DE69421084T2

DE69421084T2 - Bioverbundwerkstoff und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE69421084T2
Application number: DE69421084T
Authority: DE
Inventors: Donald Anderson; Carl Gruber; Michael Riebel; Kenneth Roos; Paul Torgusen
Original assignee: Phenix Composites Inc
Current assignee: Phenix Composites Inc
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2014-08-11
Also published as: EP0713508A1; KR960703979A; AU685504B2; CN1143971A; WO1995004779A1; EP0713508B1; JP2005132116A; JPH09501463A; DE69421084D1; AU7669594A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bioverbundwerkstoffe, insbesondere ein partikuläres wärmegehärtetes Bioverbundmaterial, hergestellt aus einer gemahlenen Hülsenfrucht und einem Cellulosematerial, das beim Verschmelzen des partikulären Materials einen wärmegehärteten Bioverbundwerkstoff mit starrer Struktur bildet. Der erhaltene Werkstoff ahmt die ästhetischen Merkmale von Stein nach und kann so hergestellt werden, daß er die physikalischen Merkmale von Holz aufweist.
Mit wachsendem Interesse und Druck zur Entwicklung von Produkten aus erneuerbaren Rohstoffen, zielten verschiedene Anstrengungen auf die Entwicklung nutzbarer Produkte aus landwirtschaftlichen Feldfrüchten. Der hauptsächliche Teil dieser Anstrengungen betraf die Herstellung von Ersatzstoffen für Kunststoffe auf Petrochemiebasis und Treibstoffe sowie beispielsweise Paneele auf Holzbasis. Außerdem zielten verschiedene Anstrengungen mit wachsendem Interesse und Druck, alternative Verwendungen für Abfallstoffe zu finden, auf die Entwicklung verwendbarer Produkte aus Recycling-Zeitungspapier und anderen Papierrohstoffen. Der hauptsächliche Teil dieser Anstrengungen betrafdie Herstellung von Gebäudeisolationsmaterialien, Faserplatten, Spanplatten und dgl. Aus trockenen zerkleinerten Cellulosematerialien oder mehrfachen Schichten von Zeitungspapier hergestellte Isolationsmaterialien sind in den U.S.-Patenten Nr. 4,184,311 (Rood) und 4,300,322 (Clark) und der australischen Anmeldung mit der Serien-Nr. 36603/84 (Hartlett et al.) beschrieben. Stabile Blöcke aus zerkleinertem Zeitungspapier und 0,5-3% Ligninsulfonatbindemittel sind im U.S.-Patent Nr. 4,148,952 (Nelson et al.) beschrieben. Diese Blöcke werden zur Verfestigung von Altpapier verwendet, um die Handhabung und den Transport an Orte zu erleichtern, wo die Blöcke zerkleinert werden.
Verschiedene Verfahren zur Herstellung von Konstruktionsbaustoffen, z. B. Faserplatten, Hartpappe, Spanplatten, aus Altpapier sind bekannt. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent Nr. 4,111,730 (Balatinecz) Papierflockenplatten aus zerkleinertem Altpapier, z. B. aus Flocken von etwa 0,5-2 Zoll auf 1-6 Zoll, und einem synthetischen wärmehärtbaren Harz auf Erdölbasis, z. B. Harnstoff-Formaldehyd- oder Phenol-Formaldehyd-Harz. Das Harz wird in einer Menge verwendet, daß 6-15% Harzfeststoffe erzielt werden. Der Feuchtigkeitsgehalt der Papierflocken während des Mischens mit dem Harz wird unter 12% gehalten. Zur Steigerung der Oberflächenqualität der erhaltenen Papierflocken-platte und zur Steigerung der Festigkeit und Steifigkeit wird die Oberfläche mit einem Gemisch aus Holzstaub oder Cellulosematerial und einem formaldehydhaltigen Harz beschichtet.
Das U.S.-Patent Nr. 5,011,741 (Hoffman) offenbart ein mehrlagiges Papierprodukt, z. B. Deckenkarton, das aus Schichten von Kraftzellstoff, d. h. Faserholzspänen, und aufgeschlossenem Zeitungspapier, d. h. Zeitungspapier, das den bei herkömmlichen Aufschlußverfahren verwendeten chemischen Dispersionsmitteln ausgesetzt wird, hergestellt wird. Das aufgeschlossene Zeitungspapier enthält im wesentlichen keine Feinstoffe und Fasern mit einer Länge unter 50 Mikron. Es wird mit gekochter kationischer Stärke imprägniert, um die innere Festigkeit und die Verklebung zwischen den Schichten zu verstärken.
Die U.S.-Patente Nr. 4,994,148 (Shetka) und 5,064,504 (Shetka) offenbaren ebenfalls Verfahren zur Herstellung geformter Strukturblöcke aus einer Zeitungspapieraufschlämmung, die in einer Siebwandformkammer einer Presse hergestellt werden. Das Zeitungspapier oder anderes Celluloseprodukt wird mit einer ausreichenden Menge Wasser, z. B. einem 50 : 50-Gemisch, zusammengebracht, um das Papier in eine fließfähige Form aufzuschließen. Ein Gips-, Zement- oder Latexbindemittel kann ebenfalls zur wäßrigen Faserstoffsuspension gegeben werden. Die erhaltene Aufschlämmung wird dann in die Formkammer gegossen. Das Härten der Blöcke wird mittels Lufttrocknen durchgeführt. Das U.S.-Patent Nr. 3,718,536 (Downs et al.) offenbart eine Verbundplatte, die aus einer Masse zerkleinerten Papiers, die ein thermoplastisches Polymer, wie Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid und dgl. enthält, hergestellt ist. Die Verbundplatte ist aus einzelnen Stücken, z. B. Blättern oder Spänen, von Papier hergestellt, die in übereinanderliegender und überlappender Weise angeordnet sind, was sie von Verbundplatten aus faserigen Werkstoffen unterscheidet, die mittels nasser oder trockener Verfahren hergestellt werden. Beim Verfahren werden die Papierstücke mit dem thermoplastischen Polymer beschichtet, das die Stücke zusammenbindet. So zeigen Querschnitte der Verbundplatte die Laminierung der Papierschichten, die durch das thermoplastische Polymer miteinander oberflächenverklebt, d. h. kontaktverklebt, sind. Diese Werkstoffe, die thermoplastische Polymere enthalten, können jedoch aufgrund der Brandschutzrichtlinien nicht in Bauprodukten verwendet werden. Der Grund hierfür ist, daß thermoplastische Werkstoffe erweichen, wenn sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden und dadurch ihre strukturelle Unversehrtheit verlieren.
Im Beispiel 9 des GB-A-2 199 333 wurde ein Polyisocyanat-Präpolymer auf ein pulverisiertes Gemisch gesprüht, das Sägemehl und Sojabohnenmehl enthielt, und die so erhaltene Zusammensetzung wurde druckgeformt.
Alle bisher bekannten Paneelwerkstoffe, die Cellulosematerialien aus Altpapier, Papierprodukten oder Faserabfall und/oder landwirtschaftlichen Produkten enthalten, weisen, wenn sie nicht separat mit einem dekorativen Oberflächenlaminat laminiert werden, einheitlich unerwünschte Eigenschaften auf. Beispielsweise besitzen sie gewöhnlich stumpf-graue oder mattgraue Farben ohne charakteristische oder ästhetisch anziehende Muster. Außerdem fehlt ihnen gewöhnlich die Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Beständigkeit von Konstruktionsbaustoffen. Außerdem sind sie gewöhnlich für viele Anwendungen zu porös.
Das Fehlen von Werkstoffen, die erneuerbare natürliche Rohstoffe enthalten, mit solchen wünschenswerten Eigenschaften beruht wahrscheinlich auf einer Vielzahl von Faktoren, einschließlich beispielsweise: (I) dem Fehlen von Verarbeitungsvorrichtungen zur wiederholten Herstellung einer ästhetisch angenehmen Struktur und Färbung des fertigen Werkstoffs; (2) das Fehlen von Verarbeitungsvorrichtungen zur wiederholten Herstellung von Werkstoffen auf Cellulosebasis mit der Festigkeit und Steifigkeit von Konstruktionswerkstoffen; (3) das Zerkleinern und Wiederaufschließen des Altpapiers verringert die Länge der Cellulosefasern, was die Reiß- und Scherfestigkeit des fertigen Werkstoffs beeinträchtigen kann; (4) das teure Entfärben und Bleichen des Cellulosematerials, die die Wettbewerbsfähigkeit des Werkstoffs verringern, und (5) das mögliche Vorliegen unerwünschter Verunreinigungen im Altpapierbrei, die eine schädlich Wirkung auf die Oberflächenbeschaffenheit, die Bindung, die Starrheit und die strukturelle Unversehrtheit des Produkts haben können.

Zusammenfassung der Erfindung

Angesichts des Vorstehenden und zur Überwindung der Nachteile des Standes der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein faserverstärktes partikuläres Bioverbundmaterial auf Proteinbasis bereit, d. h. diskrete Partikel aus einem wärmehärtbaren Harz auf Hülsenfruchtbasis und einem Cellulosematerial. Sie stellt außerdem druckgeformte Bioverbundwerkstoffe mit starrer Struktur bereit, die durch Verschmelzen des partikulären Materials unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur aus dem partikulären Material hergestellt werden. Die einzelnen Partikel, die auch einen Farbstoff enthalten können, behalten, wenn sie verschmolzen sind, definierte und eindeutige Abgrenzungen. Dies führt zur Herstellung eines druckgeformten Werkstoffs, der ein gefärbtes Muster aufweisen kann, das Granit oder anderen Natursteinen ähnelt. Die Erfindung offenbart auch die zur Herstellung des partikulären Materials und der Produkte daraus, d. h. Plattenrohmaterial (engl. "board stock") und andere druckgeformte Werkstoffe, notwendigen Verfahren.
Das partikuläre Material und die erhaltenen druckgeformten Werkstoffe enthalten das Harz auf Hülsenfruchtbasis und faseriges Cellulosematerial in Mengen, daß das Verhältnis von Cellulosefeststoffen zu Harzfeststoffen 0,8 : 1,0 bis 1,5 : 1,0, vorzugsweise 0,8 : 1,0 bis 1,3 : 1,0 ist. Besonders bevorzugte druckgeformte Werkstoffe enthalten auch ein zweites wärmehärtbares Bindemittel, wie ein Isocyanat, vorzugsweise ein aromatisches Isocyanat, für verbesserte mechanische und physikalische Eigenschaften.
Die anfänglich hergestellten diskreten faserverstärkten Partikel auf Proteinbasis haben einen Feuchtigkeitsgehalt von 55-75% und eine Partikelgröße von nicht mehr als etwa 0,5 Zoll (1,3 cm). Es ist besonders vorteilhaft im Druckformungsverfahren, wenn der Feuchtigkeitsgehalt dieser diskreten Partikel auf weniger als 20%, vorzugsweise auf weniger als 15% und am stärksten bevorzugt auf weniger als 12% verringert ist. Zur Herstellung druckgeformter Produkte unter Verwendung des zweiten wärmehärtbaren Bindemittels, z. B. eines aromatischen Isocyanats, ist der Feuchtigkeitsgehalt am stärksten bevorzugt 6-8%, um besonders verbesserte mechanische und physikalische Eigenschaften zu erzielen. Diese Eigenschaften werden durch Verwendung eines wasserabweisenden Schlichtungsmittels in Kombination mit dem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel weiter verbessert.
Die diskreten Bioverbundstoffpartikel können einen starren Bioverbundwerkstoff mit einem Bruchmodul von etwa 6,9-69 MPa [1000-10000 Pfund pro Quadratzoll (psi)] und einem Elastizitätsmodul von etwa 690 MPa-6900 MPa [100000-1000000 psi] (getestet gemäß ASTM:D 1037-91) bilden. Gewöhnlich hat der starre druckgeformte Bioverbundwerkstoff bei Verwendung des zweiten wärmehärtbaren Bindemittels (z. B. eines aromatischen Isocyanats) und des wasserabweisenden Schlichtungsmittels (z. B. eines wasserlöslichen wachsartigen Materials) ein Bruchmodul von mehr als etwa 24 MPa [3500 psi], vorzugsweise mehr als etwa 27,6 MPa [4000 psi] und stärker bevorzugt mehr als etwa 31 MPa [4500 psi] und ein Elastizitätsmodul von mehr als etwa 3450 MPa [500000 psi], vorzugsweise mehr als etwa 4140 MPa [600000 psi] und stärker bevorzugt mehr als etwa 4830 MPa [700000 psi].
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung dieser Werkstoffe. Diese Verfahren umfassen: das Herstellen eines wäßrigen Harzes auf Hülsenfruchtbasis mit einem pH-Wert von 10-14, das vorzugsweise einen Farbstoff enthält, und das Vermengen eines faserigen Cellulosematerials mit dem wäßrigen Harz auf Hülsenfruchtbasis in einer Menge und auf eine Weise, daß diskrete Bioverbundstoffpartikel mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 55-75%, einer Partikelgröße von nicht größer als 0,5 Zoll (1,3 cm) und einem Verhältnis von Cellulosefeststoffen zu Harzfeststoffen von 0,8 : 1,0 bis 1,5 : 1,0 hergestellt werden. Diese Partikel, die vorzugsweise einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 20% haben, können zu einem starren druckgeformten Werkstoff verschmolzen werden, indem die trockenen Bioverbundstoffpartikel unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, vorzugsweise einer Temperatur von etwa 250-340ºF (121-171ºC) und einem Druck von etwa 3,1-5,2 MPa [450-750 psi], verpreßt werden. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen werden die getrockneten Partikel vor dem Verschmelzen der Partikel zu einem starren druckgeformten Bioverbundwerkstoff mit dem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel beschichtet, z. B. sprühbeschichtet.
Verschiedene Vorteile und besondere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden eingehenden Beschreibung einschließlich der Figuren und Beispiele deutlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 ist eine Fotografie des erfindungsgemäßen partikulären Materials in einem Zustand mit hohem Feuchtigkeitsgehalt und im trockenen Zustand.
Die Fig. 2 ist eine Fotografie der körnigen Struktur und des steinartigen Aussehens einer Schnittfläche eines Plattenrohmaterials, das aus dem partikulären Material der Fig. 1 hergestellt ist.
Die Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Herstellungsverfahrens für das erfindungsgemäße partikuläre Material und eines erfindungsgemäßen druckgeformten Plattenrohmaterials.
Die Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines alternativen Herstellungsverfahrens für das erfindungsgemäße partikuläre Material und ein erfindungsgemäßes extrudiertes Produkt.
Die Fig. 5 ist ein Schema einer Presse.
Die Fig. 6 ist ein Schema einer kontinuierlichen Extruderstation.

