DE60225186T2

DE60225186T2 - Hochfestes material, das cellulosemikrofasern verwendet

Info

Publication number: DE60225186T2
Application number: DE2002625186
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Gokasho Uji-shi YANO; Susumu Toyono-gun NAKAHARA
Original assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Current assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: CA2470905A1; DE60225186D1; WO2003056103A1; AU2002367112A1; EP1469126A4; JP3641690B2; EP1469126B1; US7378149B2; JP2003201695A; CA2470905C; ATE386841T1; EP1469126A1; US20050067730A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung zur Herstellung von hochfesten Materialien und hochfesten Formgegenständen, die Cellulosemikrofasern umfassen, ein hochfestes Material und einen hochfesten Formgegenstand, der unter Verwendung von Cellulosemikrofasern hergestellt worden ist, und Verfahren zu deren Herstellung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Produkte, die unter Verwendung des hochfesten Materials und/oder des hochfesten Formgegenstands hergestellt worden sind.
Stand der Technik
Für eine lange Zeit wurden Formgegenstände durch Zugeben von Holzmehl oder Pulpe zu einem wärmehärtbaren Harz hergestellt. Seit kurzem gibt es jedoch mehr und mehr Bedenken bezüglich Abfallproblemen im Hinblick auf Kunststoffe und dergleichen und abbaubare Kunststoffe und biologisch abbaubare Kunststoffe wurden entwickelt. Beispielsweise offenbart das japanische ungeprüfte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 1990-127486 eine biologisch abbaubare wasserbeständige Beschichtung, die mikrofibrillierte Fasern und Chitosan umfasst.
Für verschiedene Anwendungen ist auch eine Festigkeit erforderlich. Beispielsweise offenbart das japanische ungeprüfte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 1996-193168 eine biologisch abbaubare Polymerzusammensetzung und das japanische ungeprüfte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 1997-509694 offenbart ein mit Cellulosemikrofasern verstärktes Polymer.
US 6,103,790 beschreibt mit Cellulosemikrofasern verstärkte Polymere. Die Polymer/Cellulose-Verbundmaterialien werden mit vereinzelten Cellulosemikrofasern mit einem hohen Formfaktor, wie z. B. Tunicin-Mikrofasern, als Verstärkung hergestellt.
JP-A-61113601 beschreibt ein Cellulosematerial mit einer feinen bandartigen Konfiguration von Mikrofasern, bei der jede Elementarfaser parallel in einer Ebene angeordnet ist. Das Material wird durch Anwenden einer mechanischen Scherkraft auf eine gelatineartige Cellulosesubstanz, die durch ein Bakterium erzeugt worden ist, erzeugt.
JP-A-804918820 beschreibt ein Blatt mit hoher dynamischer Festigkeit, das bakterielle Cellulose enthält, die bakterielle Cellulose mit einer bandartigen Form enthält.
JP-A-2002292608 beschreibt eine rezyklierbare holzartige Basis, die eine Aggregation von Pulpefasern mit fortgeschrittener Plastifizierung und Faserbildung umfasst. Die Pulpefasern sind stark miteinander verhakt und zwischen den Fasern sind starke Verbindungspunkte ausgebildet.
US 6,274,652 beschreibt oberflächenmodifizierte Cellulosemikrofasern mit einem L/D-Verhältnis von mehr als 20 und einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 1 nm und 50 nm, wobei L die Länge der Mikrofasern darstellt und D deren durchschnittlichen Durchmesser darstellt, wobei mindestens 25% der Hydroxylfunktionen, die auf der Oberfläche der Mikrofasern vorliegen, mit mindestens einer organischen Verbindung verestert sind, die mindestens eine Funktion umfasst, die mit den Hydroxylfunktionen reagieren kann.
US 6,274,652 beschreibt ein polymeres Verbundmaterial, das ein biologisch abbaubares polymeres Material und eine bakterielle Cellulose mit bandförmigen Mikrofasern umfasst, die von Mikroben erzeugt worden ist, wobei die bakterielle Cellulose zwischen etwa 1 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% des polymeren Verbundmaterials ausmacht.
EP-A-0783015 beschreibt leitende Cellulosemikrofasern und Verbundmaterialien, in welche diese einbezogen sind. Die Mikrofasern werden durch eine Polypyrrolbeschichtung leitend gemacht.
US 4,742,164 beschreibt ein geformtes Material, das bandförmige Mikrofasern von bakterieller Cellulose umfasst, das hergestellt wird durch: (a) Kultivieren von Bakterien, die Cellulose in einem Nährmedium erzeugen können, (b) Entnehmen der Cellulose, die von der Kultur erzeugt worden ist, in der Form eines Gels, und (c) Pressen des Gels zur Entfernung von Wasser von der Cellulose durch Quetschen des Gels bei einem Druck, der ausreichend ist, um die dynamische Festigkeit zu erhöhen, oder durch Mazerieren desselben oder eine Kombination davon.
Boldizar et al. (Intern. J. Polymeric Mater., Band 11, 1987, Seiten 229 bis 262) beschreibt Verbundmaterialien auf der Basis von Cellulosemikrofasern, bei denen die Cellulosemikrofasern in einige thermoplastische Matrizen einbezogen sind.
