。
【０１４３】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、天然植物材料は竹または天然木材を含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、天然木材は、硬材または軟材を含む。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、天然木材は、バスウッド、オーク、ポプラ、アッシュ、ハンノキ、ヤマナラシ、バルサ材、ブナ、カバノキ、チェリー、バターナット、栗、ココボロ、ニレ、ヒッコリー、メープル、オーク、パダウク、プラム、ウォルナット、ヤナギ、イエローポプラ、ラクウショウ、杉、ヒノキ、ベイマツ、モミ、ベイツガ、カラマツ、松、セコイア、トウヒ、タマラック、ジュニパー、およびイチイのうちの少なくとも１つを含む。
【０１４４】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、処理前の天然木材と比較して、プレス後、前記ピースの引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度係数、衝撃靭性、圧縮強度、および弾性剛性のうちの少なくとも１つが増加する。
【０１４５】
第２の実施形態または他の任意の実施形態では、プレス後、前記ピースは、処理前の天然木材の密度より少なくとも２倍大きい密度と、処理前の天然植物材料の厚さと比較して少なくとも６０％減少した第２の方向への厚さとを有する。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、プレス後の前記ピースの厚さは、天然木材の厚さと比較して少なくとも７０％減少する。
【０１４６】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、プレスは、崩壊した内腔の対向部分間に水素結合を形成するステップを含む。
【０１４７】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、前記ピースは、フラットシート、ブロック、スティック、ストリップ、膜、薄膜、中空形状、木材チップ、または木材フレークとして形成される。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、薄膜は２００μｍ以下の厚さを有する。
【０１４８】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、方法は、リグニンを除去する処理を繰り返すステップと、天然植物材料の１つ以上の追加のピースを圧縮し、結果的に得られる圧縮された化学処理された植物材料片を結合するステップとを更に含む。
【０１４９】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮され化学処理された植物材料の少なくとも一部の結合ピースのそれぞれの第１の方向は（例えば、平面図において）互いに交差する。第２の実施形態または任意の他の実施形態では、交差する第１の方向は互いに直交する。
【０１５０】
第２の実施形態または任意の他の実施形態において、結合は、対向する表面が水素結合されるように、プレスされ化学処理された植物材料片を更に一緒にプレスするステップを含む。
【０１５１】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、リグニンを部分的に除去するための各処理の後、化学処理片を他の化学処理片と接触するように配置する。プレスは、結合されるように配置されたピースに対して同時に実行される。
【０１５２】
第２の実施形態または他の任意の実施形態では、結合は、化学処理された植物材料片の対向面に接着剤またはエポキシを塗布するステップを含む。
【０１５３】
第２の実施形態または任意の他の実施形態では、方法は、プレス後、化学処理された植物材料片を機械加工するか、化学処理された植物材料片を所望の形状または構成に形成するステップを更に含む。
【０１５４】
１つ以上の第３の実施形態において、構造体は、断面図において、内腔の細胞壁感に隙間を含まない、内腔が完全に崩壊している圧縮木材片を含む。
【０１５５】
第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は少なくとも５対２の比で圧縮されている。第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は約５：１の比で圧縮されている。
【０１５６】
第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は、前記ピースを形成するために使用される天然木材よりも少ないリグニンを含む。第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は、天然木材中のリグニンの１％〜９９％を含む。第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は、天然木材中のリグニンの５％〜９５％を含む。第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は、１％〜２５％のリグニンを含む。第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は、５％〜１６％のリグニンを含む。
【０１５７】
第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は、前記ピースを形成するために使用される天然木材と比較して、引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度、衝撃靭性、圧縮強度および／または弾性剛性が増加している。
【０１５８】
第３の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片は、少なくとも３００ＭＰａ  ｃｍ３／ｇの比引張強度を有する。
【０１５９】
１つ以上の第４の実施形態では、積層体は複数の圧縮木材片を含む。各ピースは、断面図で少なくとも部分的に崩壊した内腔を有する。各ピースの内腔は、それぞれの延在方向に延在している。少なくともいくつかの圧縮木材片の延在方向は互いに交差し、複数の圧縮木材片は互いに結合されている。
【０１６０】
第４の実施形態または他の任意の実施形態では、各ピースは、断面図で内腔の壁間に隙間のない完全に崩壊した内腔を有する。
【０１６１】
第４の実施形態または他の任意の実施形態では、圧縮木材の隣接するピースは、対向面に沿って互いに結合される。第４の実施形態または任意の他の実施形態では、隣接するピースは、対向面間の水素結合によって互いに結合される。第４の実施形態または任意の他の実施形態では、隣接するピースは、対向面間で接着剤またはエポキシによって互いに結合される。
【０１６２】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、圧縮木材片の第１のセットは第１の層に配置され、圧縮木材片の第２のセットは第１の層上の第２の層に配置され、第１の層および第２の層は、それぞれの層からの隣接するピースの間の対向面を介して互いに結合される。
【０１６３】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、隣接する対の圧縮木材片の延在方向は（即ち、平面図において）互いに交差している。第４の実施形態または任意の他の実施形態では、隣接する対の圧縮木材片延在方向は互いに直交している。