Bioverbundwerkstoff

Die vorliegende Erfindung stellt wärmegehärtetes partikuläres Bioverbundmaterial bereit, hergestellt aus einer gemahlenen Hülsenfrucht und Cellulosematerial, der beim Verschmelzen des partikulären Materials unter Druck wärmegehärtete Bioverbundwerkstoffe mit starrer Struktur bildet. Die einzelnen Partikel sind faserverstärkte Bioverbundstoffpartikel auf Proteinbasis, die, falls gewünscht, auch einen Farbstoff enthalten. Wenn sie zu einem Produkt mit starrer Struktur verschmolzen sind, zum Beispiel entweder durch Formpressen oder Strangpressen, behalten die Partikel klar definierte und eindeutige Abgrenzungen, die unregelmäßig geformte Bereiche bilden. So können Partikel mit unterschiedlichen Schattierungen und Farben vermengt werden, um Produkte herzustellen, z. B. Plattenrohmaterial, die gefärbte Muster zeigen, die Granit oder anderen Natursteinen aus Eruptivgestein oder natürlichen Holztönen und/oder -maserungen, wie Maserholz, ähneln. D. h. es wird ein körniges Erscheinungsbild erzielt, das in einem Fall Granit sehr ähnlich ist. Andere Erscheinungsbilder können jedoch erzielt werden, indem die Konzentrationen der geschlichteten Teilchen und Farbstoffe variiert werden. Die Fig. 1 ist eine Fotografie des erfindungsgemäßen partikulären Materials in einem Zustand mit hohem Feuchtigkeitsgehalt und im trockenen Zustand, und die Fig. 2 ist eine Fotografie der körnigen Struktur und des steinartigen Erscheinungsbildes einer Schnittfläche von Plattenrohmaterial, das aus dem partikulären Material der Fig. 1 hergestellt ist.
Diese druckgeformten Werkstoffe zeigen jedoch physikalische Eigenschaften, die eher Holz als Stein ähnlich sind. D. h. sie zeigen Dichten, strukturelle Unversehrtheit, Starrheit und Verarbeitbarkeit, die eher für Naturholz als für Stein kennzeichnend sind. Außerdem können die Festigkeit, Steifigkeit, Dichte, Härte und Beständigkeit der erfindungsgemäßen druckgeformten Werkstoffe viel höher als die von Spanplatten oder anderen Holzverbundstoffen oder Verbundplattenprodukten auf Cellulosebasis und gleich denen von Flockenplatten auf Holzbasis mit Konstruktionsgüte sein.
Somit stellt die vorliegende Erfindung unregelmäßig gemusterte vielfarbige, d. h. granitähnliche, starre druckgeformte Bioverbundwerkstoffe bereit. Solche granitartigen Muster wurden bisher bei Verbundwerkstoffen, insbesondere bei Verbundwerkstoffen, die Cellulosematerialien, wie Zeitungspapier, enthalten, nicht erreicht. So ergeben sich die erfindungsgemäßen Bioverbundwerkstoffe aus dem richtigen Verständnis des Bildungsprozesses von Naturstein und dem Verhältnis menschlicher Wahrnehmungen von Naturstein. D. h. Naturstein ist aus dicht gepackten zufällig verteilten Kristallen unterschiedlich gefärbter Mineralien gebildet, die sich mit der Zeit als Reaktion auf spezifische physikalische Gesetze zusammenlagern und einem System mit minimaler Energie zustreben. Ein solcher Prozeß ähnelt dem neueren Verständnis der Theorien über geordnete chaotische Systeme. Auge- Gehirn-Wahrnehmungen des Menschen sind dagegen erlernt. So entsteht jede Erkennung und Einschätzung eines Materials als "natürlich" oder "künstlich" aufgrund des mentalen Vergleichs mit erlernten Wahrnehmungen. Da die erfindungsgemäßen künstlich hergestellten Werkstoffe die natürliche zufällige Kristallanordnung von Eruptivgestein, insbesondere Granit, stark ähneln, wird das erhaltene Material als Stein wahrgenommen.
Die Dichte- und Verarbeitbarkeitseigenschaften der starren druckgeformten granitähnlichen Werkstoffe sind mit Holz, wie Eiche, Ahorn, Walnuß, tropischen Harthölzern usw., vergleichbar und oft besser als die holzähnlicher Werkstoffe, wie Flocken- oder Spanplatten. Das Rohmaterial kann beispielsweise wie Möbelholz gesägt, gehobelt, geglättet, geschmirgelt und oberflächenbehandelt werden. Der Werkstoff toleriert Nägel und Schrauben auf ähnliche Weise, gewöhnlich ohne Bruch oder Splittern. Der Werkstoff hat außerdem Kanten, die im Gegensatz zu Span- oder Flockenplatten, die die Verwendung teurer Kantenbearbeitung mit Holzeinlegestreifen erfordern, wie natürliche Holzprodukte verarbeitet und oberflächenbehandelt werden können. Der Werkstoff kann auch als Teil großer oder komplizierter aus einer Reihe einzelner Paneele oder Teile aufgebauter Aufbauten oder Strukturen verwendet werden, die durch herkömmliche Möbelbautechniken miteinander verbunden sind. Die eingeschränkte Porosität des druckgeformten Bioverbundwerkstoffes macht ihn auch zur Vakuumimprägnierung mit Acrylharzderivaten, Epoxyharzen, Lacken oder anderen Oberflächenbehandlungen geeignet, die die Eignung des Werkstoffs für das Bauen, für dekorative oder Konstruktionszwecke steigern.
Das erfindungsgemäße partikuläre Bioverbundmaterial und die erhaltenen druckgeformten Produkte beinhalten hauptsächlich erneuerbare natürliche Rohstoffe, d. h. Cellulosematerial, wie Recycling-Zeitungspapier, und ein Harz auf Proteinbasis, das aus gemahlenem Hülsenfruchtmaterial, wie Sojabohnenmehl, hergestellt ist. D. h. das partikuläre Material ist hauptsächlich ein celluloseverstärktes wärmehärtbares Harzsystem auf Pflanzenproteinbasis. Das Harz auf Proteinbasis (hier auch als Harz auf Hülsenfruchtbasis bezeichnet) bildet die Matrix, d. h. das primäre Bindemittel, des erfindungsgemäßen Bioverbundmaterials, ob in Form eines partikulären Materials oder eines druckgeformten Werkstoffes. Bezogen auf das Trockengewicht ist das Verhältnis von Cellulose- zu Harzfeststoffen, z. B. Papier zu Sojabohnenmehl, 0,8 : 1,0 bis 1,5 : 1,0 und vorzugsweise 1,0 : 1,0 bis 1,3 : 1,0. Somit ist die Menge der wärmehärtbaren Harzfeststoffe, bezogen auf die Gesamtmenge an Harzfeststoffen und Cellulosefeststoffen im partikulären Material vor dem Druckformen vorzugsweise 40-56% und stärker bevorzugt 43-50%.
Beim Zerschneiden der bevorzugten Verbundstoffpartikel, die aus Zeitungsaltpapier und Sojabohnenmehl hergestellt sind, beim am stärksten bevorzugten Feuchtigkeitsgehalt und Verhältnis von Harzfeststoffen zu Cellulosefeststoffen scheinen die Partikel Stücke aus Papier zu enthalten, die vollständig mit Harz imprägniert sind, so daß einzelne Papierfasern harzbeschichtet sind (oder, genauer, mit Harz verschmolzen sind). D. h. es wird eher ein neues Verbundmaterial hergestellt als ein Material, das durch einfaches Zusammenkleben von Papierstücken durch einen Klebstoff mittels Kontaktkleben hergestellt wird.
Bei der Herstellung enthält das partikuläre Material vorzugsweise 55-75% Feuchtigkeit, d. h. Wasser, und stärker bevorzugt 59-67% Feuchtigkeit, bezogen auf das Gesamtfeuchtgewicht der Partikel. Wie hier verwendet, wird dieses Material als das partikuläre Material oder die Partikel "mit hohem Feuchtigkeitsgehalt" bezeichnet. Diese Partikel haben gewöhnlich die Form weicher, formbarer, klebriger, unregelmäßig geformter Stücke oder Kugeln, obwohl auch einzelne faserähnliche Partikel hergestellt werden können. Sie haben eine Partikelgröße (bestimmt durch die größte Abmessung des Partikels) von nicht mehr als 0,5 Zoll (1,3 cm) und oft nicht größer als 0,38 Zoll (0,97 cm). Gewöhnlich lassen sich Partikel, die größer sind, nicht gut verarbeiten, z. B. trocknen oder gut pressen. Diese diskreten Partikel werden im wesentlichen gleichzeitig aus einer agglomerierten Masse von Cellulosematerial und Harz auf Hülsenfruchtbasis unter geeigneten Verarbeitungsbedingungen, wie nachstehend beschrieben, gebildet. Sie fühlen sich relativ trocken oder halbtrocken an, obwohl sie eine große Menge Wasser, z. B. einen Gesamtwassergehalt von 55-75%, enthalten, von dem angenommen wird, daß es innerhalb der Partikel gebunden ist, so daß es nicht leicht unter Handdruck wie Wasser aus einem Schwamm ausgedrückt werden kann. Die Partikel mit hohem Feuchtigkeitsgehalt haben eine ausreichende innere Bindungsfestigkeit, daß sie als diskrete Partikel vorkommen. So können sie relativ leicht in Massenherstellungsverfahren gehandhabt werden, im wesentlichen ohne miteinander zu verkleben und zu größeren Partikeln zu agglomerieren.
Eindeutige Vorteile wurden beim Herstellen solcher Partikel mit hohem Feuchtigkeitsgehalt erhalten. Beispielsweise ergibt sich das einzigartige "granitähnliche" Erscheinungsbild der erfindungsgemäßen druckgeformten Produkte aus der Tatsache, daß die hier beschriebene Zusammensetzung und das hier beschriebene Verfahren Verbundstoffpartikel dieses Typs bilden. Obwohl Partikel mit 55-75% Wasser druckgeformte Produkte bilden können, wird ein besonderer Vorteil erhalten, wenn der Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von 59-67% liegt. D. h. wenn der Feuchtigkeitsgehalt der ursprünglich hergestellten Partikel 59-67% ist, werden besonders wünschenswerte druckgeformte Produkte bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften (z. B. hohes Bruchmodul, hohes Elastizitätsmodul, hohe Härte) und physikalischen Eigenschaften (z. B. geringe Wasserabsorption) erhalten, wie durch das Beispiel 2 veranschaulicht wird. Obwohl die Erfinder auf keine besondere Theorie festgelegt werden möchten, wird angenommen, daß dieser optimale Feuchtigkeitsgehalt eine im wesentlichen vollständige Imprägnierung des Cellulosematerials, z. B. der Papierflocken, durch das Harz auf Proteinbasis erzielt, so daß alle Fasern mit dem Harz innig assoziiert oder "verschmolzen" sind. Wenn weniger als 59% Wasser in den Partikeln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt vorliegt, ist das Cellulosematerial nicht vollständig imprägniert, und Cellulosefasern ragen aus den formbaren Kugeln und bilden abstehende "Fussel". Es können auch unbeschichtete Papierstücke vorhanden sein. Wenn mehr als 75% Wasser zur Herstellung der Partikel verwendet werden, entsteht gewöhnlich eine Aufschlämmung, aus der keine Partikel gebildet werden. Außerdem wird bei einem so hohen Wassergehalt das Sojaharz in dem Maß verdünnt, daß die Bindungsfestigkeit zwischen den Partikeln erheblich reduziert ist. Somit sind diese Partikel mit hohem Feuchtigkeitsgehalt nicht einfach oberflächenbeschichtete Papierstücke, noch sind sie Partikel aus aufgeschlossenem Papier.
Vor dem Verschmelzen in einen starren druckgeformten Werkstoff wird der Feuchtigkeitsgehalt des partikulären Bioverbundstoffmaterials mit hohem Feuchtigkeitsgehalt auf weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 15%, stärker bevorzugt weniger als 12% und am stärksten bevorzugt 3-12%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bioverbundstoffpartikel, verringert. Wenn jedoch der Feuchtigkeitsgehalt zu niedrig ist, binden die Bioverbundstoffpartikel gewöhnlich beim Verschmelzen unter erhöhten Drücken und Temperaturen ohne Zugabe eines zweiten wärmehärtbaren Bindemittels nicht gut. Für bestimmte Anwendungen ist der Feuchtigkeitsgehalt eng auf 8-11% beschränkt, wogegen bei anderen Anwendungen der Feuchtigkeitsgehalt eng auf 6-8% beschränkt ist. Gewöhnlich sind Bioverbundstoffpartikel mit 6-8% Feuchtigkeit ideal für bevorzugte Verfahren, in denen die Partikel mit einem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel, z. B. einem aromatischen Isocyanat, beschichtet werden.
Während des Trocknungsverfahrens wird nicht nur Wasser entfernt, sondern das Harz auf Proteinbasis wird zumindest teilweise gehärtet. Auf diese Weise hat das partikuläre Material innere Bindungsfestigkeit. Außerdem können diese Partikel unter Hitze und Druck miteinander verklebt oder verschmolzen werden. Dies geschieht, da die Viskoelastizität bei erhöhten Temperaturen und Drücken geändert werden kann, so daß die Partikel plastifiziert und fließfähig, aber nicht schmelzbar sind, d. h. die wärmegehärteten Harz/Cellulose- Verbundstoffpartikel sind plastisch verformbar, aber nicht ausreichend thermoplastisch, um zu schmelzen. Man nimmt auch an, daß das wärmegehärtete Harz weiter aushärtet, so daß es Harz-Harz-Wechselwirkungen zwischen den Partikeln gibt, aber nicht in dem Ausmaß, daß die Partikel zusammenfließen und ihre eindeutigen Abgrenzungen verlieren.
Diese getrockneten Bioverbundstoffpartikel sind gewöhnlich plättchenförmig und unregelmäßig geformt, obwohl sie kugelförmig sein können. Beim Wasserverlust erfolgt eine signifikante Verringerung des Volumens der Partikel. So ist die Partikelgröße (bestimmt durch die größte Abmessung des Partikels) gewöhnlich nicht größer als 0,5 Zoll (1,3 cm) und oft nicht größer als 0,38 Zoll (0,97 cm). Obwohl die Partikelgröße gewöhnlich größer als 0,05 Zoll (0,13 cm) ist, können kleine faserartige Partikel, d. h. kleine mit Hülsenfruchtharz verschmolzene Cellulosefasern, vorliegen. Gewöhnlich ist jedoch der Anteil der Feinstoffe, d. h. der getrockneten Bioverbundstoffpartikel mit einer Partikelgröße unter 0,05 Zoll (0,13 cm), kleiner als 5 Gew.-%. Die spezifische Dichte der getrockneten Partikel ist gewöhnlich etwa 0,7-1,0, vorzugsweise etwa 0,9-0,95.
Das Cellulosematerial kann jedes cellulosehaltige Material sein, wie Zeitungspapier, Glanzpapier, unbedrucktes Papier, Büropapier, Computerpapier, Telefonbücher, beschichtete Papiere, Celluloseisolationsmaterial (beschichtet oder unbeschichtet), Kraftpapier, landwirt schaftliche Fasern (z. B. mit der Hammermühle zerkleinerte Maisstengel), Papierholzfasern, Papiermühlenabwasserschlamm, usw. Diese Cellulosematerialien eignen sich, wenn sie abstehende Fasern von dem Typ enthalten, die sich durch Zerkleinern oder Zerkleinern in der Hammermühle ergeben. So sind geeignete Cellulosematerialien solche, die faserig sind, d. h. abstehende Fasern haben. D. h. glattes Cellulosematerial, wie nicht gebundenes Schreibmaschinenpapier, das sauber in Stücke geschnitten wurde, ist gewöhnlich nicht so geeignet wie das mit der Hammermühle zerkleinerte. Von den vorstehend aufgelisteten Cellulosematerialien sind die bevorzugten Materialien Zeitungspapier, ungefärbtes Papier, Büropapier, Computerpapier, unbeschichtete Celluloseisolationsmaterialien und Papiermühlenabwasserschlamm. Stärker bevorzugt ist das Cellulosematerial zerkleinertes oder in der Hammermühle zerkleinertes Zeitungspapier von dem Typ, der als Isolationsmaterial verwendet wird. Das Cellulosematerial kann gegebenenfalls ein flammenhemmendes Mittel, z. B. Borsäure, in einer Menge von bis zu etwa 15 Gew.-% des trockenen Cellulosematerials enthalten.
Je nach dem unterschiedlichen Erscheinungsbild und den mechanischen Eigenschaften, die für das fertige Endprodukt gewünscht werden, kann die Partikelgröße und -form des faserigen Cellulosematerials variieren. Gewöhnlich enthält das Cellulosematerial eine breite Verteilung von Größen (z. B. von einzelnen Fasern bis zu 1 Zoll (2,54 cm) langen Papierstreifen) und Formen (z. B. runde, längliche oder unregelmäßig geformte Papierstücke). Vorzugsweise ist die Partikelgröße (bestimmt durch die größte Abmessung) des größten Teils (d. h. mehr als 50%) des Cellulosematerials kleiner als 1 Zoll (2,5 cm), stärker bevorzugt kleiner als 0,5 Zoll (1,3 cm) und am stärksten bevorzugt 0,06 Zoll (0,16 cm) bis 0,38 Zoll (0,95 cm). Beispielsweise hat ein typisches Cellulosepartikel, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Produkte verwendet wird, Nennmaße von etwa 0,25 Zoll (0,64 cm) auf 0,5 Zoll (1,3 cm). Das Seitenverhältnis, d. h. von Länge zu Breite, der Hauptteil der Partikel des Cellulosematerials ist gewöhnlich nicht größer als etwa 3 : 1 und kann etwa 1 : 1 sein, obwohl Fasern vorliegen können, die ein recht großes Seitenverhältnis haben. So kann das in der vorliegenden Erfindung verwendete Cellulosematerial Cellulosepartikel oder -flocken, gemischt mit locker verdichteten Cellulosefasern oder - feinstoffen, d. h. Partikel von Staubgröße, umfassen. Für die Verarbeitung ist vorteilhaft, wenn in diesem Gemisch die Feinstoffe vorzugsweise weniger als etwa 10% des Gesamtgewichts des Materials ausmachen.
Obwohl das faserige Cellulosematerial, z. B. zerkleinertes Zeitungspapier, als alleiniges Verstärkungsmaterial für das Harz auf Hülsenfruchtbasis verwendet werden kann, können andere faserige Materialien zugegeben werden, um bestimmte wünschenswerte Eigenschaften zu erzielen. Beispielsweise können geschnittene Glasfasern, gesponnene Kunststoffe oder andere faserige Additive mit geeigneter Faserlänge in dem erfindungsgemäßen partikulären Bioverbundmaterial oder in den erfindungsgemäßen druckgeformten starren Bioverbundwerkstoff eingebracht werden. Je nach dem faserigen Material können die Fasern zufallsgemäß dispergiert oder auf verschiedene Weisen zu bestimmten Anordnungen gemischt werden. Wenn beispielsweise eine gerichtete Faserschichtung verwendet wird, kann aus mehrfachen Laminierungen mit spezifischen Achsenanordnungen der zugegebenen Faser Plattenrohmaterial entwickelt werden. Das erhaltene Plattenrohmaterial kann dadurch bevorzugte Biege-, Formungs-, Scher- oder Reißeigenschaften aufweisen. Alternativ können Laminierungen mit zufallsgemäßer Faseranordnung aufeinander geschichtet werden. In allen Fällen wird jedoch ein steinähnlich aussehendes Plattenrohmaterial mit verbesserter Strukturintegrität erhalten.
Das gemahlene Hülsenfruchtmaterial, das zur Herstellung des Harzes auf Hülsenfruchtbasis verwendet wird, enthält eine der Stickstoff-fixierenden Feldfrüchte, wie beispielsweise Bohnen, Erbsen, Klee und Luzerne, die zu einem partikulären Material, z. B. einem schrot- oder mehlartigen Material, gemahlen wird. Vorzugsweise ist das Hülsenfruchtmaterial eine eßbare Hülsenfrucht, d. h. eine Speisehülsenfrucht, wie Sojabohnen, Pintobohnen, Erbsen, Pelagis, usw. Das Hülsenfruchtmaterial kann verschiedene Formen und Größen aufweisen. Beispielsweise kann das Hülsenfruchtmaterial die Form gemahlener ganzer Bohnen (einschließlich der Hülsen, des Öls, Proteins, der Mineralien usw.), eines Schrots (extrahiert oder partiell extrahiert), eines Mehls (d. h. das gewöhnlich weniger als etwa 1,5% Öl und etwa 30-35% Kohlenhydrat enthält) oder eines Isolates (d. h. eines reinen Proteinmehls, das weniger als etwa 0,5% Öl und weniger als etwa 5% Kohlenhydrat enthält) aufweisen. Wie hier verwendet, "Mehl" umfaßt Material, das sowohl die Definition von Mehl als auch die von Isolat erfüllt. Vorzugsweise hat das Hülsenfruchtmaterial die Form eines Mehls, zumindest weil die aus einem Mehl im Gegensatz zu einem Schrot hergestellten druckgeformten Produkte besonders wünschenswerte physikalische Eigenschaften (z. B. Wasserabsorption) sowie mechanische Eigenschaften (z. B. Bruchmodul und Elastizitätsmodul) besitzen.
Das Hülsenfruchtmaterial hat vorzugsweise eine Partikelgröße (bestimmt durch die größte Abmessung) von weniger als etwa 0,1 Zoll (0,25 cm) und stärker bevorzugt weniger als etwa 0,05 Zoll (0,125 cm). Wenn die Partikelgröße viel größer als dies ist, ist das Hülsenfruchtmaterial nicht ausreichend löslich, und die erhaltenen druckgeformten Produkte haben verringerte mechanische Eigenschaften, z. B. Plattenfestigkeit, und sehen weniger perfekt aus. Außerdem ist die zum Auflösen des Materials erforderliche Zeit unerwünscht lang. Obgleich Material, wie ein Schrot, verwendet werden kann, wobei etwa 75% ein 28- Mesh-Sieb (d. h. 0,0334 Zoll, 0,08 cm) nicht passieren und etwa 5% ein 60-Mesh-Sieb (d. h. 0,0167 Zoll, 0,04 cm) passieren, ist ein Mehl aufgrund seiner gewöhnlich kleineren Partikelgrößenverteilung, wie im Beispiel 6 veranschaulicht, stärker bevorzugt. D. h. das am stärksten bevorzugte gemahlene Hülsenfruchtmaterial weist die maximale Partikelgröße von Mehl auf, d. h. etwa 0,005 Zoll (12,7 · 10&supmin;³ cm). Es scheint keine minimale Partikelgrößenanforderung an das gemahlene Hülsenfruchtmaterial zu geben, die Partikelgröße von im Handel erhältlichem Sojabohnenmehl ist aber gewöhnlich kleiner als etwa 0,003 Zoll (7,6 · 10&supmin;³ cm). Beispielsweise passieren von im Handel erhältlichem Sojabohnenmehl mehr als etwa 92% ein 325-Mesh-Sieb, was einer Partikelgröße von etwa 0,003 Zoll (7,6 · 10&supmin;³ cm) entspricht.
Vorzugsweise besitzt das Hülsenfruchtmaterial einen Gehalt an dispergierbarem Protein von etwa 20-100 pdi (d. h. Protein-Dispersions-Index) und stärker bevorzugt etwa 70-100 pdi, wie durch Beispiel 5 veranschaulicht. Am stärksten bevorzugt ist das gemahlene Hülsenfruchtmaterial Sojabohnenmehl mit einem Gehalt an dispergierbarem Protein von etwa 70-95 pdi. Dieses Material stellt ein wünschenwertes Gleichgewicht zwischen der Konzentration an Restkohlenhydraten und der Menge an löslichem Protein, d. h. wasserlöslichem Protein, dar. Sojabohnenmehl mit einem pdi von 90 enthält lösliches Protein in einer Menge von etwa 90% des gesamten verfügbaren Proteins. Ein übliches Sojabohnenmehl mit einem pdi von 90 enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht, eine Menge an löslichem Protein von etwa 50-55%, eine Menge an Restkohlenhydrat von etwa 30-40% und weniger als etwa 1,5% Öl, wobei der Rest aus Hülsen, Wasser und Asche, einschließlich Mineralien (etwa 5-10%) besteht. Ein geeignetes Sojabohnenmehl mit einem pdi von 90, das 50% Protein, 40% Kohlenhydrat, 5% Wasser, 4% Asche und 1% Fett enthält, kann von der Honeymead Products Company (Mankato, MN) erhalten werden.