Materialien mit einer ausreichend hohen Festigkeit wurden jedoch noch nicht erhalten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines hochfesten Materials, das unter Verwendung von Cellulosemikrofasern hergestellt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein hochfestes Material mit einer Biegefestigkeit von mindestens 200 MPa bereit, das 65 bis 100 Gew.-% Cellulosemikrofasern umfasst. Bevorzugte Merkmale der hochfesten Materialien der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Materials der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 16 bereit.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen hochfesten Formgegenstand bereit, der eine Biegefestigkeit von mindestens 200 MPa aufweist und 65 bis 100 Gew.-% Cellulosemikrofasern umfasst. Bevorzugte Merkmale der hochfesten Formgegenstände der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 9 bis 14 angegeben. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Formgegenstands der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 17 bereit.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein hochfestes Produkt bereit, welches das hochfeste Material der vorliegenden Erfindung und/oder den hochfesten Formgegenstand der vorliegenden Erfindung umfasst.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend detailliert beschrieben.
Die Cellulosemikrofasern (nachstehend als „Mikrofasern" bezeichnet), die in der Erfindung verwendet werden, sind mikrofibrillierte Cellulosefasern. Der Grad der Mikrofibrillierung kann z. B. mittels des Wasserrückhaltevermögens als Indikator bewertet werden.
Das Wasserrückhaltevermögen kann z. B. durch den Feuchtigkeitsgehalt (auf einer Trockengewichtsbasis) nach dem Zentrifugieren einer 2%igen wässrigen Faseraufschlämmung (auf einer Feststoffbasis) bei 1000 G für 15 min ausgedrückt werden. Das Wasserrückhaltevermögen z. B. von unbehandelter Pulpe beträgt etwa 100 bis 120%. Ein Wert des Wasserrückhaltevermögens von 150% entspricht 400 bis 500 ml Canadian Standard Freeness (F. W. Herrick, R. L. Casebier, J. K. Hamilton, K. R. Sandberg, J. Appl. Polym. Sci.: Applied Polymer Symposium, 37, 797–813 (1983)). Der Feuchtigkeitsgehalt kann z. B. durch die Formel (W – W₀)/W₀ (%) berechnet werden, wobei W₀ das Gewicht der Mikrofasern ist, die bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet worden sind, und W das Gewicht nach dem Zentrifugieren ist.
Das Wasserrückhaltevermögen von Cellulosemikrofasern, die in der Erfindung verwendet werden, beträgt etwa 200 bis etwa 600%, vorzugsweise etwa 300 bis etwa 600% und mehr bevorzugt etwa 400 bis etwa 600%.
Die in der Erfindung verwendeten Arten von Mikrofasern sind nicht speziell beschränkt und Beispiele umfassen diejenigen, die abgeleitet sind von: Essigsäurebakterien oder entsprechenden Mikroorganismen, Seescheiden und entsprechenden Tieren, und Holz, Bambus, Hanf, Jute, Kenaf, landwirtschaftlichen Abfällen, Gewebe, Altpapier und entsprechenden pflanzlichen Materialien. Mikrofasern, die von Pflanzenmaterialien abgeleitet sind, sind aus Kostengründen und aus Gründen einer einfachen Verfügbarkeit bevorzugt. Im Hinblick auf die globale Umwelt ist es bevorzugt, Zeitungen, Zeitschriften, Wellpappe und entsprechendes Altpapier, Altkleider, die aus pflanzlichen Fasern hergestellt sind, und entsprechende Gewebe einem Recycling zu unterziehen.
Die Mikrofasern der Erfindung sind nicht speziell beschränkt und können mit bekannten Verfahren hergestellt werden. Es können käufliche Mikrofasern verwendet werden. Die Mikrofasern können z. B. durch Ausbilden von Pulpe zu feinen Fasern hergestellt werden (F. W. Herrick, R. L. Casebier, J. K. Hamilton, K. R. Sandberg, J. Appl. Polym. Sci.: Applied Polymer Symposium, 37, 797–813 (1983); Katsunori Fukui, Kinoushikenkyuukaishi (Bulletin of the High Performance Paper Society), Nr. 24, 5–12 (1985)), T. Taniguchi, K. Okamura, Polymer Int., 47(3), 291–294 (1998), Yuji Matsuda, Fiber and Industry 56, 192–196 (2000)).
Das Verfahren zum Ausbilden von Pulpe zu Mikrofasern ist nicht speziell beschränkt und bekannte Verfahren können verwendet werden. Beispiele für geeignete Verfahren umfassen Behandlungen unter Verwendung von Mediumrührmühlen, Schwingmühlen, Hochdruckhomogenisiervorrichtungen, Schlagmühlenmahlen und dergleichen.
Pulpen, die hier verwendet werden können, umfassen z. B. chemische Pulpen, die durch chemische Behandlung von Holz erhalten werden, wie z. B. Kraftpulpen, Sulfitpulpen und dergleichen, halbchemische Pulpen, die durch mechanische Pulpebildungsbehandlungen unter Verwendung von Ganzstoffmahlmaschinen, Mahlvorrichtungen oder dergleichen erhalten werden, und rezyklierte Pulpen, die aus Altpapier hergestellt worden sind. Von diesen ist die Verwendung von rezyklierter Pulpe im Hinblick auf die Kosten und die Förderung des Altpapierrecyclings bevorzugt.