【０１６４】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材は少なくとも５対２の比率で圧縮されている。第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材は約５対１の比率で圧縮されている。
【０１６５】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材片は、前記ピースを形成するために使用される天然木材よりも少ないリグニンを含む。第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材片は、天然木材中のリグニンの１％〜９９％を含む。第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材片は、天然木材中のリグニンの５％〜９５％を含む。
【０１６６】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材片は、１％〜２５％のリグニンを含む。第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材片は、５％〜１６％のリグニンを含む。
【０１６７】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、前記ピースを形成するために使用される天然木材と比較して、各圧縮木材片は、引張強度、曲げ強度、延性、破壊靭性、引っかき硬度、硬度、衝撃靭性、圧縮強度および／または弾性剛性が増加している。
【０１６８】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材は、フラットシート、ブロック、スティック、ストリップ、中空形状、膜、厚さ２００μｍ未満の薄膜、木材チップ、または木材フレークとして形成される。
【０１６９】
第４の実施形態または任意の他の実施形態では、各圧縮木材片は、少なくとも３００ＭＰａ  ｃｍ３／ｇの比引張強度を有する。
【０１７０】
１つ以上の第５の実施形態において、材料は、第１または第３の実施形態の構造、第４の実施形態の積層体、または第３の実施形態の方法によって形成された構造を含む。
【０１７１】
１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は、自動車、列車、トラック、飛行機、ボート、船舶、または任意の他の輸送手段、車両、または輸送機関の内部または外部コンポーネントとして形成される。
【０１７２】
１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は、コンテナ、ボックス、または輸送用木枠の一部を形成する。
【０１７３】
１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は、倉庫、工場、オフィスビル、納屋、家庭、または任意の他の建物または構造の内部または外部コンポーネントとして形成される。１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は、ディスプレイ、装飾、窓枠、額縁、ドアあるいはドア枠、テーブル、机、椅子、キャビネット、ワードローブ、ベッド、または家具あるいはホームアクセントの任意の他の一部を形成する。１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は、橋、ドック、デッキ、またはプラットフォームの一部を形成する。１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は楽器の一部を形成する。１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は、保護カバー、爆風シールド、または他の保護装置の一部を形成する。１つ以上の第６の実施形態では、第５の実施形態の材料は、道具、運動器具、またはスポーツ用品の一部を形成する。
【０１７４】
本出願において、特に明記しない限り、単数形の使用は複数形を含み、「または」および「および」の別個の使用は他方、即ち「および／または」を含む。更に、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語、並びに「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｄ）」、「有する（ｈａｓ）」、または「有する（ｈａｄ）」等の他の形態の使用は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同じ効果を持つことを意図しているため、限定するものとして理解されるべきではない。
【０１７５】
本明細書で説明される範囲は、エンドポイントおよびエンドポイント間の全ての値を含むと理解されるだろう。「ほぼ（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「本質的に（ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ）」、「ほぼ（ｎｅａｒ）」、または同様の言語を特定の値と組み合わせて使用する場合は、特に明記しない限り、その値の１０％までのバリエーションを含むことが意図される。
【０１７６】
前述の説明は、場合によっては実験室で生成された例に適用されるが、これらの例は生産技術に拡張可能である。従って、実験室の例に量と技術が適用される場合、それらは限定するものとして理解されるべきではない。
【０１７７】
従って、本開示によれば、強くて丈夫な構造木材、並びにその製造および使用方法が提供されることが明らかである。本開示により、多くの代替、修正、および変形が可能である。本発明の原理の適用を例示するために特定の例を詳細に示して説明したが、本発明はそのような原理から逸脱することなく他の方法で実施できることを理解されたい。例えば、開示された特徴は、追加の実施形態を生成するために組み合わされ、再配列され、省略され得るが、特定の開示された特徴は、他の特徴の対応する使用なしで有利に使用される場合がある。従って、出願人は、本発明の精神および範囲内にあるそのような全ての代替、修正、等価物、および変形を包含することを意図している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020516497.tif 000013
【図７Ａ】
2020516497.tif 000014
【図７Ｂ】
2020516497.tif 000015
【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
2020516497.tif 000018
【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９Ａ】
2020516497.tif 000023
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
2020516497.tif 000028
【図１０Ｂ】
2020516497.tif 000029
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
2020516497.tif 000032
【図１１Ｄ】
2020516497.tif 000033
【図１１Ｅ】
2020516497.tif 000034
【図１１Ｆ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2020516497.tif 000037
【国際調査報告】
2020516497.tif 000038
2020516497.tif 000039
2020516497.tif 000040
2020516497.tif 000041
2020516497.tif 000042