Das Harz auf Hülsenfruchtbasis, d. h. die Matrix des erfindungsgemäßen Bioverbundwerkstoffs, wird hergestellt, indem das gemahlene Hülsenfruchtmaterial mit einer stark alkalischen wäßrigen Lösung vermischt wird, die ein alkalisches Dispersionsmittel, wie eine starke anorganische oder organische Base enthält. Die Base ist vorzugsweise eine starke anorganische Base, wie KOH, NaOH, Ca(OH)&sub2;, NWOH oder eine Kombination davon. Vorzugsweise ist die Base KOH oder NaOH, stärker bevorzugt KOH. Am stärksten bevorzugt wird der pH-Wert auf das geeignete Niveau mit sowohl KOH als auch Ca(OH)&sub2; eingestellt, zumindest weil Kalium- und Calciumionen dazu neigen, den Feuchtigkeitstransport zu hemmen und somit dem Endprodukt ein gewisses Ausmaß an Feuchtigkeitsbeständigkeit zu verleihen. Eine Menge an Base wird verwendet, um ein Harz mit einem pH- Wert von 10-14, vorzugsweise 10-13 und stärker bevorzugt 12-13 zu erzielen. Bei einem pH- Wert unter 10 wird gewöhnlich kein partikuläres Material der gewünschten Konsistenz erzielt. Dieses alkalisch dispergierte Harz auf Proteinbasis, d. h. Hülsenfruchtbasis, enthält vorzugsweise etwa 58-92% Wasser und stärker bevorzugt etwa 72-83% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht des Harzes.
Das gemahlene Hülsenfruchtmaterial wird im Harz auf Proteinbasis in einer Menge verwendet, daß ein im wesentlichen glattes Harz mit einer Viskosität von etwa 37000-640000 Centipoise (cps), vorzugsweise etwa 104000-184000 cps bei 65ºF (18ºC) hergestellt wird. Vorzugsweise wird das gemahlene Hülsenfruchtmaterial in einer Menge von etwa 15-40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Harzes, verwendet. Stärker bevorzugt wird es in einer Menge von etwa 20-40% und am stärksten bevorzugt etwa 30-35% verwendet. Je nach der Art des Cellulosematerials und der für die druckgeformten Produkte gewünschten Eigenschaften kann die Menge des gemahlenen Hülsenfruchtmaterials variiert werden, obwohl die Viskosität im gewünschten Bereich (d. h. 37000-640000 cps) gehalten werden sollte, der signifikant höher als die Viskositäten typischer Proteinklebstoffe ist (d. h. 500- 75000 cps), die zur Herstellung von Spanplatten usw. verwendet werden.
Dieses Harz ist ein wärmehärtbares Harz, d. h. es verfestigt sich irreversibel beim Erhitzen, gewöhnlich durch mechanische Bindung und chemische Vernetzungsreaktionen. Dies macht die erhaltenen druckgeformten Produkte geeignet als mögliche Konstruktionsbaumaterialien, da sie im Vergleich zu thermoplastischen Harzzusammensetzungen die strukturelle Integrität in einer Hochtemperatur- oder Feuersituation behalten. Das Harz kann zur anschließenden Verwendung gelagert werden, aber die Haltbarkeitsdauer ist gewöhnlich auf weniger als etwa 12 Stunden und oft weniger als etwa 1 Stunde beschränkt, wenn Vernetzungsmittel verwendet werden.
Das Harz kann auch einen wasserdispergierbaren Farbstoff enthalten, der den nachstehend beschriebenen Verarbeitungsbedingungen widerstehen kann, z. B. Temperaturen von bis zu 450ºF (232ºC) und einen pH-Wert im Bereich von 10-14. D. h. der Farbstoff muß in der Lage sein, Farbfestigkeit unter Wärme, Druck und stark alkalischen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Außerdem sollte der Farbstoff UV-stabil sein und gleichmäßig in einer stark alkalischen wäßrigen Lösung dispergiert werden können. Auch darf jedes gefärbte partikuläre Material beim Verarbeiten zu den druckgeformten Produkten nicht signifikant bluten oder Farbe auf benachbartes gefärbtes partikuläres Material übertragen. Diese Anforderungen werden gewöhnlich durch im Handel erhältliche anorganische oder organische Farbstoffe, d. h. Farben oder Pigmente, die in Verbundwerkstoffen verwendet werden, erfüllt.
Geeignete anorganische Farbstoffe sind gewöhnlich Färbematerialien auf Metallbasis, wie Farbstoffe aus gemahlenem Metalloxid vom Typ, der üblicherweise zur Färbung von Zement und Einpreßmörtel verwendet wird. Solche anorganischen Farbstoffe enthalten Metalloxide, wie rotes Eisenoxid (hauptsächlich Fe&sub2;O&sub3;), gelbes Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3; WO), Titandioxid (TiO&sub2;), gelbes Eisenoxid/Titandioxid-Gemisch, Nickeloxid, Mangandioxid (MnO&sub2;) und Chrom(III)oxid (Cr&sub2;O&sub3;); gemischte Metall-Rutil- oder -Spinellpigmente, wie Nickel-Antimon-Titan-Rutil ({Ti,Ni,Sb}O&sub2;), Kobalt-Aluminat-Spinell (CoAl&sub2;O&sub4;), Zink-Eisen- Chromit-Spinell, Mangan-Antimon-Titan-Rutil, Eisen-Titan-Spinell, Chrom-Antimon-Titan- Rutil, Kupferchromit-Spinell, Chrom-Eisen-Nickel-Spinell und Manganferrit-Spinell; Bleichromat; Kobaltphosphat (Co&sub3;(PO&sub4;)&sub2;); Kobalt-Lithium-Phosphat (CoLiPO&sub4;); Mangan- Ammoniumpyrophosphat; Kobalt-Magnesiumborat und Natriumaluminosulfosilikat (Na&sub6;Al&sub6;Si&sub6;O&sub2;&sub4;S&sub4;). Geeignete organische Farbstoffe sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf: Rußschwarz, wie Lampenruß-Pigmentdispersion; Xanthen-Farben; Phthalocyanin-Farben, wie Kupferphthalocyanin und Polychlorkupferphthalocyanin; Chinacridon-Pigmente einschließlich chlorierter Chinacridon-Pigmente; Dioxazin-Pigmente; Anthrochinon-Farben; Azofarben, wie Azonaphthalendisulfonsäure-Farben; Kupferazofarben; Pyrrolopyrrol-Pigmente und Isoindolinon-Pigmente. Diese Farben und Pigmente sind im Handel erhältlich von Mineral Pigments Corp. (Beltsville, MD), Shephard Color Co. (Cincinatti, OH), Tamms Industries Co. (Itasca, IL), Huls America Inc. (Piscataway, NJ), Ferro Corp. (Cleveland, OH), Engelhard Corp. (Iselin, NJ), BASF Corp. (Parsippany, NJ), Ciba-Geigy Corp. (Newport, DE) und DuPont Chemicals (Wilmington, DE).
Der Farbstoff wird zum Harz auf Hülsenfruchtbasis gewöhnlich ohne weitere Verarbeitung und in einer Menge gegeben, daß die erwünschte Farbe entsteht. Vorzugsweise liegt der Farbstoff im partikulären Material in einer Menge von nicht mehr als etwa 15 Gew.- % des Harzes auf Hülsenfruchtbasis, stärker bevorzugt nicht mehr als etwa 10% und am stärksten bevorzugt nicht mehr als etwa 3% vor.
Das Harz auf Hülsenfruchtbasis kann auch ein Entschäumungsmittel, ein Läuterungsmittel oder eine Kombination davon enthalten. Jedes dieser Additive wird im Harz in einer Menge verwendet, daß dem Harz und dem daraus hergestellten partikulären Material wünschenswerte Eigenschaften verliehen werden. Beispielsweise kann ein Läuterungsmittel, d. h. Dispersionsmittel, verwendet werden, um die Textur, d. h. die Glattheit, sowie die Oberflächenspannung, Viskosität und die Fließeigenschaften des Harzes zu verbessern. Das Läuterungsmittel trägt auch zur Dispersion der Harzkomponenten, insbesondere des Farbstoffs bei, wobei es die Viskosität des Harzes einstellt, und kann sogar als Haftverstärker wirken. Ein Entschäumer, d. h. ein Entschäumungsmittel, kann verwendet werden, um eingeschlossene Luft freizusetzen, die die Festigkeit der druckgeformten Werkstoffe beeinträchtigen kann. Vorzugsweise werden ein Entschäumungsmittel und ein Läuterungsmittel allein oder in Kombination in einer Menge von nicht mehr als etwa 8% und stärker bevorzugt nicht mehr als etwa 5%, bezogen auf das Gewicht des Harzes, verwendet. D. h. ob sie allein oder in Kombination verwendet werden, die Gesamtmenge von Entschäumungsmittel plus Läuterungsmittel ist nicht größer als etwa 8%. Geeignete Entschäumungsmittel sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf Kiefernnadelöl und Silikon- Entschäumer. Geeignete Läuterungsmittel sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf Natriumsilikat und CoCob, d. h. gemahlene Maiskolben.
Das zur Herstellung des partikulären Verbundmaterials verwendete Harz auf Hülsenfruchtbasis kann auch geringe Mengen anderer Additive enthalten, wie inerte Füllstoffe, Latexemulsionen oder wachsartige Materialien, Vernetzungsmittel, thermoplastische Klebstoffbindemittel, wärmehärtbare Klebstoffbindemittel, flammenhemmendes Mittel, Fungizide, Katalysatoren und Insektizide. Jedes dieser Additive wird im Harz in einer Menge verwendet, daß wünschenswerte Eigenschaften erzielt werden. Beispielsweise kann ein Füllstoff in einer Menge verwendet werden, daß Masse hinzugefügt und die Porosität des erhaltenen druckgeformten Produkts verringert wird. Geeignete Füllstoffe sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf Holzmehl, Bentonit, Kaolin, Staub und wiederverwertetes erfindungsgemäßes Bioverbundmaterial. Eine Latexemulsion oder ein wachsartiges Material kann in der Harzformulierung in einer Menge verwendet werden, daß die Wasserbeständigkeit des Partikels erhöht wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein wachsartiges Material auf das trockene partikuläre Bioverbundmaterial aufgetragen werden. Geeignete Latexemulsionen sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf die unter dem Handelsnamen FULATEX PD-0512 erhältlichen Latexemulsionen, eine Mischung aus Polyvinylacetat und einer Latexemulsion von der H. B. Fuller Company (St. Paul, MN), Styrol-Butadien-Harz und eine beliebige Latexemulsion, die gewöhnlich in Farben auf Wasserbasis verwendet wird. Geeignete wachsartige Materialien sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf Rohparaffin und die von H. B. Fuller Company (Produktnummer R M0255) und Hercules Incorporated (Wilmington, DE, Produktnummer 2100P) erhältlichen Wachsemulsionen. Ein Vernetzungsmittel kann im Harz in einer Menge verwendet werden, daß die innere Bindungsfestigkeit der einzelnen Partikel gestärkt wird. Geeignete Vernetzungsmittel sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf Latexharze auf Formaldehydbasis, die sich zur Verwendung als Vernetzungsmittel eignen und unter dem Handelsnamen FULLREZ (Produktnummer WB-2523) von der H. B. Fuller Company (St. Paul, MN) erhältlich sind, Dialdehydstärke und Ammoniumchlorid. Ein thermoplastisches Klebstoffbindemittel kann im Harz in einer Menge verwendet werden, daß die Festigkeits- und Härteeigenschaften der einzelnen Partikel erhöht werden, obwohl bevorzugt ist, die Verwendung von thermoplastischen Materialien in den erfindungsgemäßen Produkten zu vermeiden. Geeignete thermoplastische Klebstoffbindemittel sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf Polyvinylacetat ("PVA"). Dies kann allein oder in Kombination mit einer Latexemulsion, wie in den Beispielen durchgeführt, in Form von FULATEX PD-OS 12 von der H. B. Fuller Company zugegeben werden. Ein flammenhemmendes Mittel kann im Harz in einer Menge verwendet werden, die wirksam ist, die Entflammbarkeit des Cellulosematerials zu verringern. Alternativ oder zusätzlich kann das flammenhemmende Mittel direkt zum Cellulosematerial gegeben werden. Wenn es zum Harz gegeben wird, trägt jedoch ein flammenhemmendes Mittel, wie Borsäure, zur Dispersion der trockenen Inhaltsstoffe bei. Geeignete flammenhemmende Mittel sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf Borsäure und Ammoniumsulfat.
Vorzugsweise werden diese Additive allein oder in Kombination in einer Menge von nicht mehr als etwa 20% und stärker bevorzugt nicht mehr als etwa 10%, bezogen auf das Gewicht des Harzes, verwendet. So enthalten das Harz und das erhaltene partikuläre Material und die erhaltenen druckgeformten Produkte nicht mehr als etwa 20% thermoplastische Materialien, wie thermoplastische Klebstoffbindemittel. Vorzugsweise enthalten sie nicht mehr als etwa 10% und stärker bevorzugt nicht mehr als etwa 5%. Am stärksten bevorzugt sind das erfindungsgemäße Harz, das erfindungsgemäße partikuläre Material und die erfindungsgemäßen druckgeformten Produkte im wesentlichen frei von thermoplastischen Materialien, insbesondere von thermoplastischen Klebstoffbindemitteln.
Das Harz auf Hülsenfruchtbasis und das Cellulosematerial werden auf eine Weise vermengt, daß das vorstehend beschriebene partikuläre Material mit hohem Feuchtigkeitsgehalt hergestellt wird. Nach dem Trocknen kann das partikuläre Material für eine unbestimmte Zeitdauer gelagert werden, bevor es zu den druckgeformten Produkten geformt wird. Das partikuläre Material kann bei erhöhten Drücken und Temperaturen in starre Werkstoffe geformt werden. Dies kann ohne zusätzliche wärmehärtbare Bindemittel außer dem Harz auf Hülsenfruchtbasis selbst durchgeführt werden.
Das trockene partikuläre Material ist mit einem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel, wie einem Isocyanat-, phenolischen, Melamin- oder harnstoffhaltigen Bindemittel, beschichtet. Vorzugsweise ist das zweite wärmehärtbare Bindemittel ein organisches Isocyanat und stärker bevorzugt ein aromatisches Isocyanat. Das Isocyanat führt zu stärkeren mechanischen Eigenschaften, z. B. Steifigkeit und Festigkeit, bei den druckgeformten Produkten. Es verringert zum Beispiel das Ausmaß an Verziehen und Krümmung des druckgeformten Werkstoffes. Wie in den Beispielen 7 und 8 gezeigt, kann die Verwendung von Isocyanat das Elastizitätsmodul um etwa 30-40% und das Bruchmodul um etwa 60-70% erhöhen.
Das Isocyanat führt auch zu größerer Formbeständigkeit bei dem erfindungsgemäßen starren druckgeformten Bioverbundwerkstoff. Es ist beispielsweise geeignet zur signifikanten Senkung der Wasserabsorption der druckgeformten Produkte, insbesondere wenn es, wie nachstehend erläutert, mit einem Schlichtungsmittel verwendet wird. Wie im Beispiel 8 gezeigt, kann die Wasserabsorption um bis zu 75% gesenkt werden. Solche Produkte können bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein hoher Grad an Formbeständigkeit erforderlich ist, z. B. als Bodenbelag- oder Thekenplattenwerkstoff. Außerdem verringert das Isocyanat die Verarbeitungszeit und den Energieverbrauch, wodurch das Druckformungsverfahren signifikant effizienter wird.
Es wird angenommen, daß dies aufgrund einer signifikanten Verbesserung der Stärke der Teilchen-Teilchen-Bindung bei Zugabe des Isocyanat-Bindemittels zum trockenen partikulären Material erfolgt. Obwohl die Erfinder nicht an eine besondere Theorie gebunden sein möchten, wird angenommen, daß dies aufgrund einer erhöhten Anzahl an Bindungswechselwirkungen zustande kommt. Diese Wechselwirkungen bestehen nicht nur zwischen dem Harz auf Proteinbasis und der Cellulose, wie in den druckgeformten Produkten ohne Isocyanat, sondern man nimmt an, daß es auch Wechselwirkungen zwischen dem Harz auf Proteinbasis und dem Isocyanat-Bindemittel und zwischen der Cellulose und dem Isocyanat-Bindemittel gibt. Im Kern übt so das zweite wärmehärtbare Bindemittel Wechselwirkungen mit den getrockneten Partikeln aus, die mindestens partiell gehärtetes Harz auf Proteinbasis enthalten, und erzeugt ein duales Harzsystem, das einen größeren Vorteil bietet, als wenn eine Komponente allein verwendet würde.
Geeignete Isocyanate sind u. a. die aromatischen Isocyanate 4,4-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Toluoldiisocyanat (TDI), Xyloldiisocyanat (XDI) und meta-Xyloldiisocyanat (MXDI). Vorzugsweise ist das aromatische Isocyanat MDI. Das Isocyanat kann in einer Menge von etwa 2-20%, vorzugsweise etwa 2-10%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bioverbundstoffpartikel, verwendet werden. Vorzugsweise wird das aromatische Isocyanat in einer Menge von etwa 5-8% verwendet. Vorteilhafterweise ist die Verwendung von Härtern oder Puffern mit dem aromatischen Isocyanat nicht erforderlich, wodurch jegliches Potential für eine Unverträglichkeit mit anderen Additiven, die in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendet werden, verringert wird.
Wie im nachstehenden Beispiel 8 erläutert, ist die Regulation des Feuchtigkeitsgehaltes der Partikel besonders wichtig, wenn ein Isocyanat verwendet wird. Wenn beispielsweise MDI durch Zugabe zum Harz vor der Zugabe der Cellulose zu den feuchten Partikeln gegeben wird, wird kein signifikanter Vorteil in den mechanischen Eigenschaften der erhaltenen druckgeformten Produkte beobachtet. Wenn MDI zu den Partikeln gegeben wird, die auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 15%, stärker bevorzugt weniger als 12% (oft 3-12%) und am stärksten bevorzugt 6-8% getrocknet sind, wird ein signifikanter Vorteil in den mechanischen Eigenschaften sowie den physikalischen Eigenschaften beobachtet.
Zusätzlich zum zweiten wärmehärtbaren Bindemittel kann ein Schlichtungsmittel mit wasserabweisenden Eigenschaften zum trockenen partikulären Material gegeben werden, bevor es zum druckgeformten Produkt verschmolzen wird. Die Verwendung eines Schlichtungsmittels verbessert signifikant die Formbeständigkeit der druckgeformten Paneele, wenn sie Wasser und anderen Flüssigkeiten oder Dämpfen ausgesetzt sind, wie im Beispiel 8 veranschaulicht wird. Geeignete Schlichtungsmittel sind u. a., sind aber nicht beschränkt auf, Paraffinwachs, landwirtschaftliche Öle, modifizierte landwirtschaftliche Öle und Wachsemulsionen, wie vorstehend zur Verwendung in der Harzformulierung beschrieben. Vorzugsweise ist das wachsartige oder ölige Material eine Wachsemulsion. Das wasserlösliche wachsartige Material, d. h. die wachsartige Emulsion, kann in einer Menge von etwa 0,5-2,5%, bezogen auf das Gesamtgewicht der trockenen Bioverbundstoffpartikel, verwendet werden. Vorzugsweise wird die wachsartige Emulsion in einer Menge von etwa 0,9-1,5% verwendet. Das trockene partikuläre Material kann beispielsweise durch Sprühbeschichtung oder mechanisches Mischen mit einer oder beiden dieser Verbindungen, d. h. Isocyanat-Bindemittel und Schlichtungsmittel, allein oder in Kombination beschichtet werden.
Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen druckgeformten Werkstoffe können leicht wie erwünscht reguliert und eingestellt werden. D. h. je nach den Additiven, der Harzmenge, dem Wassergehalt der Partikel, dem ausgeübten Druck und dem Heizschema können beispielsweise die Dichte, Oberflächenhärte, das Biegemodul und die Zug- und Druckfestigkeit der druckgeformten Produkte von Werten, die mit einer typischen Faserplatte mittlerer Dichte vergleichbar sind, auf Werte, die über denen von Eiche oder sogar Apitong (einem dichten tropischen Hartholz) liegen, variiert werden. So kann auch eine Steifigkeit und Festigkeit erhalten werden, die höher als die für Spanplatten mit Konstruktionsgüte und andere Baupaneele erforderlich ist. Zum Beispiel können MDI- beschichtete Partikel zu Paneelen gepreßt werden, die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften haben, die gleich oder besser als die von hochdichter Spanplatte von dem Typ sind, die zur Herstellung von Möbeln verwendet wird.
Je nach den verschiedenen gewählten Komponenten, Mengen und Verarbeitungsparametern können die Werte für das Bruchmodul ("MOR") von 6,9 bis 69 MPa [etwa 1000 psi bis etwa 10000 psi] reichen, und die Werte für das Elastizitätsmodul ("MOE") können von 690 MPa bis 6900 MPa [etwa 100000 psi bis etwa 1000000 psi] reichen. Die Dichte kann ebenfalls auf einen Bereich von etwa 45-100 Pfund pro Kubikfuß (d. h. die spezifische Dichte auf einen Bereich von etwa 0,72-1,60) eingestellt werden. Besonders bevorzugte druckgeformte Werkstoffe haben eine Dichte von etwa 70-90 Pfund pro Kubikfuß (d. h. eine spezifische Dichte von etwa 1,1-1,45). Gewöhnlich können die bevorzugten höheren MOR-, MOE-, Dichte- und spezifische-Dichte-Werte durch Verwendung hoher Harzmengen und/oder hoher Drücke erhalten werden. Die Menge an Wasserabsorption, wie bestimmt durch den Prozentsatz an Randquellung in einem 24-Stunden-Wassertauchtest, kann von etwa 3,5-40% variieren. Gewöhnlich können die bevorzugten niedrigen Werte durch Verwendung eines zweiten wärmehärtbaren Harzes, z. B. MDI, und/oder eines Schlichtungsmittels erhalten werden, das/die vor dem Druckformen auf das trockene partikuläre Material aufgetragen wird/werden. Obwohl die am stärksten bevorzugten erfindungsgemäßen druckgeformten Werkstoffe, z. B. Paneele, niedrige Wasserabsorptionswerte haben, z. B. weniger als etwa 15% Randquellung, können diejenigen mit hohen Wasserabsorptionswerten immer noch vorteilhafte mechanische Eigenschaften (z. B. hohes MOR, MOE und hohe Dichte) haben und somit verwendbar sein.
Gewöhnlich sind die MOR-Werte des erfindungsgemäßen starren druckgeformten Bioverbundwerkstoffs größer als etwa 13,8 MPa [2000 psi], vorzugsweise größer als etwa 19,3 MPa [2800 psi] und stärker bevorzugt größer als etwa 20,7 MPa [3000 psi]. Die MOE- Werte sind gewöhnlich größer als etwa 1380 MPa [200000 psi], vorzugsweise größer als etwa 2410 MPa [350000 psi] und stärker bevorzugt größer als etwa 3100 MPa [450000 psi]. Der gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren und Formulierungen hergestellte starre druckgeformte Bioverbundwerkstoff kann solche MOR- und MOE-Werte erzielen, wenn er bei einer Temperatur von etwa 320ºF (160ºC) und einem Druck von etwa 3,6 MPa [520 psi] für etwa 13-14 Minuten thermisch gepreßt wird.
Für den gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren und Formulierungen hergestellten starren druckgeformten Bioverbundwerkstoff, bei dem ein zweites wärmehärtbares Harz, wie ein aromatisches Isocyanat, verwendet wird, sind die MOR-Werte gewöhnlich größer als etwa 24 MPa [3500 psi], vorzugsweise größer als etwa 28 MPa [4000 psi] und stärker bevorzugt größer als etwa 31 MPa [4500 psi]. Die MOE-Werte sind gewöhnlich größer als etwa 3450 MPa [500000 psi], vorzugsweise größer als etwa 4140 MPa [600000 psi] und stärker bevorzugt größer als etwa 4830 MPa [700000 psi]. Starrer druckgeformter Bioverbundwerkstoff, der ein zweites wärmehärtbares Harz enthält, kann solche MOR- und MOE-Werte erreichen, wenn er bei einer Temperatur von etwa 320ºF (160ºC) und einem Druck von etwa 3,6 MPa [520 psi] für etwa 8-9 Minuten thermisch gepreßt wird.