Rezyklierte Pulpe kann von Altpapier, wie z. B. Zeitungen, Zeitschriften und Wellpappe, gemäß gebräuchlich verwendeter Verfahren zur Herstellung von Recyclingpapier erhalten werden. Altpapier wird zuerst durch eine Einstampfmaschine oder dergleichen mazeriert, dann mit Sieben, Reinigungsanlagen oder dergleichen einer Grobklärung und Reinigung unterzogen und durch ein Flotationsverfahren oder dergleichen von Druckfarbe befreit, worauf entwässert wird. Die in diesen Schritten des Prozesses verwendeten Verfahren können gemäß der Art und der Qualität des Altpapiers zweckmäßig ausgewählt werden.
Die in der Erfindung verwendeten Mikrofasern können z. B. durch Ausbilden der Pulpe zu feinen Fasern hergestellt werden. Die Mikrofasern der Erfindung umfassen nicht nur diejenigen, die mit dem vorstehend genannten Verfahren erhalten worden sind, sondern auch diejenigen, die dadurch erhalten werden, dass Pulpe verschiedenen anderen Behandlungen unterzogen wird, wie z. B. (1) Veretherungsbehandlungen durch Umsetzen mit einem Epoxid, einer Cyanethylierungsreaktion, einer Reaktion mit einem Alkylchlorid, usw., (2) Acetalisierungsbehandlungen durch eine Formalisierungsreaktion, usw., (3) Veresterungsbehandlungen durch eine Acetylierungsbehandlung, Alkylketendimerbehandlung, Maleinsäureanhydridglycerinbehandlung, usw., (4) Isocyanatbehandlungen durch eine Reaktion mit Isocyanaten, usw.
Mikrofasern, die aus rezyklierten Pulpen, die von Altpapier stammen, erhalten werden, können Verunreinigungen enthalten. Um ein hochfestes Material oder einen hochfesten Formgegenstand bereitzustellen, beträgt die Menge der enthaltenen Verunreinigungen, wie z. B. Tonen, Keramiken, Druckfarben und dergleichen, vorzugsweise nicht mehr als 20%.
Das hochfeste Material oder der hochfeste Formgegenstand der Erfindung umfasst etwa 65 bis etwa 100 Gew.-% Cellulosemikrofasern und vorzugsweise etwa 65 bis etwa 99 Gew.-%. Materialien und Formgegenstände, die 100 Gew.-% Mikrofasern umfassen, d. h. die aus Mikrofasern bestehen, sind vom Schutzbereich der Erfindung umfasst.
Als Rest, d. h. in einer Menge von 0 bis etwa 35 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 35 Gew.-%, können Additive einbezogen werden. Beispiele für geeignete Additive umfassen Bindemittel, um die Festigkeit zu erhöhen, usw., anorganische Verbindungen, wie z. B. Keramiken, um die Wärmebeständigkeit zu erhöhen, Leiter, wie z. B. Metallpulver, Kohlenstoffnanoröhrchen und dergleichen, um einen Magnetismus, eine Leitfähigkeit, usw., zu verleihen, Pigmente, Farbstoffe, Fließeinstellmittel, Verlaufmittel, grenzflächenaktive Mittel, Schaumdämpfer, Antistatikmittel, elektromagnetisch abschirmende Materialien, wie z. B. Metalle, Kohlenstoffpulver und dergleichen, um elektromagnetische Wellen abzuschirmen, UV-Absorptionsmittel, Dispergiermittel, Deodorantien, antimikrobielle Mittel, wie z. B. Silberpulver, Titanoxid und dergleichen, usw. Diese Additive können einzeln oder in einer Kombination von zwei oder mehr verwendet werden. Das Mischungsverhältnis ist nicht speziell beschränkt und kann gemäß dem gewünschten Material oder Formgegenstand zweckmäßig ausgewählt werden.
Wenn das hochfeste Material oder der hochfeste Formgegenstand der Erfindung Verunreinigungen enthält, die von Altpapier oder dergleichen stammen, wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist es bevorzugt, dass das Gesamtgewicht von Verunreinigungen und Additiven im Bereich von 0 bis etwa 35 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 35 Gew.-% liegt.
Wenn beispielsweise Additive wie Keramiken oder entsprechende anorganische Verbindungen, magnetische Materialien, Metallpulver, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und entsprechende Leiter, Pigmente, Farbstoffe, Fließeinstellmittel, Verlaufmittel, grenzflächenaktive Mittel, Schaumdämpfer, Antistatikmittel, Metalle, Kohlenstoffpulver und entsprechende elektromagnetisch abschirmende Materialien, UV-Absorptionsmittel, Dispergiermittel, Deodorantien, Silberpulver, Titanoxid und entsprechende antimikrobielle Mittel, usw., zugesetzt werden, ist es bevorzugt, zusammen mit solchen Additiven gegebenenfalls ein Bindemittel zu verwenden, so dass die Additive in der Zusammensetzung zur Herstellung von hochfesten Materialien oder hochfesten Formgegenständen, die Mikrofasern enthalten, und in den hochfesten Materialien oder hochfesten Formgegenständen dispergiert werden können.