Verfahren zur Herstellung des Bioverbundwerkstoffs

Gewöhnlich werden die erfindungsgemäßen druckgeformten Produkte durch ein Verfahren hergestellt, das das Verschmelzen des vorstehend beschriebenen trockenen partikulären Bioverbundmaterials zu einem starren wärmegehärteten Bioverbundwerkstoff umfaßt. Das Verfahren beinhaltet fünf getrennte und unterschiedliche Stufen: (1) das Gewinnen der erforderlichen Rohmaterialien; (2) das Herstellen des Harzes auf Hülsenfruchtbasis, d. h. der Bioverbundwerkstoff-Matrix; (3) das Herstellen des partikulären Bioverbundmaterials mit hohem Feuchtigkeitsgehalt; (4) das Verringern des Feuchtigkeitsgehaltes des partikulären Bioverbundmaterials mit hohem Feuchtigkeitsgehalt, der gegebenenfalls ein Gemisch getrennt gefärbter Chargen der Partikel enthält; und (5) das Verdichten und weitere Härten des trockenen partikulären Materials, das mit einem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel beschichtet ist. Der erhaltene Werkstoff, z. B. Plattenrohmaterial oder ein geformter Gegenstand, eignet sich für weitere Form- und Behandlungsschritte, z. B. Strukturherstellung, Oberflächenbehandlung, mechanisches Formen usw.
Bezüglich Fig. 3 ist ein verallgemeinertes Blockdiagramm des derzeit bevorzugten Verfahrens gezeigt, das zur Herstellung von Plattenrohmaterial aus Cellulosematerial verwendet wird. Dieses Verfahren wird beschrieben, wobei wiederverwertetes Zeitungspapier und Sojabohnenmehl verwendet werden. Es ist jedoch selbstverständlich, daß das Verfahren so modifiziert werden kann, daß jedes beliebige Cellulosematerial und jedes beliebige Hülsenfruchtmaterial, wie vorstehend beschrieben, verwendet wird. Das bevorzugte Verfahren wird im weitesten Sinne in fünf unterschiedlichen Stufen durchgeführt, um ein rohes Plattenrohmaterial oder ein geformtes Produkt herzustellen. Der Rohstoff wird dann durch geeignete Versiegelungs-, Formungs- und Oberflächenbe-handlungsschritte, wenn erwünscht, behandelt, um ein endgültiges fertiggestelltes Produkt herzustellen. Wenn er als Laminat oder Formakzent verwendet wird, wird ein fertiggestelltes Plattenrohmaterial gewöhnlich weiterer Bearbeitung zur Anbringung an Möbeln oder möglicherweise Decken- oder Wandpaneelen unterworfen.
Während der ersten oder anfänglichen Stufe werden die erforderlichen Rohmaterialien gewonnen und, falls nötig, vorbearbeitet. Diese Vorbearbeitung kann das Auswählen, die Größenbestimmung, die Klassierung, Sortierung und Lagerung in geeigneten Behältern in einer zur Verarbeitung in den folgenden Stufen bereiten Form umfassen. Diese Materialien beinhalten gewöhnlich ein Cellulosematerial, ein gemahlenes Hülsenfruchtmaterial, z. B. ein Sojabohnenderivat, gegebenenfalls Farbstoffe, Wasser und gegebenenfalls verschiedene Additive. Jedes der Materialien ist vorstehend eingehend beschrieben.
Während dieser anfänglichen Stufe wird das Cellulosematerial üblicherweise hergestellt, indem Altpapier, wie Zeitungspapier oder andere unbeschichtete Druckpapiere, durch Trockenzerkleinern und/oder Zerkleinern mit der Hammermühle auf gewünschte Partikelgrößen und relative Größenkonzentrationen zerkleinert werden. Alternativ kann im Handel erhältliches loses Cellulosefaserisolationsmaterial erhalten und direkt verwendet werden. Das zerkleinerte Papier wird, wie erforderlich, mit anderen Materialien zusammengemischt, um dem fertiggestellten Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften, z. B. Flammhemmung durch Zugabe von Borsäure, zu verleihen.
Das gemahlene Sojabohnenmaterial wird gewöhnlich hergestellt, indem enthülste ganze Bohnen in einem herkömmlichen Mahlverfahren, das bei unter 160ºF (71ºC) arbeitet, auf eine Körnung im Bereich von 100-325 Mesh, vorzugsweise 200-325 Mesh, gemahlen werden. Falls erwünscht, können die Bohnen vorgewaschen und von natürlichen Ölen befreit werden. Wenn die Öle entfernt werden, kann dies unter Verwendung herkömmlicher mechanischer oder chemischer Extraktionstechniken, wie einem der "Kaltverfahren"- Ölextraktionsverfahren erreicht werden. Alternativ kann im Handel erhältliches Sojabohnenmehl bezogen und direkt verwendet werden. Die gemahlenen Sojabohnen, vorzugsweise Sojabohnenmehl, werden nicht anderweitig gewaschen oder behandelt.
Das Harz auf Proteinbasis, d. h. die/das wärmehärtbare Bioverbundwerkstoff-Matrix oder -klebstoffbindemittel, wird auf Stufe 2 getrennt hergestellt, indem das verarbeitete Sojabohnenderivat, d. h. die gemahlenen Sojabohnen, die die Form von Schrot oder Mehl, vorzugsweise Mehl, haben können, mit einer stark alkalischen wäßrigen Lösung gemischt werden. Zum Harz werden in geeigneter Menge und je nach Wunsch und Notwendigkeit geringe Mengen verschiedener Additive, wie Farbstoffe, Entschäumungsmittel, Läutermittel, thermoplastische Klebstoffbindemittel, inerte Füllstoffe, Latexemulsionen oder wachsartige Materialien usw. gegeben. Diese Additive verleihen dem fertigen Produkt verschiedene wünschenswerte Eigenschaften und/oder erleichtern die Entfernung von Wasser und anderen Flüssigkeiten in späteren Verarbeitungsstufen. Die Feuchtigkeitsbeständigkeit, Flammhemmung, Schimmel- und Pilzbeständigkeit, Elastizität und Oberflächenhärte stellen einige der vorstehend genannten wünschenswerten Eigenschaften dar.
Die Inhaltsstoffe, die zur Herstellung des Harzes verwendet werden, können in jeder gewünschten Reihenfolge vermengt werden. Gewöhnlich ist es jedoch wünschenswert, daß das Sojabohnenmehl zum Wasser gegeben wird und daß jegliche verwendeten Vernetzungsmittel gegen Ende des Mischungsverfahrens zugegeben werden. Vorzugsweise werden jegliche verwendeten Vernetzungsmittel innerhalb etwa einer Stunde, bevor das Cellulosematerial und das Harz in Stufe 3 vermengt werden, zugegeben. Das verwendete Wasser kann Leitungswasser, destilliertes Wasser und Kondensat aus anderen Abschnitten des Verfahrens sein. Es kann sogar Milch sein, die hauptsächlich Casein in Wasser darstellt. Die Temperatur des Wassers kann je nach der gewünschten Mischungsrate und Viskosität des Harzes variieren; es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Temperatur des Wassers mindestens etwa 50ºF (10ºC) und vorzugsweise etwa 60-70ºF (16-21ºC) ist. Höhere Temperaturen für schnellere Umsetzungszeiten sind möglich; sie sind aber gewöhnlich aufgrund des hohen Energieverbrauchs nicht wünschenswert.
Die Harzinhaltsstoffe werden gewöhnlich für eine ausreichende Zeitspanne gemischt, daß eine homogene backteigartige Konsistenz gebildet wird. Jede herkömmliche Chargenmischungstechnik und Mischer vom Chargentyp können verwendet werden. Vorzugsweise kann ein Mischer von Vertikal- oder Horizontalschaufeltyp verwendet werden. Ein Mischer vom Schaufeltyp wird gewöhnlich verwendet, um viskose Materialien ohne Verwirbelung zu mischen. Er enthält üblicherweise eine oder mehrere Schaufeln, die in einer festen Schale mit rundem Boden und geraden Seiten rotieren und die leichtes Anheben und eine gute Durchmischung ohne Schädigung des gerührten Materials zu erzielen. Die Verwendung eines mit sich langsam bewegenden Schaufeln ausgerüsteten Mischers, die das Material vorsichtig anheben, unterheben und rühren, zusammen mit einer Vorrichtung zur Scherung des Materials, um gründliches Mischen zu gewährleisten, ist stärker bevorzugt. Dieser Mischertyp ist zu hohen Scherkräften und langsamem Rühren in der Lage, was das mechanische Zerbrechen der Proteinmoleküle vermeidet. Am stärksten bevorzugt zur Herstellung des erfindungsgemäßen Harzes ist ein Mischer vom Schaufeltyp, der mit Scherstangen und Schneidblättern ausgerüstet ist.
Für gefärbte Materialien werden die Farbstoffe gemäß dem gewünschten, für das fertige Produkt vorgeschriebenen Farbmuster ausgewählt und während der Verarbeitung des Harzes zugegeben. Die endgültige Färbung der hergestellten Produkte wird nach dem Mischen verschiedener Anteile des auf Stufe 3 erhaltenen, unterschiedlich gefärbten partikulären Materials erhalten. D. h. während der Stufe 3 wird/werden eine oder mehrere einfarbige Charge(n) des partikulären Bioverbundmaterials aus den vorbearbeiteten Komponenten, d. h. zerkleinertem Papier und Harz auf Hülsenfruchtbasis, hergestellt. Eine dreifarbige Charge ist gezeigt, in der unterschiedlich gestaltete Führungslinien das Mischen der drei getrennt gefärbten Chargen andeuten.
Während der Stufe 3 wird das in Stufe 2 hergestellte Harz auf Hülsenfruchtbasis mit dem gemahlenen oder zerkleinerten Cellulosematerial auf eine Weise vermengt, daß Agglomeration und Bildung von Partikeln erzeugt wird. D. h. die Mischungsbedingungen, z. B. die relativen Mengen von Feststoffen zu Flüssigkeit, und der Mischungsvorgang, werden so gestaltet, daß das Cellulosematerial und das Harz auf Hülsenfruchtbasis miteinander zu einer im wesentlichen homogenen agglomerierten Masse mit faserverstärkter backteigartiger Konsistenz gemischt werden. D. h. die Mischungsbedingungen sind so gestaltet, daß die im wesentlichen gleichzeitige Bildung weicher, geschmeidiger, klebriger, diskreter, unregelmäßig geformter Klumpen oder Kugeln aus der agglomerierten Masse gewährleistet ist. Gewöhnlich gehört dazu die Verwendung einer ausreichenden Menge Wasser im Gemisch aus Harz und Cellulosematerial, so daß die gewünschten diskreten Partikel gebildet werden. Wenn zu viel Wasser relativ zur Menge an Feststoffen, z. B. Papier plus Sojabohnenmehl, verwendet wird, neigen die einzelnen Stücke des Cellulosematerials dazu, ihre Identität durch Bitdung einer faserigen Aufschlämmung zu verlieren, oder das Gemisch agglomeriert zu einer großen Masse ohne Bildung diskreter Partikel. Wenn zu wenig Wasser verwendet wird, werden "flaumige" Partikel gebildet und/oder es verbleiben ungemischte Papierpartikel. Der Wassergehalt des Gemischs, d. h. des Harzes auf Hülsenfruchtbasis einschließlich jeglicher wahlfreier Inhaltsstoffe und Cellulosematerial, ist 55-75%, damit sich diskrete Partikel bilden. Diese Partikelbildung ist für die Bildung des einheitlichen Aussehens sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der druckgeformten Produkte wichtig. Der Wassergehalt wird hauptsächlich durch das Harz bestimmt, obwohl der Wassergehalt des Gemischs aus Harz und Cellulose durch Zugabe von mehr Wasser oder mehr Cellulosematerial modifiziert werden kann, um das gewünschte partikuläre Bioverbundmaterial herzustellen.
Nach dem Vermengen des Harzes, das einen pH-Wert von 10-14 hat, mit der Cellulose, z. B. Papier, fällt der pH-Wert gewöhnlich um mindestens etwa 1 pH-Einheit vorzugsweise auf weniger als 11, stärker bevorzugt auf weniger als etwa 10 und gewöhnlich auf einen Bereich von etwa 7-10. Obwohl die Erfinder nicht an eine besondere Theorie gebunden sein möchten, wird angenommen, daß das alkalische Harz die Hydrolyse und Öffnung, d. h. Entfaltung der Proteinmoleküle verursacht. Während die Cellulose mit den Proteinmolekülen gemischt wird und der pH-Wert sinkt, tritt eine Verbindung zwischen der Cellulose und dem Protein auf, von der man annimmt, daß sie sowohl durch mechanische als auch chemische Wechselwirkungen entsteht. Es wird angenommen, daß dies ein signifikant zur inneren Bindungsfestigkeit innerhalb der Partikel beitragender Faktor ist.
Gewöhnlich kann das gewünschte partikuläre Material durch Vermengen, d. h. Mischen des Harzes auf Hülsenfruchtbasis und des Cellulosematerials in einem Verhältnis von etwa 5 Gewichtsteilen Harz zu etwa 1 Gewichtsteil Cellulose erhalten werden. Es wird eine Menge an Harz und Cellulose vermengt, daß, bezogen auf das Trockengewicht, das Verhältnis von Cellulose zu Harzfeststoffen, z. B. Papier zu Sojabohnenmehl, 0,8 : 1,0 bis 1,5 : 1,0, vorzugsweise 1,0 : 1,0 bis 1,3 : 1,0 beträgt, wie durch Beispiel 4 veranschaulicht wird. Die Mischungsdauer kann je nach dem Feuchtigkeitsgehalt des Gemischs und der gewünschten Partikelgröße variieren. Gewöhnlich werden aber die Partikel aus der agglomerierten Masse in weniger als etwa 10 Minuten gebildet.
Gewöhnlich beinhaltet die Bildung dieser diskreten Partikel auch das Mischen unter Scherbedingungen, um ein gleichmäßiges Gemisch aus dem Cellulosematerial und dem Harz herzustellen, das anfänglich zu einer großen Kugel agglomeriert und dann unter den Scherkräften in einzelne, d. h. diskrete, Partikel zerbricht. So ist die Verwendung eines Hochschermischers bevorzugt, obwohl andere Mischer, wie Bandmischer und Mischer vom Chargentyp, unter bestimmten Bedingungen zur Herstellung der gewünschten Partikel, d. h. der hier als Partikel mit hohem Feuchtigkeitsgehalt bezeichneten unregelmäßig geformten, klebrigen Kugeln in der Lage sein können. In besonders bevorzugten Ausführungsformen hat der zur Herstellung des Harzes verwendete Mischer Schaufeln, Scherstäbe und Schneidblätter. Ein Mischer mit kontinuierlicher Zufuhr, wie ein Bandmischer, kann ebenfalls vorteilhaft verwendet werden, um jede getrennt gefärbte Charge des Ausgangsmaterials kontinuierlich einzumischen. Dosierungsregler sind erforderlich, um die richtigen Zusammensetzungen der Beschickungsinhaltsstoffe zu gewährleisten.
Wenn sie einmal hergestellt ist, kann jede der getrennten Chargen der Partikel mit hohem Feuchtigkeitsgehalt für bis zu etwa 12 Stunden gelagert werden, bis sie auf der Stufe 4 vermengt werden, obwohl es bevorzugt ist, sie fast unmittelbar nach der Bildung zu vermengen. Die getrennt gefärbten Chargen werden auf Stufe 4 in verschiedenen vorgeschriebenen Anteilen vermengt oder gemischt, um ein gewünschtes Gemisch aus partikulärem Material bereitzustellen, das ein reproduzierbares "chaotisches" Farbenmuster im fertigen Produkt ergibt. Drei Chargen sind in der Fig. 3 gezeigt. Jede Charge enthält einen einzigen einfarbigen Farbstoff. Es können mehr oder weniger Chargen mit dem gleichen Volumen oder unterschiedlichen Volumina, wie erforderlich, gemischt werden, um die zur Erzielung des gewünschten Typs und der gewünschten Farbe von Plattenrohmaterial notwendigen Anteile zu erhalten. Das sich im erhaltenen Plattenrohmaterial ergebende Farbmuster ist völlig von den relativen Anteilen von jeder der Chargen des partikulären Materials im Gemisch bestimmt. Um beispielsweise ein Plattenrohmaterialprodukt bereitzustellen, das dem Aussehen von natürlichem "rotem Granit" so gut wie gleicht, werden getrennte rote, schwarze und weiße Chargen hergestellt. Die einzelnen weißen, roten und schwarzen Chargen-Einsatzmaterialien werden dann in Gewichtsprozentverhältnissen von 25 : 37,5 : 37,5 gemischt, um das zur Herstellung eines druckgeformten Produktes in Stufe S verwendete Material herzustellen. Für "grünen Granit" wird ein 50 : 50-Gemisch aus grünem und schwarzem partikulären Material verwendet. Für "schwarzen Granit" wird nur schwarzes partikuläres Material verwendet.
Das Mischen der Chargen des gefärbten partikulären Materials kann in einem Bandmischer, einem Schneckenmischer, einem Taumelmischer oder einer anderen Vorrichtung durchgeführt werden, die gewöhnlich zum Mischen partikulärer Materialströme, z. B. freifließender Feststoffe verwendet wird. Vorzugsweise wird ein Bandmischer zur Bildung einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung der unterschiedlich gefärbten Partikel verwendet. Es ist bemerkenswert, daß keine erkennbare Farbübertragung von einem Partikel auf ein anderes während des Mischungsverfahrens stattfindet. Dies erfolgt zumindest, weil stabile Farbstoffe ausgewählt werden, so daß sie unter diesen Mischungsbedingungen oder den anschließenden Verarbeitungsbedingungen nicht signifikant ausbluten. Gewöhnlich ändert dieses Mischungsverfahren der Stufe 4 die Partikelgröße des partikulären Materials nicht signifikant; das mechanische Mischungsverfahren kann aber die Größe großer Partikel verringern und Partikelaggregate aufbrechen. Dieses homogenisierte Gemisch wird dann üblicherweise gesiebt, um verbliebene große Materialklumpen oder -aggregate zu entfernen, die sich in den Mischungsverfahren der Stufen 3 und 4 gebildet haben können. Diese Klumpen können nach Wunsch in kleinere Partikel zerbrochen oder verworfen werden. Vorzugsweise wird eine Siebvorrichtung mit einer Maschengröße von 0,5 Zoll (1,3 cm) oder kleiner verwendet. Gewöhnlich wird ein vibierendes schräges Sieb mit rautenförmigen Öffnungen und einer Siebgröße von 0,38 Zoll (0,95 cm) verwendet.
Nach dem Mischen der gefärbten Chargen auf Stufe 4 wird ein Gemisch aus sich relativ trocken oder halbtrocken anfühlenden kugelförmigen Partikeln erhalten, obwohl die Partikel eine große Menge Wasser, d. h. einen Gesamtwassergehalt von 55-75% enthalten. Obwohl man die Konsistenz des Gemischs insofern als krautsalatähnlich bezeichnen könnte als Krautsalat "feuchte" Partikel enthält, ähnelt die Konsistenz eher einem Ausflockungsmittel und unterscheidet sich signifikant von den wäßrigen Aufschlämmungen oder klebstoffbeschichteten Papierflocken, die in den meisten herkömmlichen Zeitungspapier- Recyclingverfahren hergestellt werden.
Dieses Gemisch aus unterschiedlich gefärbten partikulären Materialien wird einem Trocknungsschritt unterworfen, bei dem es für eine ausreichende Dauer und bei einer ausreichenden Temperatur partiell getrocknet wird, um den Feuchtigkeitsgehalt auf weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 15% und stärker bevorzugt weniger als 12%, bezogen auf das Gesamtgewicht des partikulären Materials, zu verringern. Ein kleine Menge Feuchtigkeit ist zwar gewöhnlich notwendig, um die Umsetzung des Harzes mit der faserigen Cellulose zu ermöglichen und das bevorzugte Binden zu fördern, aber Fremdwasser stört das spätere Härten und kann die Produktionskosten erhöhen. Obwohl ein Vorteil durch das Trocknen der vermengten gefärbten Chargen des partikulären Materials erzielt wird, ist es nicht notwendigerweise erforderlich. D. h. jede Charge kann vor dem Zusammenmischen partiell getrocknet werden.
Das Trocknen der Bioverbundstoffpartikel mit hohem Feuchtigkeitsgehalt kann unter Verwendung einer aus einer Vielzahl von Energiequellen, d. h. Mikrowellenenergie, elektromagnetische Hochfrequenzenergie, indirekte Infrarotstrahlung, Sonnenenergie oder Wärmeenergie, für eine ausreichende Zeitspanne, daß der Feuchtigkeitsgehalt auf die gewünschte Menge reduziert wird, erzielt werden. Vorzugsweise wird das gemischte partikuläre Material der Stufe 4 mit Luft getrocknet, bevor es in Stufe S druckgeformt wird. Dies wird beispielsweise erzielt, indem trockene erhitzte Luft durch eine Schicht des partikuklären Materials auf einem offenmaschigen Metallförderband geleitet wird. Obwohl eine Lufttemperatur von etwa 140-180ºF (60-82ºC) zum Trocknen des partikulären Materials verwendet werden kann, ist es vorteilhaft, eine etwas höhere Temperatur zu verwenden, d. h. eine Temperatur von etwa 175-375ºF (79-191ºC) und sogar bis zu 500-1000ºF (260-538ºC). Die Oberflächentemperatur der Partikel sollte jedoch nicht so hoch sein, daß die Partikel versengt werden. D. h. die Temperatur der Partikel selbst sollte nicht über 210ºF (99ºC) liegen, obwohl die Lufttemperatur erheblich höher sein kann. Die Verweildauer der Partikel bei der erhöhten Temperatur, d. h. die Behandlungsdauer, ist gewöhnlich nicht größer als etwa 30 Minuten, vorzugsweise ist sie etwa 10-20 Minuten. Das Trocknungsverfahren sollte aber ausreichend allmählich stattfinden, so daß keine Oberflächenhärtung auftritt, bei der sich an der Oberfläche der Partikel eine feuchtigkeits-undurchdringliche Schale bildet und die Feuchtigkeit in den Partikeln festhält. Langsames Trocknen ermöglicht außerdem gleichmäßiges Trocknen sowohl großer als auch kleiner Partikel im Gemisch. Wenn ein Bandtrockner verwendet wird, ist eine Verweildauer in der Heizzone von etwa 5-15 Minuten für jedes einzelne Partikel für eine Lufttemperatur von etwa 200-260ºF (93-127ºC) angemessen. Das Material wird vor der Überführung in Lagerbehälter oder zu den nächsten Verfahrensstufen abgekühlt. Wenn es einmal getrocknet ist, ist das Volumen des partikulären Materials erheblich verringert, und es erscheint als relativ harte, gefärbte, feste Partikel mit unregelmäßiger Gestalt und zahlreichen starren Ausbuchtungen. In dieser Form ist das partikuläre Material sehr stabil, d. h. hat eine unbegrenzte Lagerfähigkeit.
Die Verringerung des Feuchtigkeitsgehaltes des partikulären Bioverbundmaterials mit hohem Feuchtigkeitsgehalt ermöglicht ein schnelleres Erhitzen in der Formpresse, ohne signifikante Mengen an Dampf oder Flüssigkeit zu erzeugen. Beispielsweise kann eine gehärtete 2,54 cm [1 Zoll] dicke Platte während des Heißpreßschrittes der Fig. 3 durch Anwenden von 2,1-3,8 MPa [300-550 psi] auf das vorgetrocknete Ausgangsmaterial mit bei 140-160ºC [280-320ºF] gehaltenen Preßplatten über einen Zeitraum von 5-30 Minuten geformt werden. Ohne Vortrocknen des partikulären Materials wären mehrere zusätzliche Minuten mit daraus folgendem höherem Energieverbrauch erforderlich. Außerdem kann, wenn das partikuläre Material nicht vorgetrocknet wird, ein "Hauteffekt" auftreten, der dazu neigt, die äußeren Oberflächen des Plattenrohmaterials zu verhärten und zu versiegeln und die Freisetzung innerer Feuchtigkeit zu verhindern, wodurch im Material Zerplatzungsstellen verursacht werden. Die Kanten können zudem so versengen oder spröde werden, daß zusätzliche mechanische Bearbeitung erforderlich ist, um die nicht verwendbaren Kanten zu entfernen. Daher ist für das Herstellungsverfahren, das herkömmliches Strahlungsheizen oder Wärmehärtungsausrüstungen umfaßt, das Trocknen des partikulären Materials, vorzugsweise mit heißer Luft, erwünscht. Ungeachtet des Verdichtungs- und Härtungsver-fahrens liefert aber das Trocknen des partikulären Materials mit Luft Vorteile für das Gesamtverfahren.
Alternativ kann das Trocknen durch Verdichten oder Vorformen der Partikel in Anwesenheit von Wärme erzielt werden, obwohl es nicht bevorzugt ist, da, wie vorstehend erläutert, die Gefahr der Verursachung von Zerplatzungsstellen besteht. Die endgültige Entfernung von Wasser kann im "Heißpreß-" Schritt oder auf Stufe 5 der Fig. 3 (oder im zweiten Walzenverdichtungsschritt von Stufe 5 des kontinuierlichen Extrusionsverfahrens der Fig. 5) erfolgen.
Auf der Stufe 5 wird der druckgeformte Bioverbundwerkstoff in einem Verfahren durch Verdichten und Härten des trockenen partikulären Materials bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einer Heißpresse hergestellt. Wie hier verwendet, bezeichnet "erhöht" Temperaturen und Drücke über Umgebungsbedingungen, d. h. Raumtemperatur und Atmosphärendruck. Die Presse kann entweder geschlossen oder offen wie bei einem Druckkissen- oder Siebsystem sein, und das Material kann bis zu einem bestimmten Anschlag oder einer bestimmten Dicke oder einem bestimmten Druck gepreßt werden. Wenn ein offenes System verwendet wird, kann zum Zweck der Handhabung Vorpressen notwendig sein. Alternativ kann das partikuläre Material walzgepreßt, s. Fig. 4, oder in einem Schneckenextruder extrudiert werden, s. Fig. 5. Vorzugsweise wird das Material in einem Ein-Schritt-Preßarbeitsgang verdichtet, um das partikuläre Material zu pressen und weiter zu härten.
Vor dem Pressen des partikulären Materials wird es mit einem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel, d. h. einem aromatischen Isocyanat, einem Schlichtungsmittel zur Wasserabweisung oder einer Kombination davon beschichtet. Dies kann erfolgen, indem die trockenen Bioverbundstoffpartikel mit dem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel und/oder dem Schlichtungsmittel unter Verwendung eines Mischers, wie eines Bandmischers vom kontinuierlichen oder vom Chargen-Typ oder eines Trommelmischers vom Chargen-Typ oder kontinuierlichen Typ, gemischt werden und beschichtet, vorzugsweise unter Verwendung von Hochdruckpumpen, Luftzerstäubern, mechanischen Zerstäubern (z. B. ein Drehscheibenzerstäuber) oder einer Kombination davon sprühbeschichtet, werden. Das zweite wärmehärtbare Bindemittel tritt in Wechselwirkung mit den getrockneten Partikeln, die ein Harz auf Proteinbasis enthalten, das im Trocknungsschritt des Verfahrens zumindest partiell gehärtet wurde. Dies erzeugt ein duales Harzsystem, d. h. ein partiell gehärtetes Harz auf Proteinbasis und ein Isocyanatharz, von dem angenommen wird, daß es einen größeren Vorteil liefert, als wenn eines allein verwendet würde.
Das endgültige Härten während des Heißpreßschrittes der Fig. 3 kann in einer thermisch, mit Mikrowellen oder Hochfrequenz erhitzten Umgebung erzielt werden. Obwohl solche Heizgeräte Feuchtigkeit gut tolerieren, wird der Energieverbrauch gesenkt, wenn unnötige Feuchtigkeit, wie vorstehend erläutert, zunächst entfernt wird. Übliche Pressendrücke sind etwa 1,4-20,7 MPa [200-3000 psi], vorzugsweise etwa 2,1-6,9 MPa [300-1000 psi] und stärker bevorzugt etwa 3,5-4,1 MPa [500-600 psi]. Obwohl der Druck laufend gesteigert werden kann, ist es gewöhnlich effizienter, einfach einen konstanten Druck für einen bestimmten Zeitraum auszuüben. Für Heizplattensysteme ist die Plattentemperatur während der Preßphase vorzugsweise etwa 250-340ºF (121-171ºC), während der Druck vorzugsweise etwa 3,1-5,2 MPa [450-750 psi] ist. Übliche Werte sind 3,5 MPa [500 psi] und 320ºF (160ºC). Es ist ebenfalls offensichtlich, daß das verdichtete partikuläre Material entweder alternativ erhitzt und gepreßt oder gleichzeitig erhitzt und gepreßt werden kann.
Die Dauer der endgültigen Härtungsbehandlung und der angewendeten Wärmeenergie werden in Bezug zur Dicke und gewünschten Dichte des hergestellten Plattenrohmaterials ausgewählt. Für ein Plattenrohmaterial mit einer Nenndicke von 2,54 cm [1 Zoll] erzeugt eine Behandlungszeit im Bereich von 3 bis 5 Minuten und 21-54 kW/m² [2 bis 5 Kilowatt pro Quadratfuß] bei Mikrowellenfrequenzen bis zu 2,5 GHz ein geeignetes Plattenrohmaterial. Obwohl Mikrowellen mit höherer Frequenz bestimmte Vorteile liefern können, arbeiten die meisten kommerziellen Öfen bei niedrigeren HF-Frequenzen von 13,6, 27, 44 und 100 MHz. Die niedrigeren HF-Frequenzen sind ebenso wirksam zum Erhalten der endgültigen Härtung. Unter Verwendung einer elektrisch heizbaren Wärmeplattenpresse erzeugt eine Behandlungszeit von etwa 10 Minuten und 10-15 Watt pro Quadratzoll bei 3,5 MPa [510 psi] und 320ºF (160ºC) ein geeignetes Plattenrohmaterial. Eine thermisch heizbare Plattenpresse ist besonders vorteilhaft, zumindest weil sie ökonomisch ist.
Je nach dem hergestellten druckgeformten Produkt wird ein geeigneter Ofen oder eine geeignete Heizpresse ausgewählt, der/die das partikuläre Material auf die gewünschte Größe verdichten und eine bevorzugte Durchsatzrate und einen bevorzugten Energieverbrauch bereitstellen kann. Die im Verfahren der Fig. 3 verwendete besondere heizbare Gießchargen- Formpresse oder "Heißpresse" ist in der Fig. 5 in der Querschnittansicht gezeigt. Diese heizbare Formpresse eignet sich zum Heißpressen eines einzelnen Plattenrohmaterialstücks in die Form von Paneelen.
Der Körper der Preßform ist aus geeigneten schweren Metallseiten- und -bodenwänden 1 aufgebaut. Die Wände 1 müssen dem maximalen Formdruck widerstehen können und können von einem porösen Element 2, wie einem Sieb, eingerahmt sein oder nicht, das die Entnahme von extrahierter Flüssigkeit erleichtert, obwohl dies nicht notwendig ist. Eine bewegliche Deckwand oder Preßplatte 3 ist entlang der Oberseite der Form bereitgestellt und mit einer Hydraulikvorrichtung (zur Vereinfachung und Klarheit nicht gezeigt, aber ähnlich dem nachstehend beschriebenen Kolben 20) gekoppelt, die die Platte 3 zum Pressen des im Formhohlraum 4 enthaltenen Einsatzmaterials bringt.
Die Preßplatte 3 enthält eine heizbare Platte, die elektrisch oder mit Dampf oder heißem Öl erhitzt werden kann, oder eine HF- oder Mikrowellenplattenelektrode 5, die mit einem geeigneten Koaxialkabel, Wellenleiter oder Elektrokabel 6 verbunden ist. Wenn HF- oder Mikrowellenenergie verwendet wird, wird dieses Koaxialkabel oder dieser Wellenleiter 6 durch eine Steckverbindung 7 von einem HF- oder Mikrowellengenerator 10 gespeist. Die Mitte des Leiters 8 (für HF- oder Mikrowellenenergie) des Kabels 6 geht außerdem durch eine elektrische und thermische Isolatorplatte 9, die die Preßplatte 3 von der Elektrode S trennt. Eine Ersatzplatte 5 sollte in der Lage sein, das trockene partikuläre Material angemessen zu erhitzen.
Wenn das partikuläre Material gepreßt, erhitzt und zur endgültigen Form gehärtet ist, wie bei 11 gezeigt, wird das Material über den Kolben 20 aus dem Formhohlraum 4 entnommen. Der Kolben 20 ist an einer Platte 12 entlang der Bodenwand 1 der Form befestigt. Ein zusätzliches (wahlfreies) poröses Element 13 kann unter dem Element 2 und zwischen dem geformten Plattenrohmaterial 11 und der Platte 12 angebracht sein, um die Entfernung von freigesetzter Feuchtigkeit zu erleichtern, obwohl das Vortrocknen des partikulären Materials bevorzugt ist, um die Freisetzung großer Mengen Wasser während dieses Verdichtungsverfahrens zu vermeiden. Eine oder beide der Boden- und Deckenplatten 12 und 5 kann/können auch eine Anordnung von Löchern oder Kanälen 14 enthalten, um die Entnahme von freigesetzter Feuchtigkeit über das Isolationsrohr 15 und eine Vakuum- oder eine andere geeignete Saugpumpe 16 zu ermöglichen. Dies ist wiederum nicht notwendig, wenn das bevorzugte trockene partikuläre Material verwendet wird.
Die Aufmerksamkeit wird als nächstes auf das Extrusionsverfahren der Fig. 4 gelenkt, in der ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines kontinuierlichen Herstellungsverfahrens im Gegensatz zum Chargenverfahren gezeigt ist. Ein solches Verfahren und die entsprechende Produktionsausrüstung können so ausgelegt sein, daß Plattenrohmaterialdicken von 0,125 Zoll (0,318 cm) bis 2 Zoll (5,08 cm) Dicke bereitgestellt werden, und enthalten üblicherweise eine Strangpresse und einen kontinuierlich beschickbaren Ofen oder Heizaufbau. Die Bauweise eines Extrusionsgerätes vom Schneckentyp 30, das im Extrusionsverfahren verwendet werden kann, ist in der Fig. 6 gezeigt.
Mit Ausnahme der Endstufe 5 ist jede der Verfahrensstufen der Fig. 3 und 4 gleich, verwendet vergleichbare Ausrüstung und folgt gewöhnlich den vorstehend erläuterten Verfahren. D. h. und wie in Fig. 3 gezeigt, ein Mischer wird auf Stufe 2 bereitgestellt, der die geeigneten Feststoffe und Flüssigkeiten von den Rohmaterialaufbewahrungstrichtern oder Flüssigkeitszufuhrleitungen der Stufe 1 aufnimmt. Motorgetriebene Schaufeln oder Stangen mischen die getrennten Cellulosematerial- und Klebstoffbindemitteleinsatzstoffe zu einer bevorzugten Konsistenz, bevor die Einsatzstoffgemische auf Stufe 3 in eine Mischstation geleitet werden, um jede der Chargen des gefärbten partikulären Materials herzustellen.
Anstelle der getrennten Mischstationen der Stufen 2 und 3 kann ein einzelner Mischer bereitgestellt werden, der einen Trichter umfaßt. Der Trichter kann eine geeignete Menge von zerkleinertem Cellulosematerial enthalten. Der Trichter kann auch einen Zerkleinerungsmechanismus zur endgültigen Zerkleinerung des Cellulosematerials auf eine geeignete Partikelgröße oder die Zerkleinerung einer zusätzlichen Faserstoffsuspension beinhalten, die mit der Basisfaserstoffsuspension gemischt wird. Wenn geeignete Mengen des Harzes und des Cellulosematerials in den Mischer eingelassen werden, werden die Materialien mit dem Farbstoff gemischt, und zusätzliche Additive, wie Verstärkungsfasern usw., werden eingemischt.
Die Chargen des einfarbigen partikulären Materials werden danach auf Stufe 4 entweder in einer anderen Mischstation gemischt oder unter Verwendung des Mischers der Stufe 3 vermengt. Das hergestellte Gemisch wird dann durch einen Schneckenantriebsextruder geleitet, wie in der Fig. 6 gezeigt. Das Einsatzmaterial wird insbesondere an einem Materialeinlaß 32 und einer weiter unten befindlichen Schnecke 34 aufgenommen, die durch ein Antriebssystem 35 angetrieben wird, das Einsatzmaterial wird nach und nach verdichtet, überschüssige Flüssigkeiten werden entfernt und das Einsatzmaterial wird durch Pressen des Einsatzmaterials durch eine geeignet aufgebaute Extrusionsdüse 36 geformt. Die Gestalt der Düsenöffnung 38 kann wie gewünscht variiert werden. Für Plattenrohmaterial wird eine breite, nicht hohe rechteckige Öffnung 38 verwendet. Die Temperatur des partikulären Marerials entlang des Pfades der Schnecke 34 kann mit bereitgestellten Heizgeräten, die die Schnecke 34 umgeben, und mit an den Temperaturkontrolleitungen 40 angebrachten Kontrollsignalen variiert werden.
Beim Austritt aus der Extrusionsdüse 36 wird das extrudierte Material üblicherweise auf nacheinander angeordnete Formwalzen, wie Walzformer oder Druckwalzen, geleitet, die HF-, Mikrowellen- oder thermische Heizgeräte umfassen können oder durch diese dazwischenliegenden Geräte getrennt sein können. Das partikuläre Material wird nach und nach verdichtet, während es weiter erhitzt wird. Das endgültige Verdichten und Formen erfolgt im Außenabschnitt der Formwalzen. Restliche Feuchtigkeit und restlicher Dampf werden an jedem Walzenabschnitt abgegeben, bevor das geformte partikuläre Material endgültig gehärtet wird. Das endgültige Härten kann in einem größeren Ofengerät erfolgen, das die Walzen umgeben kann, oder in einem getrennten Ofengerät, das das geformte partikuläre Material auf die richtige Zusammensetzung und Trockenheit härtet.
Ein Äquilibrierungsverfahren, wie ein Nachhärte- oder Ofentrocknungsverfahren, kann in jedes der Verfahren der Fig. 3 und 4 eingefügt werden, um das druckgeformte Material an die Umgebung zu akklimatisieren. Auf diese Weise können die inneren Spannungen, die aus dem Preßformen resultieren, nach und nach entspannt werden, und man läßt das gesamte Volumen des Materials in ein Gleichgewicht mit Umgebungsbedingungen gelangen. Ob durch Pressen in den Fig. 3 und 5 oder Extrusion in den Fig. 4 und 6 geformt, behält das partikuläre Material gewöhnlich weniger als 20% und vorzugsweise weniger als 12% Feuchtigkeit.
Ein Äquilibrierungsverfahren kann in jedes der Verfahren der Fig. 3 und 4 eingefügt werden, um das druckgeformte Material an die Umgebung zu akklimatisieren. Auf diese Weise können die inneren Spannungen, die aus dem Preßformen resultieren, nach und nach entspannt werden, und man läßt das gesamte Volumen des Materials in ein Gleichgewicht mit Umgebungsbedingungen gelangen. Dieses Äquilibrieren kann entweder durch Nachkonditionierung oder Trocknen im Ofen erzielt werden.
Bei der Nachkonditionierung werden die Paneele unmittelbar nach dem Verpressen, wenn sie noch heiß sind, oberflächengeglättet. Die geglätteten Paneele werden gestapelt, d. h. aufeinander aufgestapelt, während sie noch heiß sind, und mit einem isolierenden flachen Paneelmaterial als Gegengewicht abgedeckt. Die Paneele werden auf diese Weise für mindestens eine Woche vor dem Abschlichten und Fertigstellen gelagert.
Das Trocknen im Ofen, d. h. Konditionieren im Ofen, wird gewöhnlich über 6 bis 24 Stunden bei einer Ofentemperatur von etwa 130-210ºF (54-99ºC), vorzugsweise etwa 150- 180ºF (65-82ºC) mit Feuchtigkeitsspiegeln bis zu etwa 75% relativer Feuchtigkeit durchgeführt. Das Plattenrohmaterial wird gewöhnlich während dieses Konditionierungsverfahrens in eine horizontale Stellung gehalten. Die Ofenparameter werden dann allmählich über mehrere Tage bis mehrere Wochen auf Umgebungsbedingungen gesenkt. Nach dem Trocknen wird der druckgeformte Werkstoff vorzugsweise in einer Umgebung mit Feuchtigkeitsregulation, so daß 6-8% Feuchtigkeit aufrechterhalten werden, gelagert, um die Langzeitformbeständigkeit zu verstärken. Das Trocknen im Ofen wird in dem Verfahren gewöhnlich nicht verwendet, in dem das zweite wärmehärtbare Harz, z. B. ein aromatisches Isocyanat, verwendet wird.
Auf der Fertigstellungsstufe wird das druckgeformte Produkt oberflächenbehandelt, abgeschlichtet und gemäß verschiedenen Marktanforderungen mittels Schleifen, Glätten, Sägen, Gestalten oder einer anderen geeigneten Bearbeitung endgültig gestaltet. Die Oberfläche kann auch mit bevorzugten Versiegelungsmitteln, Lacken, Firnissen oder dgl. beschichtet oder imprägniert werden. Durch Verbinden einzelner Plattenrohmaterialkomponenten können komplizierte Formen und Aufbauten gebildet werden. Verbundstoffe mit anderen Materialien können, z. B. durch Einlegen, ebenfalls erhalten werden. Gefugte Aufbauten werden vorzugsweise aus Rohstoff gebildet, der aus gemeinsamen Farbchargen hergestellt ist, um Farbabweichungen zu minimieren.
Ein wünschenswertes Merkmal des durch jedes der Verfahren der Fig. 3 oder 4 hergestellten Plattenrohmaterials ist, daß das Material relativ dicht ist und so zu relativ glatten Kanten und Oberflächen endbearbeitet werden kann. Folglich passen sich die Kanten an herkömmliches Finger- oder Klebstumpfverbinden oder andere Verbindungstechniken an, so daß die Herstellung größerer komplizierterer Stücke aus mehreren kleineren Stücken möglich ist. Außerdem werden aufgrund der einzigartigen homogenen Farbmuster, die über das gesamte Volumen des hergestellten Rohmaterials auftreten, im wesentlichen fugenlose Verbindungen erhalten. Komplizierte Gestalten, wie Eckenformen, Konturen und rechtwinklig verbundene Ecken, können ebenfalls mit unsichtbaren Fugen an der Berührungsstelle von zwei Stücken des gleichen Materials hergestellt werden.
Ein weiteres Merkmal des erhaltenen Plattenrohmaterials ist, daß unter Verwendung des Chargenverarbeitungsverfahrens zusammengesetztes oder eingelegtes Plattenrohmaterial hergestellt werden kann. In solchen Fällen und beim Verfahren der Fig. 3 können getrennt hergestellte Einlegeelemente, wie Gedenkplatten, Namensplaketten oder dgl., die fast jegliches organische Material (z. B. Holz oder Kunststoff) oder anorganische Material (z. B. Metall) umfassen können, vor der Stufe 5 in die Preßform eingebracht werden. Wenn das Einsatzmaterial zugegeben und während des Formverfahrens verdichtet wird, wird es um das und in innigem Kontakt mit dem Einlegematerial geformt. Nach den endgültigen Härten wird ein starker Kontakt und eine starke Bindung zwischen der Einlage und der Platte hergestellt, und die Einlage wird zu einem integralen Teil des erhaltenen Plattenrohmaterials.
Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung und der Verwendung des Verfahrens und der Ausrüstung der Fig. 3 und 5 ist die Fähigkeit, die untere und/oder die obere Platte entweder in Kameen- oder Intaglio-Technik mit einer gewünschten Figur oder Gestalt herzustellen. Wenn das partikuläre Material in der Form gepreßt wird, behält das Plattenrohmaterial ein Bild des Musters, das auf der Formplatte bereitgestellt wurde, entweder als Intaglio oder Kamee, je nachdem, ob das Muster der Formplatte erhaben oder eingeschnitten ist. Beim Härten des Rohproduktes oder des Plattenrohmaterials wird das Muster in feinen Einzelheiten beibehalten.
Die nachstehenden Beispiele werden vorgestellt, um die verschiedenen speziellen und bevorzugten Ausführungsformen und Techniken weiter zu veranschaulichen. Es ist selbstverständlich, daß viele Variationen und Modifikationen durchgeführt werden können, während man im Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung verbleibt. Wie in den Beispielen und hier an anderem Ort verwendet, sind, wenn nicht anders angegeben, Prozentsätze Gewichtsprozent.