Als Bindemittel können bekannte organische Polymere verwendet werden. Beispiele für solche organische Polymere umfassen wasserlösliche Polymere, wie z. B. Polyvinylalkohole, Polyethylenoxid, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon und entsprechende synthetische Polymere, Stärken, Alginsäure und entsprechende Polysaccharide, natürliche Polymere, wie z. B. Gelatine, Hautleim, Casein und entsprechende Proteine, und thermoplastische Harze, wärmehärtbare Harze und dergleichen.
Beispiele für bevorzugte Bindemittel umfassen Stärken, thermoplastische Harze, wärmehärtbare Harze und dergleichen.
Verwendbare Stärken sind nicht speziell beschränkt und umfassen nicht nur natürliche Stärken, sondern auch Stärken, lösliche Stärken, Dextrin und entsprechende Stärken sowie Stärkederivate. Für eine einfache Verarbeitung, usw., sind lösliche Stärken und dergleichen bevorzugt. Stärken können z. B. in einer Menge von 0 bis etwa 35 Gew.-%, vorzugsweise von 0 bis etwa 20 Gew.-% und mehr bevorzugt von 0 bis etwa 10 Gew.-% verwendet werden.
Geeignete thermoplastische Harze sind nicht speziell beschränkt und umfassen Vinylchloridharze, Vinylacetatharze, Polystyrole, ABS-Harze, Acrylharze, Polyethylene, Polyethylenterephthalate, Polypropylene, Fluorharze, Polyamidharze, Acetalharze, Polycarbonate, Cellulosekunststoffe, Polymilchsäure, Polyglykolsäure, Poly-3-hydroxybutylat, Poly-4-hydroxybutylat, Polyhydroxyvalerat, Polyethylenadipat, Polycaprolacton, Polypropiolacton und entsprechende Polyester, Polyethylenglykol und entsprechende Polyether, Polyglutaminsäure, Polylysin und entsprechende Polyamide, Polyvinylalkohole, Polyurethan, Polybutylensuccinat, Polybutylensuccinatadipat und dergleichen.
Biologisch abbaubare Harze, wie z. B. Polymilchsäure, Polyglykolsäure, Polycaprolacton, Polyvinylalkohol, Polybutylensuccinat, Polybutylensuccinatadipat und dergleichen sind unter Berücksichtigung der globalen Umwelt bevorzugt. Diese Harze können einzeln oder in einer Kombination von zwei oder mehr verwendet werden.
Die Menge des thermoplastischen Harzes liegt z. B. im Bereich von 0 bis etwa 35 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 35 Gew.-%. Wenn die Menge des thermoplastischen Harzes innerhalb des vorstehend genannten Bereichs liegt, kann eine hohe Festigkeit erhalten werden.
Beispiele für verwendbare wärmehärtbare Harze umfassen Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze, ungesättigte Polyesterharze, Epoxyharze, Diallylphthalatharze, Polyurethanharze, Silikonharze, Polyimidharze und dergleichen. Die Menge eines solchen wärmehärtbaren Harzes liegt z. B. im Bereich von 0 bis etwa 35 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 35 Gew.-%. Wenn die Menge des wärmehärtbaren Harzes innerhalb des vorstehend genannten Bereichs liegt, kann eine hohe Festigkeit erhalten werden.
Wärmehärtbare Harze, thermoplastische Harze oder Stärken können getrennt verwendet werden oder eine Kombination des wärmehärtbaren Harzes und Stärke oder eine Kombination des thermoplastischen Harzes und Stärke kann verwendet werden.
Das erhaltene hochfeste Material oder der erhaltene hochfeste Formgegenstand weist eine Porosität von z. B. etwa 20% oder weniger, vorzugsweise von etwa 10% oder weniger und mehr bevorzugt von etwa 5% oder weniger auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dann, wenn die Porosität etwa 20% oder weniger beträgt, eine ausreichend hohe Festigkeit erhalten wird.
Ein niedriger Feuchtigkeitsgehalt ist zum Bewahren der hohen Festigkeit des erhaltenen Materials oder Formgegenstands bevorzugt. Wenn beispielsweise ein thermoplastisches Harz oder ein wärmehärtbares Harz als Additiv verwendet wird, beträgt der Feuchtigkeitsgehalt vorzugsweise etwa 10% oder weniger und mehr bevorzugt etwa 5% oder weniger. Wenn eine Stärke als Additiv verwendet wird, beträgt der Feuchtigkeitsgehalt vorzugsweise etwa 5% oder weniger und mehr bevorzugt etwa 3% oder weniger.
Das Wasservolumen wird in die Porositätsberechnung nicht einbezogen. Beispielsweise betragen die Summe des Wasservolumens in % und die Porosität bezogen auf das Volumen des Materials oder des Formgegenstands der Erfindung (d. h. das prozentuale Volumen von Substanzen, die von Mikrofasern und Additiven verschieden sind, bezogen auf das Volumen des Materials oder des Formgegenstands der Erfindung) vorzugsweise etwa 25% oder weniger und mehr bevorzugt etwa 15% oder weniger.