Experimentelle Beispiele

Beispiel 1

Verfahren zur Herstellung eines starren Bioverbundwerkstoffs

Die nachstehende Tabelle I faßt die bevorzugte Verfahrensreihenfolge und die Rezeptur zur Herstellung einer einzelnen einfarbigen Einsatzmaterialcharge durch die vorstehend beschriebenen Stufen 2 und 3 zusammen. Dieses Verfahren und diese Rezeptur sind in den nachstehenden Beispielen als "A" bezeichnet. TABELLE I Herstellung von partikulärem Material mit einem einzigen Farbstoff Verfahren A
* 1 Pfund = 0,4536 kg
Es wurde gezeigt, daß leichte Variationen der Formulierung der Tabelle I endgültige druckgeformte Materialien, z. B. Platten- oder Formrohmaterial oder Paneele, mit stabileren oder optimierteren mechanischen Eigenschaften erzeugen. Für die nachstehenden Tabellen II und III wurde jeweils gezeigt, daß druckgeformte Paneele mit verbesserten Eigenschaften der Härte und der Feuchtigkeitsbeständigkeit hergestellt werden.

TABELLE II

Alternative partikuläre Formulierung

Inhaltsstoff % Feuchtgewicht
Wasser 55,9
Cellulose (Papier) 16,9
Sojabohnenmehl 15,8
Natriumsilikat 4,1 (50% in Wasser)
Natriumhydroxid 2,3 (50% in Wasser)
Kalk 1,9
Styrol-Butadien-Latex 1,6
Farbe 0,7
Kiefernnadelöl 0,5
WB-2523 v. H. B. Fuller (FULLREZ) 0,3
GESAMT 100,0

TABELLE III

Partikuläre Formulierung - Wasserabweisend

Inhaltsstoff % Feuchtgewicht
Wasser 54,8
Cellulose (Papier) 17,7
Sojabohnenmehl 15,4
Natriumsilikat 4,0 (50% in Wasser)
Natriumhydroxid 3,1 (45% in Wasser)
Kalk 1,9
Styrol-Butadien-Harz 1,6
Farbe 0,7
Kiefernnadelöl 0,5
WB-2523 v. H. B. Fuller 0,3
GESAMT 100,0
Die Tabelle 1 V zeigt vergleichbare Werte von Produkten auf Holzbasis mit gemessenen Werten von druckgeformten Proben mit 2,54 cm [1 Zoll] Dicke, die allgemein gemäß den vorstehend aufgelisteten Gemischen (d. h. Verfahren A und den in den Tabellen II und III aufgelisteten Variationen davon) hergestellt wurden. TABELLE 1V Vergleich von Eigenschaften
¹ 1 kpsi = 6,9 MPa
² 1 psi = 6,9 kPa
³ 1 Pfund = 0,4536 kg TABELLE V Herstellung von partikulärem Material Verfahren B
* 1 Pfund = 0,4536 kg
Die verwendeten Materialien wurden von den nachstehenden Zulieferern erhalten: Kaliumhydroxid, Hawkins Chemical Distributors (Minneapolis, MN); Kalk, Mississippi Kalk MR200, vertrieben von Hawkins Chemical Co.; wässrige PVA-Dispersion und eine Latexemulsion (50-52,5% PVA), H. B. Fuller Company; Natriumsilikat Marke "N", Hawkins Chemical; Kiefernnadelöl, Union Camp Co., vertrieben von Hawkins Chemical Co., 90 pdi- Sojabohnenmehl, Honeymead Co. TABELLE VI Herstellung von partikulärem Material Verfahren C
* 1 Pfund = 0,4536 kg
Das durch Verfahren C hergestellte partikuläre Material wird gewöhnlich für die gewünschten Ergebnisse zudem mit einer Wachsemulsion und MDI gemischt.

Beispiel 2

Die Wirkungen des Wassergehalts der Sojaharze auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Paneelen

Die Menge an Wasser, die zum Harz auf Sojabohnenbasis gegeben wird, kann mehrere Faktoren bei der Herstellung von druckgeformten Paneelen beeinflussen. Zu diesen gehören die Klebviskosität, die die durch das Harz bedeckten Mengen an Papierpartikeln bestimmt, die Farbtiefe der getrockneten Partikel, die Trocknungsraten und die Partikelgeometrie. Zur Bestimmung der Auswirkung einer Änderung des Feuchtigkeitsgehaltes des partikulären Materials wurden sechs Chargen unter Verwendung des Verfahrens B, das im Verhältnis auf Labormaßstab eingestellt wurde, hergestellt (Aquasperse II flüssiger Lampenruß-Farbstoff, erhalten von Huls Inc. Piscataway, NJ, wurde verwendet). Der einzige variierte Inhaltsstoff der Chargen war die Menge an zugegebenem Wasser. Dies erzeugte feuchte Partikel mit den spezifischen angestrebten Feuchtigkeitsgehalten. Diese Feuchtigkeitsgehalte waren 55%, 59%, 63%, 67%, 71% und 75%. Die Viskosität jedes Harzgemisches wurde vor der Zugabe von Papier gemessen. Alle Chargen wurden vor dem Verpressen auf etwa 11% Feuchtigkeitsgehalt getrocknet.
Vier Testpaneele pro Feuchtigkeitsgehalt wurden auf einer 0,6 · 0,6 m [2 Fuß · 2 Fuß] großen Laborheißpresse gepreßt. Die Plattentemperatur war 315ºF (157ºC), die Paneele wurden bei konstanten 3,5 MPa [512 psi] für eine Gesamtpreßzeit von etwa 13,5 Minuten gepreßt. Die Preßdauer variierte aufgrund leichter Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt der Stoffbahn vor dem Pressen. Die angestrebte spezifische Dichte der aus der Presse kommenden Paneele war 1,30.
Drei der vier pro Feuchtigkeitsgehalt hergestellten Paneele wurden für Tests der mechanischen und physikalischen Paneeleigenschaften verwendet. Von jedem Paneel wurden fünf Proben für die statische Biegung und fünf Proben für die Wasserabsorption/Dickequellung entnommen. Proben für die Härte wurden von den Enden der getesteten Probestücke für die statische Biegung entnommen. Alle Tests wurden gemäß ASTM D-1037, Standardverfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Faser- und Spanpaneelmaterial auf Holzbasis, durchgeführt. Beschreibende Statistik wurde für alle Eigenschaften erzeugt, die bei den verschiedenen angestrebten Feuchtigkeitsgehalten der feuchten Partikel bestimmt wurden.
Die Ergebnisse der Viskositätsmessung sind wie nachstehend:
55% 640000 cps
59% 440000 cps
63% 184000 cps
67% 104000 cps
71% 74670 cps
75% 37330 cps
Die Viskosität beeinflußt direkt die Beschichtbarkeit des Papiers mit den Sojaklebstoffen. Die Harze mit höherer Viskosität zeigten eine verringerte Bedeckung des Papiers beim Mischungsverfahren. Dies könnte die Eigenschaften des erhaltenen Paneels negativ beeinflussen. Wenn dagegen die Viskosität aufgrund der Zugabe von Wasser gesenkt wurde, wurde die Farbe des gemischten Materials verstärkt. Diese verstärkte Farbe hielt durch das Verfahren. Die erhaltenen gepreßten Paneele hatten verschiedene Schwarzschattierungen je nach dem Feuchtigkeitsgehalt der feuchten Partikel. Die trockeneren Partikel waren heller gefärbt, während die Partikel mit dem hohen Feuchtigkeitsgehalt sehr tiefschwarze Paneele erzeugten.
Die Viskosität beeinflußt auch die Schüttdichte der endgültigen getrockneten Partikel. Wenn die Viskosität aufgrund des erhöhten Wassers im Gemisch verringert wurde, nahm auch die Schüttdichte der Partikel ab. Dies erfolgt aufgrund der erhöhten Scherwirkung, die bei den niedrigen Viskositäten im Mischer auftritt. Die mittlere spezifische Dichte, bezogen auf den Feuchtigkeitsgehalt der feuchten Partikel, der Paneele ist wie nachstehend:
55% 1,31
59% 1,33
63% 1,33
67% 1,33
71% 1,31
75% 1,36
Die Ergebnisse des mechanischen Tests sind in der Tabelle VII dargestellt. Die Paneele, die mit den feuchten Partikeln mit dem niedrigsten Feuchtigkeitsgehalt hergestellt wurden, zeigten die schlechteste Festigkeit und Steifigkeit. Dies ist auf die schlechte Bedeckung der Papierpartikel mit dem Sojaharz zurückzuführen. Die zahlreichen unbeschichteten Papierpartikel, die im endgültigen Preßpaneel vorliegen, versehen das Paneel mit keiner signifikanten Festigkeit oder Steifigkeit. Dies führte zu Paneelen aus feuchten Partikeln mit 55% Feuchtigkeitsgehalt, die verglichen mit den anderen Feuchtigkeitsgehalten schlechtere mechanische Eigenschaften hatten. Mit Abnahme der Viskosität des Harzes erhöhte sich die Bedeckung der Papierpartikel. Es gab jedoch keinen meßbaren Unterschied in der Festigkeit oder Steifigkeit zwischen den feuchten Partikeln mit einem Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von 59% bis 75%.
Die Härtewerte sind ebenfalls in der Tabelle VII dargestellt. Wenn die Schüttdichte der getrockneten Partikel mit höherem Feuchtigkeitsgehalt der feuchten Partikel abnahm, neigten die Härtewerte dazu, anzusteigen. Dies wurde dadurch verursacht, daß die feineren Partikel, die das Paneel bilden, dichter als größere Partikel verdichtet werden können. Dies führte wiederum zu einer weniger porösen, härteren Oberfläche. TABELLE VII Ausgewählte mechanische Eigenschaften
¹ 1 psi = 6,9 kPa ² 1 Pfund = 0,4536 kg
Diese Werte stellen das Mittel aus 15 Testproben dar.
Die Ergebnisse der Tests der physikalischen Eigenschaften sind in der Tabelle VIII dargestellt. Die mit den feuchten Partikeln mit 55% Feuchtigkeitsgehalt hergestellten Paneele zeigten schlechte Zwei-Stunden- und Vierundzwanzig-Stunden-Randquelleigen-schaften. Dies war auf die vorstehend erwähnte schlechte Bedeckung mit Sojaharz zurückzuführen. Außerdem zeigten die Ergebnisse für die feuchten Partikel mit höherem Feuchtigkeitsgehalt, 71% und 75%, extrem schlechte Kurzzeit- und Langzeit-Randquell-eigenschaften. Die Vierundzwanzig-Stunden-Ergebnisse für diese zwei Kombinationen waren tatsächlich schlechter als angegeben, weil der Mittelwert auf der Anzahl der nach vierundzwanzigstündigem Untertauchen verbliebenen meßbaren Proben basiert. Bei den 71%- Testproben zerfielen acht im Wasser, und bei den 75%-Testproben zerfielen drei im Wasser. Somit hat das Sojaharz mit höherem Wassergehalt aufgrund des Auswaschens von Harz (d. h. Verdünnung) nicht mehr genügend Bindungsfestigkeit, um das Paneel zusammenzuhalten, wenn die Paneele in Wasser getaucht werden. Der Feuchtigkeitsgehalt, der insgesamt die besten Zwei-Stunden- und Vierundzwanzig-Stunden-Randquellwerte ergab, war 67%. TABELLE VIII Ausgewählte physikalische Eigenschaften
Diese Werte stellen das Mittel aus 15 Testproben dar.
Von der Kombination mit 71% zerfielen acht Proben, und von der Kombination mit 75% zerfielen 3 Proben während des Tests.

Beispiel 3

Die Auswirkungen von zusätzlichem Papier auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Paneelen

Die Zugabe von zusätzlichem Papier und Wasser zu der im Verfahren B erläuterten Rezeptur (die PVA enthielt) erzeugte ein weniger dichtes Paneel, während die Verringerung des Papier-zu-Harz-Verhältnisses zu leichteren Paneelen und verringerten Paneelkosten pro Quadratfuß führte. Die Menge an verwendetem Papier wurde auf das 1 1/2fache der gewöhnlich verwendeten Menge erhöht. Die Menge an zugegebenem Wasser wurde entsprechend eingestellt, um den Gesamtwassergehalt in der Charge bei 61% zu halten. Das Gesamtvolumen des Harzes wurde an einen Labormaßstab angepaßt. Die Partikel wurden auf 11% getrocknet und in einer 9 3/4 Zoll · 4 Zoll großen Form verpreßt. Nur zwei Paneele wurden hergestellt und auf übliche Weise getestet.
Bei der größeren Menge an Papier wurde das Papier nicht so gut wie gewöhnlich beschichtet. Daher wurde es länger gemischt, um eine besser Beschichtung zu ermöglichen. Im Gegensatz zu der runden Form, die gewöhnlich hergestellt wird, waren die Partikel lang und schlank. Keine sichtbaren Unterschiede wurden während des Pressens bemerkt. Die mechanischen Eigenschaften der Testpaneele zeigten kaum Abweichung von Standardpaneelen. Eine leichte Abnahme der Wasserabsorptionseigenschaften wurde beobachtet.
Die Dichte der Paneele nahm nur leicht von 1,3 bis auf 1,21 ab. Dies könnte der Grund für die schlechteren Absorptionseigenschaften sein. Die Dichte der getrockneten Partikel war etwa 0,97, verglichen mit 0,93 für Standardpartikel. Die Dichte der getrockneten Partikel wurde durch Volumenverdrängung gemessen. Eine bekannte Masse an Partikeln wurde in eine Flüssigkeit mit einer spezifischen Dichte von etwa 0,68 g/cm³ gegeben, und das durch die Partikel verdrängte Volumen wurde aufgezeichnet. Der Grund für die niedrigere Dichte der Partikel mit höherem Papiergehalt ist die längere Mischungszeit und die kleinere Partikelgröße. Wenn runde Partikel, hauptsächlich mit einem Papierkern, hergestellt werden, werden Lufttaschen in den Partikeln eingefangen, was zu einem weniger dichten Partikel führt. Wenn sie länger gemischt werden, werden die Partikel weiter zerbrochen, und die Lufttaschen werden mit Harz gefüllt, was ein dichteres Partikel erzeugt.

Beispiel 4

Bewertung des Verhältnisses von Papier zu Sojaharz bei der Herstellung von Paneelen

Das Verhältnis von Cellulosematerial zu Harz beeinflußt die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Verbundstoffpaneelen. Wenn nicht genügend Cellulosematerial im Verbundstoffpaneel vorliegt, dann fehlen Festigkeit und Steifigkeit. Wenn andererseits der Gehalt an Cellulosematerial im Verbundstoffpaneel bei gegebener Harzbeschickung zu hoch ist, dann fehlt die Formbeständigkeit des Paneels. Drei halbe Chargen wurden in einem 1,7 m³ [60 Kubikfuß] großen Mischer unter Verwendung der vorstehend im Verfahren B erläuterten Rezeptur (mit PVA) hergestellt. Das Verhältnis von Papier zu Sojaharz wurde bei den drei Gemischen variiert. Die Verhältnisse waren wie nachstehend: 0,8 : 1,0, 1,3 : 1,0 und 1,5 : 1,0. Das gemischte Material wurde vor dem Verpressen auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 11% getrocknet.
Die Paneele wurden in einer 0,6 m · 0,6 m [2 Fuß auf 2 Fuß] großen Heißpresse verpreßt. Die Plattentemperatur war 312ºF (156ºC), und die Gesamtpreßdauer war etwa 13,5 Minuten. Die Preßdauer wurde leicht variiert, um Änderungen im Feuchtigkeitsgehalt der Beschickung zu kompensieren. Die angestrebte spezifische Dichte der aus der Presse kommenden Paneele war 1,30. Die Paneele wurden auf Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Formbeständigkeit getestet. Beschreibende Statistik wurde für die bei jedem Verhältnis getesteten Eigenschaften erzeugt.
Das Papier in dem Gemisch, das mit dem Papier-zu-Sojaharz-Verhältnis von 1,5 : 1 hergestellt wurde, wurde nicht gut beschichtet, wogegen in den anderen Gemischen das Papier gut beschichtet wurde. Mit steigendem Papierverhältnis sank die Schüttdichte der getrockneten Partikel. Es gab keine Probleme während des Verpressens der drei verschiedenen Verhältnisse.
Das Nachstehende ist eine Zusammenfassung der mechanischen Eigenschaften der in dieser Studie hergestellten Paneele. Die aufgelisteten Werte stellen den Mittelwert von 15 Testproben dar.
Das Verhältnis 0,8 : 1,0 hatte eine signifikant (P < 0,05) geringere Festigkeit, Steifigkeit und Härte, weil nicht genügend Cellulosematerial im Verbundstoffpaneel vorlag. Das Cellulosematerial stellt ein interne Unterstützung für die Struktur des Paneels bereit. Das Nachstehende ist eine Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften der in dieser Studie hergestellten Paneele. Die aufgelisteten Werte stellen den Mittelwert von 1 S Testproben dar.
Das Verhältnis 1,5 : 1 hatte signifikant (P < 0,05) höhere Zwei-Stunden- und Vierundzwanzig-Stunden-Randquellwerte als die anderen zwei Kombinationen. Die große Menge an Fasern, die in diesem Verhältnis vorlag, erhielt keine angemessene Beschichtung durch das Sojaharz. Daher war die innere Bindungsfestigkeit des Verbundstoffpaneels, die sein erhebliches Quellen beim Untertauchen in Wasser verhindert, unzureichend. Es gab keinen signifikanten (P < 0,05) Unterschied zwischen den beiden in dieser Studie verwendeten niedrigeren Verhältnissen.
Dieses Beispiel zeigt, daß das Verhältnis von Papier zu Sojaharzfeststoffen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Paneele wichtig ist. Wenn die Menge an Papier zu klein ist, haben die hergestellten Paneele keine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit. Wenn die Menge an Papier zu groß ist, haben die Paneele keine ausreichende Wasserbeständigkeit.

Beispiel 5

Bewertung des Protein-Dispersions-Indexes

Dieses Experiment wurde durchgeführt, um die im Sojabohnenmehl erforderliche Menge an löslichem Protein zu bestimmen. Sojabohnenmehle mit einem pdi von 20 und 70 wurden bewertet. Chargen von Verbundstoffpartikeln wurden in einem 60 Fuß³ großen Labormischer unter Verwendung der im Verfahren B erläuterten Rezeptur (mit PVA), das im Verhältnis auf einen kleineren Maßstab gebracht wurde, hergestellt, wobei aber das verwendete Standard-90-pdi-Mehl durch die Mehle mit unterschiedlichem pdi ersetzt wurde. Das partikuläre Material wurde vor dem Pressen auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 11% getrocknet.
Die Paneele wurden in einer 0,6 m · 0,6 m [2 Fuß auf 2 Fuß] großen Heißpresse verpreßt. Die Plattentemperatur war etwa 312ºF (156ºC). Die Gesamtpreßdauer war etwa 13,5 Minuten. Die Preßdauer variierte aufgrund von leichten Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt des partikulären Materials. Die angestrebte spezifische Dichte der aus der Presse kommenden Paneele war 1,30. Die Paneele wurden auf Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Formbeständigkeit getestet. Beschreibende Statistik wurde für die bei jedem Verhältnis getesteten Eigenschaften erzeugt.
Es traten weder Probleme bei der Herstellung der Verbundstoffpartikel noch beim Pressen der Paneele auf. Das Nachstehende ist eine Zusammenfassung der mechanischen Eigenschaften der in dieser Studie hergestellten Paneele. Die Werte sind Mittelwerte aus 15 Testproben.
Die mechanischen Eigenschaften der in dieser Studie hergestellten Paneele waren vergleichbar mit den mechanischen Eigenschaften, die mit dem 90-pdi-Sojabohnenmehl erhalten wurden. Es gab keinen signifikanten (P < 0,05) Unterschied in einer der getesteten mechanischen Eigenschaften zwischen dem Sojabohnenmehl mit 20 pdi und 70 pdi. Das Nachstehende ist eine Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften der in dieser Studie hergestellten Paneele. Die Werte sind Mittelwerte aus 15 Testproben.
Das Sojabohnenmehl mit einem pdi von 20 hatte signifikant (P < 0,05) höhere Vierundzwanzig-Stunden-Randquellwerte als das Sojabohnenmehl mit einem pdi von 70. Die Wirkung des Proteins, das die innere Bindungsfestigkeit bereitstellt, die die Formstabilität verstärkt, ist offensichtlich. Das Sojabohnenmehl mit 70 pdi zeigte ähnliche Formstabilitätswerte wie das 90-pdi-Mehl.
Somit können Sojabohnenmehle mit einem breiten Bereich an Protein-Dispersions- Indexen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundstoffpartikel verwendet werden. Die Mehle mit niedrigerem pdi erzeugten Paneele mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie die unter Verwendung eines 90-pdi-Mehls hergestellten Paneele. Für die Formstabilität sind jedoch höhere pdi-Werte erforderlich.

Beispiel 6

Bewertung von grobem Sojabohnenschrot

Das Ziel dieser Studie war, zu bewerten, ob Sojabohnenschrot anstelle des Sojabohnenmehls zur Herstellung der Verbundstoffpartikel verwendet werden kann, die die erfindungsgemäßen Paneele bilden. Eine 1,7 m³- [60 Fuß³-] Charge wurde im Labormischer unter Verwendung der im Verfahren B erläuterten Rezeptur (mit PVA), deren Volumen geeignet eingestellt war, hergestellt. Die einzige Variation der Rezeptur war der Ersatz von Sojabohnenmehl durch Sojabohnenschrot. Das partikuläre Material wurde vor dem Verpressen auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 11% getrocknet.
Die Paneele wurden in einer 0,6 m · 0,6 m [2 Fuß auf 2 Fuß] großen Heißpresse gepreßt. Die Preßtemperatur war 156ºC [312ºF]. Die Gesamtpreßdauer betrug etwa 13,5 Minuten. Die Preßdauer konnte aufgrund von leichten Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt des partikulären Materials variieren. Die angestrebte spezifische Dichte nach der Presse war 1,30. Die Paneele wurden auf Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Formbeständigkeit getestet. Beschreibende Statistik wurde für die getesteten Eigenschaften erzeugt.
Nach der Zugabe des Sojabohnenschrots zum Gemisch war das Harz sichtbar dicker und körniger als bei der üblichen Rezeptur. Nach der Zugabe des Papiers war kein meßbarer Unterschied in den Partikeln im Vergleich zur üblichen verwendeten Rezeptur. Es gab keine Probleme beim Pressen der Paneele. Die mittlere spezifische Dichte der hergestellten Paneele war 1,25. Das Nachstehende ist eine Zusammenfassung der von den Testproben gesammelten Daten. Die aufgelisteten Werte sind Mittelwerte aus 15 Testproben.
Die in dieser Studie hergestellten Paneele hatten mechanische Eigenschaften, die zu denen von Paneelen äquivalent waren, die mit Sojabohnenmehl hergestellt waren. Die Vierundzwanzig-Stunden-Randquelldaten konnten jedoch nicht aufgenommen werden, da die Proben im Wasser zerfielen.

Beispiel 7

Verwendung von Bindemittel auf Isocyanat-Basis

Verbundstoffpartikel wurden unter Verwendung der Rezeptur B (mit PVA), die an Labormaßstab angepaßt war, hergestellt und auf 6,5% Feuchtigkeit getrocknet. Einige dieser Verbundstoffpartikel wurden in diesem Zustand druckgeformt, und andere wurden mit MDI (50 Gramm pro 500 Gramm Partikel) beschichtet. Paneele wurden aus diesem Material unter Verwendung einer Temperatur von 320ºF (160ºC) und eines Drucks von 520 psi für 6 Minuten gepreßt (Probe 1 = unbeschichtete Partikel und Probe 2 = MDI-beschichtete Partikel). Paneele wurden bei der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck, aber halb so lange, d. h. 3 Minuten (Probe 3), oder für 6 Minuten bei der gleichen Temperatur und einem Druck von 5,4 MPa [780 psi] (Probe 4) gepreßt. Die mechanischen Eigenschaften dieser Paneele sind nachstehend aufgeführt.
Diese Ergebnisse zeigen, daß die Zugabe von MDI verglichen mit den gleichen Partikeln, die ohne MDI zu Paneelen verpreßt werden, zu verbesserten mechanischen Eigenschaften führt. Weiterhin zeigen diese Ergebnisse, daß erhöhter Druck und verlängerte Preßdauer ebenfalls zu verbesserten mechanischen Eigenschaften führen.