Die Dichte des erhaltenen Materials oder Formgegenstands kann mit der Dichte der verwendeten Additive, usw., variieren. Wenn z. B. keine Additive (nur Mikrofasern) verwendet werden oder Stärken, thermoplastische Harze oder wärmehärtbare Harze als Additive verwendet werden, weist das erhaltene Material oder der erhaltene Formgegenstand eine Dichte von z. B etwa 1,1 g/cm³ oder mehr, vorzugsweise etwa 1,2 g/cm³ oder mehr und besonders bevorzugt von etwa 1,35 g/cm³ oder mehr auf.
„Festigkeit" bezieht sich hier auf die Biegefestigkeit, die mit bekannten Verfahren gemessen werden kann. Beispielsweise kann die Festigkeit bei Raumtemperatur in einer Atmosphäre mit einer relativen Feuchtigkeit von etwa 60% mit einem Dreipunkt-Biegetest gemessen werden (JIS K 7171:1994: Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften).
Jedwedes Verfahren, das ein hochfestes Mikrofasermaterial oder einen hochfesten Mikrofaserformgegenstand erzeugen kann, ist zur Herstellung des Materials oder des Formgegenstands der Erfindung verwendbar. Beispielsweise können die folgenden Verfahren verwendet werden.
In einem Verfahren können Mikrofaserblätter durch Ausbilden einer Mikrofasersuspension zu einem Papier hergestellt werden. Übliche Dispersionsmedien sind nicht speziell beschränkt, solange sie die Festigkeit von Cellulosekristallen nicht vermindern. Bevorzugt sind Wasser, Ethylenglykol, Methanol, Ethanol und entsprechende Alkohole.
Die vorstehend genannte Mikrofasersuspension wird als eine „Zusammensetzung zur Herstellung von hochfesten Materialien oder hochfesten Formgegenständen" bezeichnet. Gegebenenfalls kann die Zusammensetzung Additive enthalten, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Das Verfahren zur Ausbildung der Suspension zu einem Papier ist nicht speziell beschränkt und gebräuchlich verwendete Papierherstellungsverfahren können eingesetzt werden. Unter Berücksichtigung der Papiererzeugbarkeit, der Fließfähigkeit, Bedingungen, bei denen Mikrofasern nicht ausflocken, usw., beträgt die Konzentration der Suspension etwa 0,01 bis etwa 10 Gew.-%, vorzugsweise etwa 0,02 bis etwa 5 Gew.-% und besonders bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 1 Gew.-%.
Ein einzelnes Blatt oder gegebenenfalls zwei oder mehr laminierte Blätter von Mikrofasern, die durch Ausbilden der Suspension zu einem Papier hergestellt werden, werden einem Heißlufttrocknen, Pressen oder dergleichen unterzogen, um die Menge des Dispersionsmediums zu vermindern. Wenn die Menge des Dispersionsmediums vermindert worden ist, werden die Blätter warmgepresst, so dass ein hochfestes Material der Erfindung erhalten wird. Die Blätter können nicht nur in einer Laminatform verwendet werden, sondern auch gefaltet oder gerollt werden.
Wenn Stärke als Additiv verwendet wird, umfassen Beispiele für verwendbare Verfahren die Verwendung einer Mikrofibrillensuspension, bei der eine Stärkelösung als Dispersionsmedium verwendet wird, das Eintauchen einzelner Blätter oder laminierter Blätter von Mikrofasern in eine Stärkelösung, usw.
Der Zeitpunkt des Beginnens mit dem Warmpressen ist nicht speziell beschränkt, solange damit nach der Verminderung der Menge des Dispersionsmediums begonnen wird, was eine einfache Handhabung und ein schnelles Trocknen ermöglicht.
Die Warmpressbedingungen können gemäß dem gewünschten Material oder Formgegenstand und anderer Faktoren, wie z. B. der Dicke und der Größe des Mikrofaserblatts und der Art und der Menge des Additivs, zweckmäßig ausgewählt werden. Bevorzugt sind Bedingun gen, bei denen die Mikrofasern nicht zerstört werden: z. B. ein Druck von etwa 0,01 bis etwa 200 MPa und vorzugsweise von etwa 0,01 bis etwa 80 MPa, und eine Temperatur von etwa 20 bis etwa 200°C und vorzugsweise von etwa 60 bis etwa 180°C.
Die Dauer des Warmpressens ist nicht speziell beschränkt und kann gemäß dem gewünschten Material oder Formgegenstand zweckmäßig ausgewählt werden. Beispielsweise wird es etwa 10 Sekunden bis etwa 48 Stunden, vorzugsweise etwa 0,1 bis etwa 24 Stunden und mehr bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 20 Stunden durchgeführt.
Wenn ein Warmpressen durchgeführt wird, während die Menge des Dispersionsmediums vermindert wird, ist ein Formpressen unter Verwendung von Matrizen, die aus feuchtigkeitsdurchlässigen Materialien hergestellt sind, wie z. B. aus porösen Metallen, porösen Keramiken und dergleichen, bevorzugt, da ein Formen zu einer gewünschten Form einfach durchgeführt werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Materials oder eines hochfesten Formgegenstands der Erfindung ohne Ausbilden der Mikrofasersuspension zu Papier umfassen z. B. die folgenden Verfahren. In einem Verfahren, wenn die Menge des Mikrofaserdispersionsmediums partiell vermindert ist, wird die Suspension in einer Matrize, einem Formwerkzeug oder dergleichen angeordnet, die bzw. das aus einem feuchtigkeitsdurchlässigen Material, wie z. B. einem porösen Metall oder einer porösen Keramik, hergestellt ist. Dann wird ein zur Entfernung von Wasser erforderlicher Druck angelegt. Wenn die Menge des Dispersionsmediums auf einen bestimmten Grad vermindert worden ist, wird ein Warmpressen in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt. Durch weiteres Wiederholen des Entfernens des Dispersionsmediums und des Zugebens der Mikrofasersuspension je nach Erfordernis kann ein Formgegenstand mit einer gewünschten Dicke erhalten werden.
Wenn Materialien oder Formgegenstände, die ein thermoplastisches Harz als ein Additiv enthalten, hergestellt werden sollen, kann ein Verfahren eingesetzt werden, welches das Unterziehen eines Gemischs aus einem thermoplastischen Harz und von Mikrofasern mit einer durch eine Filtration ausreichend verminderten Menge des Dispersionsmediums einem Warmformen umfasst. Das zuzusetzende Harz ist bezüglich der Form nicht speziell beschränkt und es kann z. B. in der Form von Pulvern, Teilchen oder Fasern zugesetzt werden. Die Erwärmungstemperaturen sind ebenfalls nicht speziell beschränkt und können gemäß der Art des verwendeten Harzes, usw., zweckmäßig ausgewählt werden.
Ein Verfahren, welches das Laminieren der gewünschten Anzahl von Mikrofaserblättern, die durch eine Papierherstellung erhalten worden sind, und von thermoplastischen Harzblättern und das Schmelzen der laminierten Blätter umfasst, ist ebenfalls verwendbar. Es ist auch möglich, ein Verfahren einzusetzen, welches das Eintauchen von laminierten Mikrofaserblättern in eine Lösung eines thermoplastischen Harzes umfasst.
Wenn Materialien, die ein wärmehärtbares Harz als ein Additiv umfassen, hergestellt werden sollen, umfasst ein verwendbares Verfahren das Suspendieren von Mikrofasern in einer etwa 0,1 bis etwa 60 Gew.-%igen und vorzugsweise etwa 2 bis etwa 20 Gew.-%igen Lösung eines wärmehärtbaren Harzes anstelle von Wasser und das Ausbilden der Suspension zu Papier, so dass Mikrofaserblätter gebildet werden.
Ein Verfahren, welches das Ausbilden einer Mikrofasersuspension zu Papier, Laminieren der erhaltenen Mikrofaserblätter und Eintauchen der laminierten Blätter in eine Lösung eines wärmehärtbaren Harzes umfasst, kann ebenfalls eingesetzt werden. Die Konzentration der Lösung des wärmehärtbaren Harzes ist nicht speziell beschränkt und kann innerhalb des Bereichs von z. B. etwa 0,1 bis etwa 60 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 20 Gew.-% liegen. Die Eintauchzeit ist ebenfalls nicht speziell beschränkt. Die Blätter können z. B. für etwa 1 Sekunde bis etwa 10 Tage, vorzugsweise für etwa 10 Sekunden bis 1 Tag und mehr bevorzugt für etwa 1 Minute bis etwa 1 Stunde eingetaucht werden.
Das hochfeste Material oder der hochfeste Formgegenstand der Erfindung weist ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit auf und kann folglich allgemein anstelle von Metallen, Keramiken, Kunststoffen, usw., verwendet werden. Beispielsweise kann das hochfeste Material oder der hochfeste Formgegenstand in den folgenden Produkten eingesetzt werden: Gehäusen von elektronischen Haushaltsgeräten, wie z. B. Personalcomputern, Mobiltelephonen, Fernsehgeräten, Klimaanlagen, Druckern und dergleichen, Büroausstattungen, wie z. B. stationären Geräten und dergleichen, Möbeln, wie z. B. Schreibtischen, Stühlen, Tischen, Kommoden/Kleiderschränken, Schminktischen und dergleichen, Gegenständen des täglichen Bedarfs, wie z. B. Geschirr, Essstäbchen, Schneidbrettern und entsprechenden Küchenutensilien, Pflanzenzuchtmaterialien und landwirtschaftlichen Materialien, Sportgeräten, Kraftfahrzeugarmaturenbrettern und entsprechenden Innenausstattungen, oben angeordneten Gepäckfächern in Flugzeugen, Strukturelementen von Transporteinrichtungen, und Baumaterialien, wie z. B. Klosettelementen für den Wohnbereich, Säulen, Trägern, Zargen und dergleichen. Wenn keine Leiter als Additive verwendet werden, ist das resultierende Material oder der resultierende Formgegenstand stark isolierend und kann folglich in elektrischen Geräten, elektronischen Geräten und Kommunikationsgeräten eingesetzt werden.
Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung
Nachstehend sind Beispiele zur detaillierteren Veranschaulichung der Erfindung angegeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1 (Herstellung eines Materials, das aus Mikrofasern besteht)
Eine 2%ige Pulpeaufschlämmung, die durch Dispergieren von Kraftpulpe (NBKB) (ein Produkt von Daishowa Paper Manufacturing Co., Ltd.) erhalten worden ist, wurde im Vorhinein durch eine Ganzstoffmahlmaschine zerkleinert und dann vierzehnmal durch eine Hochdruckhomogenisiervorrichtung geschickt (F. W. Herrick, R. L. Casebier, J. K. Hamilton, K. R. Sandberg, J. Appl. Polyur. Sci.: Applied Polymer Symposium, 37, 797–813 (1983)), um Mikrofibrillen zu bilden. Die erhaltenen Mikrofibrillen wiesen ein Wasserrückhaltevermögen von 450% auf. Die so erhaltenen Mikrofibrillen wurden in diesem und den folgenden Beispielen verwendet.
Eine wässrige Suspension mit einem Mikrofaser-Feststoffgehalt von 10% wurde in eine Matrize mit einer darunter angeordneten porösen Metallplatte eingebracht, um Wasser daraus zu entfernen, und zu einem Mikrofaserblatt mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 100% und einer Dicke von etwa 3 mm geformt. Das Blatt wurde 24 Stunden bei 70°C getrocknet, um den Feuchtigkeitsgehalt auf 5% zu vermindern, und dann sandwichartig zwischen porösen Metallplatten angeordnet und 30 min bei 150°C und 100 MPa warmgepresst. Nach dem Abkühlen wurde das Blatt entfernt.
Das resultierende Material wies eine Länge von 60 mm, eine Breite von 60 mm und eine Dicke von 1,5 mm auf und es wies eine Dichte von 1,45 g/cm³, einen Feuchtigkeitsgehalt von 2 bis 3% und eine Biegefestigkeit von 200 bis 250 MPa auf.
Beispiel 2 (Herstellung eines Materials, das Mikrofasern und Stärke umfasst)
Einer wässrigen Suspension mit einem Mikrofaser-Feststoffgehalt von 10% wurde eine 5%ige wässrige Lösung von löslicher Stärke in einer Menge von 2 Gew.-% Stärke, bezogen auf das Gesamttrockengewicht von Mikrofasern, zugesetzt und damit gemischt. Ein Blatt aus Mikrofasern wurde in einer Weise, die derjenigen von Beispiel 1 entsprach, hergestellt und getrocknet. Das resultierende Blatt wurde 60 min bei 120°C und 20 MPa warmgepresst.
Das erhaltene Material wies eine Länge von 60 mm, eine Breite von 60 mm und eine Dicke von 1,5 mm auf und es wies eine Dichte von 1,45 g/cm³, einen Feuchtigkeitsgehalt von 2 bis 3% und eine Biegefestigkeit von 280 bis 320 MPa auf.
Beispiel 3 (Herstellung eines Materials, das Mikrofasern und ein thermoplastisches Harz umfasst)
Eine wässrige 0,1%ige Mikrofasersuspension und eine wässrige 0,1%ige Suspension von 5 mm langen Polymilchsäurefasern wurden getrennt hergestellt und intensiv gerührt. Die Suspensionen wurden dann in einem Gewichtsverhältnis von 5:2 zur Bildung von Papierblättern vollständig gemischt. Nach dem Trocknen wurden die Blätter getrocknet und dann 30-fach laminiert und in einer Rundmatrize 10 min bei 170°C und 30 MPa warmgepresst.
Das erhaltene Material wies einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 1,3 mm, eine Dichte von 1,37 g/cm³, einen Feuchtigkeitsgehalt von 2 bis 3% und eine Biegefestigkeit von 200 bis 270 MPa auf.
Beispiel 4 (Herstellung eines Materials, das Mikrofasern und ein wärmehärtbares Harz umfasst)
Mikrofaserblätter, die in einer Weise erhalten worden sind, die derjenigen von Beispiel 1 entspricht, wurden 35-fach laminiert und in eine 8%ige Methanollösung eines Phenolharzes mit einem Molekulargewicht von etwa 3000 eingetaucht. Nach dem Entfernen von Methanol wurde das Blatt in einer Rundmatrize 30 min bei 160°C und 80 MPa warmgepresst.
Das erhaltene Material wies einen Phenolharzgehalt von 16%, einen Durchmesser von 50 mm, eine Dicke von 1,3 mm, eine Dichte von 1,42 g/cm³, einen Feuchtigkeitsgehalt von 2 bis 3% und eine Festigkeit von 350 bis 400 MPa auf.
Beispiel 5 (Herstellung eines Materials, das Mikrofasern und ein wärmehärtbares Harz umfasst)
Einer wässrigen Suspension mit einem Mikrofaser-Feststoffgehalt von 10% wurde eine 10%ige Methanollösung eines Phenolharzes mit einem Molekulargewicht von etwa 3000 in einer Menge von 20 Gew.-% des Harzes, bezogen auf das Gesamttrockengewicht (Feststoffbasis) von Mikrofasern, zugesetzt und damit gemischt. Nach dem Trocknen (Lufttrocknen) zum Vermindern des Feuchtigkeitsgehalts auf etwa 200% wurde das Gemisch bei 50°C zu einem Feuchtigkeitsgehalt von 100% weiter getrocknet, während es horizontal zwischen porösen Metallplatten sandwichartig angeordnet und bei einem Druck von 0,01 MPa gepresst wurde. Das getrocknete Produkt wurde dann 30 min bei 160°C und 0,1 MPa warmgepresst. Das erhaltene Material wies eine Länge von 50 mm, eine Breite von 50 mm und eine Dicke von 1,5 mm auf, und es wies eine Dichte von 1,3 g/cm³, einen Feuchtigkeitsgehalt von 2 bis 3% und eine Biegefestigkeit von 220 bis 250 MPa auf.

Die Tabelle 1 zeigt die Dichte, den Young'schen Modul und die Festigkeit verschiedener Materialien als Bezug. Die Tabelle 2 zeigt die in den Beispielen 1 bis 4 erhaltenen Materialien. Tabelle 1

Material	Dichte (g/cm³)	Young'scher Modul (GPa)	Festigkeit (MPa)
Holz	0,5	10	100
Glas	2,2	75	50
Phenolharz (mit zugesetztem Holzmehl)	1,3	8	80
Acrylharz (Methylmethacrylat)	1,2	3	100
Unlegierter Stahl	7,8	210	300
Baustahl	7,8	210	450
Rostfreier Stahl	7,8	210	1000
Magnesiumlegierung	1,8	45	200
Aluminiumlegierung	2,8	70	180–250
Aluminiumlegierung (Extra super-Duraluminium)	2,8	75	500
Titanlegierung	4,4	110	1000
Glasfasern	2,5	75	2500
Kohlefasern	1,7	230	3000
Aramidfasern	1,4	130	2800
GFRP (uniaxial orientiert)	2,0	40	1200
CFRP (uniaxial orientiert)	1,7	140	1500
Holz mit hoher Festigkeit (uniaxial orientiert)	1,4	62	670

* GFRP steht für glasfaserverstärkten Kunststoff.
* CFRP steht für kohlefaserverstärkten Kunststoff.

Beispiel		Dichte (g/cm³)	Porosität (%)	Festigkeit (MPa)
1	Nur Mikrofasern	1,45	4,6	200–250
2	Mikrofasern (98%) Lösliche Stärke (2%)	1,45	4,6	280–320
3	Mikrofasern (70%) Lösliche Stärke (30%)	1,37	3,5	200–220
4	Mikrofasern (84%) Phenolharz (16%)	1,42	4,4	350–400
5	Mikrofasern (80%) Phenolharz (20%)	1,33	4,8	220–250

Industrielle Anwendbarkeit
Das erfindungsgemäße Material weist ein geringes Gewicht und eine beträchtlich hohe Festigkeit auf, die zu derjenigen von Baustahl äquivalent ist. Ferner kann das erfindungsgemäße Material unter Verwendung von Altpapier, Altkleidern und dergleichen hergestellt werden. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Material, das Mikrofasern als eine Hauptkomponente umfasst, durch geeignetes Auswählen der Art und der Menge des Bindemittels durch Mikroorganismen, usw., zersetzt werden, nachdem es als Abfall deponiert worden ist, und es ist somit umweltfreundlich.

Claims

Hochfestes Material mit einer Biegefestigkeit, gemessen nach JIS K 7171:1994, von mindestens 200 MPa, umfassend 65 bis 100 Gew.-% Cellulosemikrofasern.
Hochfestes Material nach Anspruch 1, umfassend 65 bis 99 Gew.-% Cellulosemikrofasern.
Hochfestes Material nach Anspruch 1, umfassend ein wärmehärtbares Harz oder ein thermoplastisches Harz.
Hochfestes Material nach Anspruch 1, umfassend Stärke.
Hochfestes Material nach Anspruch 1 mit einer Porosität von 20% oder weniger.
Hochfestes Material nach Anspruch 1 mit einer Dichte von mindestens 1,1 g/cm³.
Hochfestes Material nach Anspruch 1, dessen Feuchtigkeitsgehalt 5% oder weniger beträgt.
Hochfester Formgegenstand mit einer Biegefestigkeit, gemessen nach JIS K 7171:1994, von mindestens 200 MPa, umfassend 65 bis 100 Gew.-% Cellulosemikrofasern.
Hochfester Formgegenstand nach Anspruch 8, umfassend 65 bis 99 Gew.-% Cellulosemikrofasern.
Hochfester Formgegenstand nach Anspruch 8, umfassend ein wärmehärtbares Harz oder ein thermoplastisches Harz.
Hochfester Formgegenstand nach Anspruch 8, umfassend Stärke.
Hochfester Formgegenstand nach Anspruch 8 mit einer Porosität von 20% oder weniger.
Hochfester Formgegenstand nach Anspruch 8 mit einer Dichte von mindestens 1,1 g/cm³.
Hochfester Formgegenstand nach Anspruch 8, dessen Feuchtigkeitsgehalt 5% oder weniger beträgt.
Hochfestes Produkt, umfassend das hochfeste Material nach Anspruch 1 und/oder den hochfesten Formgegenstand nach Anspruch 8.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aus einer Zusammensetzung, enthaltend Cellulosemikrofasern in einem Dispersionsmedium, wobei das Verfahren das Verringern der Menge des Dispersionsmediums und das Warmpressen der resultierenden Zusammensetzung umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Formgegenstands nach einem der Ansprüche 8 bis 14 aus einer Zusammensetzung, enthaltend Cellulosemikrofasern in einem Dispersionsmedium, wobei das Verfahren das Verringern der Menge des Dispersionsmediums und das Warmpressen der resultierenden Zusammensetzung umfaßt.