Beispiel 8

Verwendung von Bindemittel auf Isocyanat-Basis und Wachsemulsion

Verbundstoffpartikel wurden unter Verwendung der im Verfahren C erläuterten Rezeptur gemischt. Die Verbundstoffpartikel wurden in einem Bandtrockner von etwa 61% Feuchtigkeitsgehalt auf einen angestrebten Feuchtigkeitsgehalt von 6% getrocknet. Die Partikel wurden dann mit unterschiedlichen Mengen an MDI und Wachsemulsion gemischt. Das in dieser Studie verwendete MDI war Rubinat 1840 von ICI Polyurethanes (West Deptford, NJ). Es ist eine wärmehärtbare klare braune Flüssigkeit auf Urethanbasis mit einer Viskosität unter 500 cps bei 77ºF (25ºC). Die Wachsemulsion war 2100P von Hercules Incorporated (Minneapolis, MN). Die Partikel (150 Pfund) wurden mit den nachstehend genannten verschiedenen Kombinationen an MDI und Wachsemulsion in einem Mischer vom Chargentyp gemischt. Wenn das MDI und das Wachs auf die Partikel aufgetragen war, wurde das Gemisch weitere zwei Minuten gemischt, um gleichmäßiges Mischen und eine gleichmäßige Verteilung der Komponenten sicherzustellen. Die in dieser Studie verwendeten Mengen an MDI waren 3,5%, 5,0%, 7,5% und 10%. Die in dieser Studie verwendeten Mengen an Wachsemulsion waren 1,0% und 1,5%. Jede MDI-Menge wurden mit beiden Wachsmengen untersucht.
Wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Partikel unter den angestrebten 6% lag, wurde zusätzliches Wasser während des Mischverfahrens zugegeben. Dies wurde durchgeführt, um den Feuchtigkeitsgehalt der Stoffbahn vor dem Pressen bei etwa 8% einzustellen. Das gemischte Material wurde in einen Einfülltrichter überführt, und eine ebene Stoffbahn wurde im Formkasten ausgebreitet. Die angestrebte Dicke der aus der Presse kommenden Paneele war 2,3 cm [0,90 Zoll], wobei die angestrebte Dichte zwischen 1,25 und 1,30 lag. Die zum Erreichen dieser Ziele verwendeten Preßparameter waren eine Plattentemperatuc von 325ºF (163ºC) bei einem vollen Druck von 3,6 MPa [525 psi], bis die gewünschte Dicke erhalten wurde. Der Druck wurde dann ausreichend verringert, daß die Paneele bei der gewünschten Dicke gehalten wurden. Die Gesamtpreßdauer betrug 8,5 Minuten: 8,0 Minuten Preßzyklus und 0,5 Minuten Entgasungszyklus. Die aus der Presse kommenden Paneele wurden für mindestens vierundzwanzig Stunden heiß aufeinander gestapelt, bevor sie zu Testproben geschnitten wurden.
Zwei Sätze von Vergleichspaneelen wurden hergestellt: Ein Satz unter Verwendung der im Verfahren B erläuterten Rezeptur (mit PVA) und der andere Satz unter Verwendung von Partikeln aus der gleichen Rezeptur (mit PVA), die dann mit 5% MDI-Harz gemischt wurden. Diese Vergleichspaneele wurden unter Verwendung der gleichen, vorstehend genannten Parameter verpreßt.
Aus den gepreßten Paneelen wurden fünf zufallsgemäß für den Test auf mechanische und physikalische Paneeleigenschaften ausgewählt. Aus den ausgewählten Paneelen wurden fünf Proben für die statische Biegung geschnitten, um die Festigkeit und Steifigkeit zu bestimmen. Ebenfalls wurden fünf Proben für Wasserabsorption und Dickequellung von drei der ausgewählten MDI/Wachs-Paneele und fünf der Latex- und Latex/MDI-Paneele geschnitten. Die Tests erfolgten gemäß den durch den ASTM-Standard D-1037, Standardverfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Faser- und Spanpaneelmaterialien auf Holzbasis, festgelegten Verfahren.
Für jede Kombination aus Harzmenge, Wachsmenge und getesteter Eigenschaft wurde eine beschreibende Statistik erzeugt. Die Daten wurden unter Verwendung herkömmlicher Statistiktechniken auf signifikante Unterschiede zwischen Gruppen für die verschiedenen getesteten Eigenschaften analysiert.
Der Feuchtigkeitsgehalt von Materialien auf Holzbasis ist zwar bei der Herstellung von Verbundstoffpaneelen von Interesse, aber die Firmen versuchen gewöhnlich, so trocken wie ökonomisch durchführbar zu arbeiten, um schnelle Preßzeiten und erhöhten Durchsatz der Mühlen sicherzustellen. Bei Verwendung des MDI-Harzes ist jedoch der Feuchtigkeitsgehalt der Partikel vor und nach dem Mischen bei der Herstellung von Paneelen wichtig. Der Feuchtigkeitsgehalt der aus dem Trockner kommenden Verbundstoffpartikel sollte vorzugsweise im Bereich von 6% bis 7% liegen. Dies ist notwendig, um zu gewährleisten, daß der Feuchtigkeitsgehalt der Partikel nach dem Mischen und vor dem Pressen sehr nahe an 8% liegt. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Partikel niedrig ist, ist die Verdichtung der Stoffbahn in der Presse unzureichend, da dieses Paneel weder die angestrebte Dicke noch die angestrebte spezifische Dichte erreichen kann. Dies erzeugt Paneele mit sehr porösen Oberflächen. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt hoch ist, wird das überschüssige Wasser im Paneel unter den Preßbedinungen von Druck und Wärme in große Mengen Dampf umgewandelt und erzeugt zahlreiche Zerplatzungsstellen der aus der Presse kommenden Paneele. Daher ist die Verwendung von Partikeln mit entweder zu niedrigem oder zu hohem Feuchtigkeitsgehalt während dem Pressen mit MDI nicht wünschenswert.
Die Ergebnisse des Tests der mechanischen Eigenschaften sind in der Tabelle IX dargestellt. Die Kombination, die nur den Sojaklebstoff mit PVA/Latex enthielt, hatte ein signifikant (P < 0,05) niedrigeres Bruchmodul (Festigkeit) als die mit MDI-Klebstoff gemischten Kombinationen. Es wurden keine signifikanten (P < 0,05) Unterschiede in der Festigkeit aufgrund steigender MDI-Mengen beobachtet. Es gab aber einen allgemeinen Trend: Mit steigenden MDI-Zugabemengen stieg auch die Festigkeit.
Die Kombination, die nur das Sojaharz mit PVA/Latex enthielt, hatte ein signifikant (P < 0,05) niedrigeres Elastizitätsmodul (Steifigkeit) als die mit MDI gemischten Kombinationen. Wie bei der Festigkeit wurden keine signifikanten (P < 0,05) Unterschiede in der Steifigkeit aufgrund steigender MDI-Mengen festgestellt. Es gab jedoch den gleichen Trend: Mit steigenden MDI-Zugabemengen stieg auch die Steifigkeit.
Die Festigkeit und Steifigkeit der unter Verwendung von MDI hergestellten Paneele sind verglichen mit der Rezeptur, die PVA/Latex ohne MDI verwendete, wesentlich verbessert. Die in dieser Studie mit MDI hergestellten Paneele zeigen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften, die gleich oder besser als die von hochdichter Spanplatte des Typs waren, der zur Herstellung von Geschäfts- und Wohnmöbeln verwendet wird.
Der Anstieg in der Festigkeit und Steifigkeit aufgrund steigender Raten an MDI ermöglicht die Anpassung der Bioverbundwerkstoffe an die gewünschten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften für spezifische Endanwendungen. Die Festigkeit und Steifigkeit von Produktionspaneelen unter Verwendung der MDI-Zugaberaten aus dieser Studie neigen bei einer gegebenen, etwas höheren, angestrebten spezifischen Dichte von 1,3 und einer geringeren Variabilität, die mit einem kontinuierlichen System im Gegensatz zu einem Chargensystem einhergeht, zu höheren Werten.
Die Ergebnisse des Tests der physikalischen Eigenschaften sind in der Tabelle X dargestellt. Die Paneele, die nur aus dem Sojaharzsystem mit PVA/Latex hergestellt wurden, hatten eine signifikant (P < 0,05) höhere Randquellung und Wasserabsorption als die mit dem MDI-Harz hergestellten Kombinationen. Es wurden keine signifikanten (P < 0,05) Unterschiede in entweder der Randquellung oder der Wasserabsorption zwischen den Kombinationen aufgrund steigender MDI-Zugaberaten oder zwischen den zwei Wachsmengen beobachtet. Es wurden keine Trends wie bei der Festigkeit und der Steifigkeit beobachtet. Nur bei der Zugaberate von 3,5% gab es eine Verbesserung in der Formstabilität aufgrund der von 1,0% auf 1,5% erhöhten Wachszugabe. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß das Wachs den Platz des PVA-Latex als Schlichtungsmittel in den Paneelen eingenommen hat, ohne die Formbeständigkeit zu beeinträchtigen.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Pressen von Verbundwerkstoffen auf Holzbasis, wo die MDI-Zugaberaten bis zu 20-30% variieren können, hat das erfindungsgemäße Paneelherstellungsverfahren eine obere Grenze für die Menge an MDI, die zugegeben werden kann, ohne nachteilige Wirkungen auf die aus der Presse kommenden Paneele hervorzurufen. Beim Verfahren ist die angestrebte spezifische Dichte extrem hoch, 1,3- bis 2,0fach höher als von herkömmlichen hergestellten Verbundstoffpaneelen auf Holzbasis. Wie zuvor erwähnt, wird diese hohe spezifische Dichte benötigt, um die geringe Porosität der Paneeloberflächen zu gewährleisten. Diese dichten Paneele lassen jedoch sehr wenig Lückenraum, in den sich das überschüssige MDI pressen kann. Während des Preßarbeitsgangs unter Verwendung der mit der hohen Zugaberate von 10% MDI gemischten Partikel war der gesamte freie Lückenraum im Paneel ausgefüllt, und bei einigen Paneelen wurde das überschüssige MDI ausgepreßt. Indem der gesamte freie Lückenraum innerhalb des Paneels gefüllt wird, gibt es keine Bereiche oder Wege, durch die der beim Preßarbeitsgang erzeugte Dampf und das während des Isocyanathärtungsverfahrens gebildete CO&sub2; hinausgelangen könnten. Dies erzeugt zahlreiche Zerplatzungsstellen in den Paneelen, wenn sie aus der Presse kommen, wie sie auf ähnliche Weise beobachtet werden, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des partikulären Materials zu hoch ist. Dieses Problem trat während des Pressens von Paneelen unter Verwendung der mit der Zugaberate von 7,5% gemischten Partikel nicht auf. Dies legt nahe, daß die obere Grenze der MDI-Zugabe etwa 10% ist.
Andere Schlußfolgerungen, die aus dieser Studie gezogen werden können, sind u. a.: Die Preßzeiten unter Verwendung der Rezeptur ohne PVA, aber mit den MDI/Wachs- Mischsystemen sind wesentlich kürzer als die Preßzeiten, die zur Herstellung von Paneelen mit den PVA enthaltenden Rezepturen verwendet wurden. Wenn das in diesem Beispiel verwendete Herstellungsverfahren und gewünschte Eigenschaften gegeben sind, ist die obere Grenze für die Menge an MDI, die mit den Verbundstoffpartikeln gemischt werden kann, etwa 10%, obwohl sie unter anderen Bedingungen etwa 20% sein kann. Indem die Menge an MDI, die auf die trockenen Partikel aufgetragen wird, variiert wird, können die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Paneele auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden. Bei einer Zugabe von 5% oder mehr MDI gibt es keinen wesentlichen Gewinn an Formstabilität, wenn die Menge an verwendeter Wachsemulsion von 1,0% auf 1,5% erhöht wird. TABELLE VIII Ausgewählte mechanische Eigenschaften von Paneelen, hergestellt mit verschiedenen Kombinationen an Harzen und Schlichtungsmitteln TABELLE IX Ausgewählte physikalische Eigenschaften von Paneelen, hergestellt mit verschiedenen Kombinationen an Harzen und Schlichtungsmitteln

Beispiel 9

Aus Sojabohnenmehl und Kalk hergestellte Paneele

Diese Studie wurde zum Vergleich durchgeführt, um die Verwendung von Kalk und Sojabohnenmehl bei der Herstellung von Sojaharz zu untersuchen. Die zur Herstellung des Sojaharzes verwendete Rezeptur war eine Kombination von 8 kg Kalk, 148 kg Wasser und 49 kg Sojabohnenmehl mit einem pdi von 90, die mit 46 kg in der Hammermühle zerkleinertem unbehandeltem bedrucktem Zeitungspapier vermengt wurden. Das Material wurde vor dem Pressen auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 11% getrocknet. Die Plattentemperatur war etwa 312ºF (156ºC). Die Gesamtpreßdauer war etwa 13,5 Minuten. Die Preßdauer variierte aufgrund von leichten Schwankungen im Feuchtigkeitsgehalt des partikulären Materials. Die angestrebte spezifische Dichte der aus der Presse kommenden Paneele war 1,30. Die Paneele wurden auf Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Formbeständigkeit getestet. Beschreibende Statistik wurde für jede getestete Eigenschaft erzeugt.
Es traten weder Probleme bei der Herstellung der Verbundstoffartikel noch beim Pressen der Paneele auf. Das Nachstehende ist eine Zusammenfassung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften der in dieser Studie hergestellten Paneele. Die aufgelisteten Werte sind Mittelwerte aus 15 Testproben.
Die Paneele hatten erheblich weniger Festigkeit und Steifigkeit als die aus Verbundstoffpartikeln, die unter Verwendung der üblichen Sojaharz-Rezeptur hergestellt wurden, hergestellten Paneele. Die Formbeständigkeit der in dieser Studie hergestellten Paneele war extrem schlecht. Die Testproben zerfielen während des Tests im Wasser. Daher wurden keine 24-Stunden-Randquelldaten erhalten. Diese einfache Rezeptur aus Kalk, Sojabohnenmehl und Wasser erzeugte Partikel, denen sowohl die innere Bindefähigkeit sowie Partikel-Partikel-Bindefähigkeiten fehlen.

Beispiel 10

Herstellung des Bioverbundwerkstoffs unter Verwendung von Erbsenharz

Die erfindungsgemäßen Bioverbundstoffpartikel auf Harzbasis verwenden von Protein stammende Systeme. Obwohl das am stärksten bevorzugte Protein von Sojabohnenmehl stammt, können andere Hülsenfrüchte verwendet werden, einschließlich eine großen Vielzahl an Bohnen und Erbsen. Beispielhaft dafür ist Erbsenmehl, das in einer Hammermühle aus getrockneten gelben Spalterbsen auf eine feinere Konsistenz als 325 Mesh gemahlen wurde.
Das partikuläre Material wurde unter Verwendung von Erbsenmehl anstelle von Sojabohnenmehl in der im Verfahren B erläuterten Rezeptur (mit PVA), die auf einen Labormaßstab verkleinert wurde, hergestellt. Vier Paneele wurden in einer 0,6 m · 0,6 m [2 Fuß auf 2 Fuß] großen Heißpresse gepreßt. Die Plattentemperatur war 312ºF (156ºC), und die Gesamtpreßdauer war etwa 13,5 Minuten. Die Preßdauer variierte leicht, um Änderungen im Feuchtigkeitsgehalt des partikulären Materials zu kompensieren. Die angestrebte spezifische Dichte nach der Presse war 1,3. Die Paneele wurden auf Festigkeit, Steifigkeit und Formbeständigkeit getestet. Beschreibende Statistik wurde für jede getestete Eigenschaft erzeugt.
Es traten keine erkennbaren Schwierigkeiten bei der Verwendung des Erbsenmehls anstelle von Sojabohnenmehl während des Mischens der Verbundstoffpartikel auf. Nach dem Trockner hatten die Partikel aber eine deutlich geringere Schüttdichte als die mit Sojabohnenmehl hergestellten Partikel. Die geringe Schüttdichte der Verbundstoffpartikel führte zu einigen Schwierigkeiten beim Verpressen und erzeugte einen höheren Grad an Dichtevariation entlang und über die Paneele als bei Verwendung von Sojabohnenmehl. Dies kam höchstwahrscheinlich durch das feine Mahlen des Erbsenmehl zustande. Dieses Problem konnte beseitigt werden, indem die Mahlparameter so eingestellt wurden, daß Mehl mit der gleichen Meshgröße wie das zur Zeit verwendete Sojabohnenmehl hergestellt wurde.
Das Nachstehende faßt die mechanischen Eigenschaften zusammen, die von den in diesem Experiment hergestellten Paneelen erhalten wurden. Die aufgelisteten Zahlen stellen den Mittelwert von 15 Testproben dar.
Bruchmodul (psi) Elastizitätsmodul (psi)
2787 424951
Die Festigkeit und Steifigkeit der mit Erbsenmehl hergestellten Paneele ähnelten sehr den mit Sojabohnenmehl hergestellten Paneelen. Die typische Festigkeit und Steifigkeit von Paneelen, die unter Verwendung der im Verfahren B erläuterten Rezeptur mit Sojabohnenmehl hergestellt wurden, ist 2809 psi und die Steifigkeit ist 411513 psi (s. Beispiel 7).
Das Nachstehende faßt die physikalischen Eigenschaften zusammen, die von den mit Erbsenmehl hergestellten Paneelen erhalten wurden. Die aufgelisteten Werte stellen den Mittelwert von 8 Testproben dar.
2-Stunden-Randquellung (%) 24-Stunden-Randquellung (%)
24,5 54,2
Die Randquellwerte sind etwas höher als die von unter den gleichen Bedingungen mit Sojabohnenmehl hergestellten Paneelen. Die typische vierundzwanzig-Stunden-Randquellung ist 40,6% (s. Beispiel 7). Man nimmt an, daß dieser Anstieg in den Rand-duellwerten durch die hohe Variabilität der Paneeldichte zustande kommt. Bei einer einheitlicheren Dichte um die angestrebten 1,3 sollten die Randquellwerte der mit Erbsenmehl hergestellten Paneele sehr vergleichbar zu den unter Verwendung von Sojabohnenmehl hergestellten Paneelen sein, und sie sind eindeutig für Anwendungen in Innenräumen geeignet.

Testverfahren

Die nachstehenden Testverfahren wurden verwendet, um die vorstehend aufgeführten Ergebnisse zu erhalten. Gewöhnlich wurden die Proben bei ihrem angestrebten Feuchtigkeitsgehalt beim Gebrauch von etwa 7% getestet. Die Testproben wurden zufallsgemäß aus der getesteten Materialcharge entnommen.

Statische Biegung (MOR & MOE)

Die Festigkeit, d. h. das Bruchmodul ("MOR"), und die Steifigkeit, d. h. das Elastizitätsmodul ("MOE"), wurden unter Verwendung des in ASTM : D1037-91, Abschnitte 11-20, erläuterten Tests der statischen Biegung bestimmt. Eine Reihe von 7,5 · 25 cm [3 Zoll · 10 Zoll] großen Testproben wurden von jedem Testpaneel entnommen und in ein Universaltestgerät überführt. Eine Spanne von 20 cm [8 Zoll] und eine konstante Querhauptgeschwindigkeit wurden auf die Testproben bis zum Versagen ausgeübt. Die Belastung-zu- Biegung-Daten wurden aufgezeichnet, und das MOR und MOE wurden für jede Probe berechnet und für jede getestete Bedingung gemittelt.

Härte

Die Härte wurde unter Verwendung des in ASTM : D1037-91, Abschnitte 74-80, erläuterten Verfahrens bestimmt. Eine Reihe von 7,5 cm · 15 cm [3 Zoll · 6 Zoll] großen Testproben wurde von jedem Testpaneel entnommen und unter Verwendung geeigneter Fixiervorrichtungen in einem Universaltestgerät befestigt. Ein modifizierter Janka-Ball (1,1 cm (0,4375 Zoll) Durchmesser) drang in die Probe mit konstanter Rate bis zu einer Biegung von 2,5 mm (0,10 Zoll) ein. Die Belastung-zu-Biegung-Daten wurden aufgezeichnet, und die entsprechenden Janka-Ball-Härtewerte wurden berechnet und für jede getestete Bedingung gemittelt.

Wasserabsorption und Dickequellung

Der Wasserabsorptions- und Dickequellungstest wurde unter Verwendung des in ASTM:D1037-91, Abschnitte 100-106, erläuterten Verfahrens durchgeführt. Eine Reihe von 15 cm · 15 cm [6 Zoll · 6 Zoll] großen Testproben wurde hinsichtlich ursprünglicher Dicke und ursprünglichem Gewicht gemessen und dann horizontal unter 2,5 cm [1 Zoll] Wasser getaucht. Änderungen im Gewicht und in der Dicke wurden nach 2 Stunden und 24 Stunden gemessen. Die Änderungen in Dicke und Gewicht wurden berechnet und für jede getestete Bedingung gemittelt.

Innere Bindung

Der Test der inneren Bindung wurde unter Verwendung des in ASTM : D1037-91, Abschnitte 28-33, erläuterten Verfahrens durchgeführt. Eine Reihe von 5 cm · 5 cm [2 Zoll auf 2 Zoll] großen Testproben wurde von den Testpaneelen genommen und an geeignete Testfixiervorrichtungen geklebt. Die angeklebte Probe wurde in ein Universaltestgerät überführt, und eine konstante Belastung wurde bis zum Versagen ausgeübt. Die maximale erhaltene Belastung wurde aufgezeichnet, und die entsprechenden Werte für die innere Bindung wurden berechnet.

Feuchtigkeitsgehalt und Dichte/spezifische Dichte

Der Feuchtigkeitsgehalt und die spezifische Dichte wurden unter Verwendung des in ASTM : D1037, Abschnitte 126-127, erläuterten Verfahrens bestimmt. Probestücke wurden von den verschiedenen Testproben für die statische Biegung erhalten. Die Probestücke wurden gewogen und bei ihrem Feuchtigkeitsgehalt beim Gebrauch von etwa 7% hinsichtlich ihrer Dichte gemessen. Diese Probestücke wurden dann bei 103ºC im Ofen praktisch bis zum Gleichgewicht getrocknet, gewogen und mit dem Anfangsgewicht verglichen, um den tatsächlichen Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen.

Viskosität

Die Viskosität verschiedener Sojaklebstoffgemische wurde unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters Modell DV-I+ gemessen. Eine Reihe von Proben des Sojaklebstoffs in 100-ml-Bechern in seiner Form vor der Zugabe von Cellulose wurde bei 60-70ºF (16-21ºC) unter Verwendung einer Spindel Nr. 6 getestet. Die erhaltenen Centipoise- Ergebnisse wurden aufgezeichnet und für jede berechnete Bedingung gemittelt.
Obwohl die Erfindung bezüglich verschiedener erfindungsgemäß bevorzugter Gemische und Produktionsausrüstung beschrieben wurden, ist offensichtlich, daß noch andere Verfahren und Gemische dem Fachmann vorgeschlagen werden können. Folglich wird die vorstehende Beschreibung so betrachtet, daß sie alle gleichwertigen Ausführungsformen innerhalb ihres Geistes und Umfangs umfassen soll.

Claims

1. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff umfassend verschmolzene, diskrete, faserverstärkte Partikel auf Proteinbasis und ein zweites wärmehärtbares Bindemittel, der durch ein Verfahren erhältlich ist, umfassend:

(a) Herstellen eines wäßrigen Harzes mit einem pH-Wert von 10 bis 14 auf der Basis von Hülsenfrüchteprotein;

(b) Kombinieren eines faserigen Cellulosematerials mit dem wäßrigen Harz auf der Basis von Hülsenfrüchteprotein in einer Menge und auf eine Weise, daß diskrete Bioverbundstoffpartikel mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 55 bis 75%, einer Partikelgröße nicht größer als 0,5 Zoll (1,3 cm), und einem Verhältnis von Cellulosefeststoffen zu Harzfeststoffen von 0,8 : 1,0 bis 1,5 : 1,0 gebildet werden;

(c) Verringern des Feuchtigkeitsgehalts der diskreten Bioverbundstoffpartikel auf weniger als 20%, um trockene Bioverbundstoffpartikel zu bilden;

(d) Überziehen der trockenen Bioverbundstoffpartikel mit einem zweiten wärmehärtbaren Bindemittel; und

(e) Verpressen der überzogenen, trockenen Bioverbundstoffpartikel bei erhöhtem Druck und Temperatur für eine ausreichende Zeit, um die Partikel zu einem starren, druckgeformten Bioverbundwerkstoff zu verschmelzen.

2. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, wobei das zweite wärmehärtbare Bindemittel ein Isocyanatbindemittel umfaßt.

3. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das faserige Cellulosematerial Zeitungspapier umfaßt.

4. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das faserige Cellulosematerial landwirtschaftliche Fasern umfaßt.

5. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin enthaltend mindestens einen Farbstoff.

6. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die diskreten, faserverstärkten Partikel auf Proteinbasis einen Feuchtigkeitsgehalt von 6 bis 8 Gew.-% vor dem Verschmelzen haben.

7. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin enthaltend ein wasserabweisendes Schlichtemittel.

8. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Harz auf Hülsenfrüchtebasis ein Latexharz auf Formaldehydbasis als Vernetzungsmittel beinhaltet.

9. Starrer, druckgeformter Bioverbundwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin enthaltend ein Einlagematerial, welches ein integraler Bestandteil des druckgeformten Werkstoffs ist.

10. Verfahren zur Herstellung des starren, druckgeformten Bioverbundwerkstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren umfaßt: