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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines Glasvlieses gemäß Präambel von Anspruch 1. Sie
betrifft außerdem ein Glasvlies gemäß Präambel von Anspruch
5. Somit umfaßt die Erfindung ein modifiziertes
Bindemittel vom Typ Harnstoff-Formaldehyd zum Verkleben von
Glasfasern unter Bildung von Vliesen und die auf diese Weise
hergestellten Vliese. Die erfindungsgemäß hergestellten
Vliese sind als Substrate zur Herstellung einer großen
Anzahl von Produkten, wie Asphalt-beschichtete oder -
getränkte Dachpappeprodukte und gesättigte oder mit
modifiziertem Bitumen beschichtete oder getränkte
Dachpappeprodukte, wie Schindeln, Rollpappe und Kappenfolie etc.
Die Vliese sind auch als stabilisierende und verstärkende
Substrate für verschiedene andere Produkte geeignet.
Hintergrund
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Die Herstellung von Verstärkungsvliesen aus Glasfasern
und die Verwendung dieser Vliese als Substrate bei der
Herstellung einer großen Anzahl von Dachpappeprodukten,
wie Schindeln, bebaute Dachpappe etc., ist bekannt. Jedes
Verfahren zur Herstellung von Faservliesen kann angewandt
werden, wie die herkömmlichen, in den U.S.-
Patentschriften Nrn. 4 112 174, 4 681 802 und 4 810 576
beschriebenen Naßverfahren. Bei diesen Verfahren wird
eine Glasfaser-Aufschlämmung durch Zugabe der Glasfaser zu
einem typischen Weißwasser in einem Pulper zur Dispersion
der Faser in dem Weißwasser unter Bildung einer
Auf
schlämmung mit einer Faserkonzentration von etwa 0,2 bis
1,0 Gew.-%, Zuteilen der Aufschlämmung in einen
Weißwasserstrom und Ablagerung dieses Gemisches auf einem
laufenden Formsieb unter Entwässerung und Bildung eines
nassen Faservlieses hergestellt.
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Sodann wird dieses Glasfaser-Naßvlies auf ein zweites
Laufsieb übergeführt und passiert eine Bindemittel-
Auftrage-Tränk-Station, wo ein wäßriges
Bindemittelgemisch, beispielsweise ein wäßriges Harnstoff-
Formaldehyd(UF)-Harz-basierendes Bindemittelgemisch in
Wasser mit, bezogen auf das Trockengewicht des UF-Harzes,
etwa 24 Gew.-% einer Mischung von 91,7 Gew.-%
Polyvinylacetat-Homopolymerem und 8,3 Gew.-% eines acrylischen
Tripolymeren auf das Vlies aufgebracht wird. Anschließend
wird das überschüssige Bindemittel abgesaugt, das
unverklebte, nasse Vlies getrocknet und das UF-basiernde
Harzbindemittel, das die Fasern in dem Vlies miteinander
verklebt, ausgehärtet (polymerisiert). Vorzugsweise wird die
wäßrige Bindemittellösung unter Verwendung eines
Vorhangbeschichters oder eines Tauch-und-Quetschapplikators
aufgebracht, allerdings sind auch andere Aufbringmethoden
wie Sprühen geeignet.
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Im Trocken- und Härtungsofen wird das Vlies Temperaturen
von 121-204 oder 260ºC (250-400 oder 500ºF)
üblicherweise nicht länger als 1 bis 2 min. und mindestens
einige Sekunden lang ausgesetzt. Alternativ umfassen die
Formverfahren die Verwendung hinreichend bekannter
Verfahren des Zylinderformens und "Trockenlegens" unter
Ver
wendung einer Faserverteilung durch Kardieren oder einer
regellosen Faserverteilung.
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Ein typisches Verfahren und ein entsprechendes
Glasfaservlies sind aus der US-A-4571356 bekannt, die den
neuesten Stand der Technik darstellt. Dieses Dokument
offenbart eine wasserlösliche einkomponentige Glasvlies-
Bindemittelzusammensetzung, die ein
Harnstofformaldehydharz und Polyvinylacetat-Polymere und/oder Vinylacryl-
Polyvinylacetat-Copolymere enthält, zur Herstellung von
Asphaltschindeln. Die Schindeln werden durch
Asphaltbeschichten eines Glasvlieses gebildet, wobei das Glasvlies
mit der Bindemittelzusammensetzung beschichtet und unter
Verkleben der Glasfasern in der Vliesstruktur ausgehärtet
wird. Ein anderes Dokument, das die Herstellung von
Dachschindeln behandelt, ist die US-A-5334648. Nach diesem
Dokument werden Emulsionscopolymere zur Verwendung als
Harnstoff-Formaldehyd-Modifizierer aus
Vinylchloridmonomeren, Weichmacher-Mononomeren und funktionellen
Monomeren gebildet. Das Copolymere ergibt beim Mischen mit
Formaldehydharzen und bei Verwendung als Bindemittel eine
verbesserte Naß- und Trockenzugfestigkeit und eine
bessere Durchreißfestigkeit. Diesen Bindemitteln wird eine
besondere Eignung als Glasvlies-Bindemittel bei der
Herstellung von Dachschindeln zugesprochen.
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Aufgrund ihrer Anwendungsmöglichkeiten und relativ
geringen Kosten werden UF-Harze am häufigsten als Bindemittel
für Glasvliese eingesetzt. Melamin-Formaldehydharze
werden manchmal bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt.
Zur Verbesserung der Zähigkeit der Vliese und für eine
Kombination von höherer Vlies-Durchreißfestigkeit und -
biegsamkeit, die notwendig sind, damit auf den
Fießbändern bei der Dachpappeherstellung höhere
Verarbeitungsgeschwindigkeiten und auf den Dächern die maximale
Dachpappe-Leistung möglich sind, ist es üblich, die UF-Harze wie
vorstehend beschrieben oder mit acrylischen Latices oder
mit SBR-Latices zu modifizieren und zu plastifizieren.
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Mehrere Millionen Pounds Glasvliese wurden bereits durch
die obigen bekannten Verfahren hergestellt und haben sich
bewährt. Dennoch ist es erwünscht, das Vlies-
Herstellungsverfahren zu vereinfachen, um die Kosten zu
vermindern und um die Durchreißfestigkeit der
Dachpappeprodukte noch weiter zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die obige Aufgabe wird wie in den Ansprüchen 1 bzw. 5
definiert gelöst. Die Erfindung stellt die obigen Vorteile
in der Industrie bereit.
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Bei den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines
Faservlieses durch die vorstehend beschriebenen Verfahren,
wobei eine Faseraufschlämmung, vorzugsweise Glasfaser,
einem Strom von Weißwasser, vorzugsweise kationischem bis
nichtionischem Weißwasser, zugeteilt und auf einer
durchlässigen Lauffläche zu einem Naßvlies geformt und das
Vlies anschließend mit einem wäßrigen Harnstoff-
Formaldehyd(UF)-Bindemittel, vorzugsweise einem wäßrigen
UF-Bindemittel,
in Wasser verklebt und durch Einmischen
von Polyvinylacetat und acrylischem Tripolymerem
modifiziert, getrocknet und ausgehärtet wird. Die Erfindung
umfaßt die Verbesserung der Verwendung eines wäßrigen
selbstvernetzenden Vinyl-Acryl-Copolymeren als
Modifizierer für das UF-Harz und die Verwendung in Mengen, die
wesentlich geringer sind als die bei Verwendung des
herkömmlichen Modifizierers zur Herstellung von Vliesen mit
vergleichbaren Eigenschaften verwendeten Mengen, mit der
Ausnahme, daß das erfindungsgemäße Vlies im Dachpappe-
Endprodukt überaschenderweise eine wesentlich höhere
Durchreißfestigkeit aufweist, als sie bisher mit Vliesen
erreicht wurde, die mit herkömmlich modifizierten UF-
Harzen verklebt worden sind.
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Vorzugsweise wird das wäßrige UF-Harz-Bindemittel
modifiziert oder durch Einmischen von, bezogen auf das
Trockengewicht von UF-Harz und Modifizierer, 5 bis 8 Gew.-%,
besonders bevorzugt von 7 bis 8 Gew.-% eines
selbstreaktiven und selbstvernetzenden Vinyl-Acryl-Copolymeren mit
den folgenden physikalischen Emulsionseigenschaften
hergestellt:
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Feststoffe: etwa 49 Gew.-%
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pH: etwa 4,2-5,0
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Dichte: etwa 1,07 kg/l (8, 9 lbs./gal)
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Glastemperatur: etwa 22ºC
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Teilchengröße: etwa 350 nm
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Ladung: nichtionisch bis leicht
kationisch
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Viskosität: 1 bis 3 Pas (1000 bis 3000
Centipoise*)
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Kolloid: celluloseartig
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Borax-Kompatibilität: ja
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* gemessen auf einem Brookfield-Viskosimeter, Modell LVF,
unter Verwendung einer Spindel Nr. 4 bei 60 U/min. bei
25ºC (77ºF)
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Dieser Modifizierer ist von der Firma Franklin
International unter dem Namen DuracetTM 827 erhältlich. Er ist
mechanisch stabil und gegenüber
Frost-Tau-Wechselbedingungen stabil.
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Ein weiteres selbstvernetzendes Vinyl-Acryl-Copolymeres
zur Verwendung bei der Erfindung ist das Polymere PN-
3418-U FulatexTM hergestellt von der Firma H.B. Fuller
Company, Vadnais Heights, Mn, USA. Diese Copolymere
besitzt die folgenden Merkmale:
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Feststoffe: 45-47 Gew.-%
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Viskosität: 0,01-0,3 Pas (10-300 cps)
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pH 4,5-5, 5
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Gewicht/Gallone 8,9 lbs
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Restmonomere: 0,5 Gew.-% maximal
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Aussehen: milchigweiße Flüssigkeit
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mittlere Teilchengröße: kleiner als 0,5 um (0,50 Mikron)
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oberflächenaktives Mittel nichtionisch
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Oberflächenspannung 0,04 N/m (40 Dynes/cm**)
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mechanische Stabilität: ausgezeichnet
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Frost-Tau-Stabilität: Lagerung über dem
Gefriertemperatur empfohlen
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* (Brookfield Modell RVF bei 20 U/min und bei 25ºC)
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** P.B. Tensiometer LG - 60/40 E/W Verdünnung mit Wasser
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Ein weiterer Modifizierer, der bei der Erfindung
eingesetzt werden kann, ist ein wäßriges selbstvernetzendes
Polyvinylacetat-Acrylsäure-Copolymer, das als CDP 1790-
194 bezeichnet wird und von der Firma Sequa Chemicals,
Inc., Chester, SC, erhältlich ist. Dieses Material
besitzt die folgenden Eigenschaften:
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pH 6,5
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Feststoffgehalt in % (Gew.-%): 49,2
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Viskosität: 0,06 Pas (60 cps)
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Tg (Glastemperatur): +30ºC
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Mengen von, bezogen auf das Gewicht de UF-Harzes, über 10
Gew.-% können verwendet werden, tragen allerdings
wesentlich zu den Kosten bei und verbessern die Vlies-
Zähfestigkeit oder die Durchreißfestigkeit des
Dachpappeproduktes nicht wesentlich, wenigstens nicht auf
kostengünstige Weise.
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Die durch das oben beschriebene Verfahren hergestellten
Vliesprodukte werden ebenfalls als Teil der Erfindung
angesehen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Glasfasern, die zur Herstellung der Vliese verwendet
werden können, können in Abhängigkeit von der Festigkeit
und anderen bei dem Vlies gewünschten Eigenschaften
verschiedene Faserdurchmesser und Längen besitzen, wie sie
hinreichend bekannt sind. Bevorzugt ist, daß die Mehrzahl
der Glasfasern einen Durchmesser von 3 bis 20 um,
besonders bevorzugt von etwa 12 bis 17 um besitzt.
Normalerweise besitzen die verwendeten Glasfasern alle etwa
dieselbe Ziellänge wie 1,91, 2,54 oder 3,18 cm (0,75, 1 oder
1,25 in.), allerdings können auch Fasern verschiedener
Länge und Durchmesser verwendet werden, um die diversen
Merkmale auf bekannte Weise zu erreichen. Fasern bis zu
etwa einer Länge von 7,62 cm (3 in.) können bei einem
Naßverfahren zur Herstellung von Glasvliesen verwendet
werden, und bei einigen Trockenverfahren können sogar
noch längere Fasern eingesetzt werden. Im allgemeinen ist
die Zug- und Durchreißfestigkeit des Vlieses um so höher,
je länger die Faser ist, allerdings ist die
Faserdispersion umso schlechter. Während E-, T- und C-Typ-Glasfasern
zur erfindungsgemäßen Verwendung bevorzugt sind, sind
auch andere Typen von Glasfasern wie A-Typ, S-Typ etc.
geeignet. Obgleich die Mehrzahl der bei der Erfindung
eingesetzten Fasern Glasfasern sind, kann auch ein
gerin
ger Teil an Nicht-Glasfasern verwendet werden, wie bis zu
etwa 25 Gew.-% organische Fasern, wie NylonTM, Polyester,
Polyethylen, Polypropylen etc.
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Die Verfahren zur Herstellung von Glasvliesen sind
hinreichend bekannt, und einige von ihnen sind in den U.S.-
Patentschriften Nrn. 4 112 174, 4 681 802 und 4 810 576
beschrieben, allerdings kann jedes bekannte Verfahren zur
Herstellung von Vliesen verwendet werden. Die bevorzugte
Methode zur Herstellung von erfindungsgemäßen Vliesen
besteht in der Bildung einer verdünnten, wäßrigen
Aufschlämmung von Fasern und im Ablagern der Aufschlämmung
auf einem geneigten laufenden Formsieb unter Entwässerung
der Aufschlämmung und unter Bildung eines nassen
Faservlieses auf Maschinen, wie einem von der Firma Voith-
Sulzer, Appleton, WS, oder einem von der Firma
Valmet/Sandy Hill, Glenns Falls, NY, hergestellten
Deltaformer. Als nächstes wird das nasse, unverklebte Vlies auf
ein zweites Laufsieb übergeführt, das über eine
Bindemittel-Aufbring-Tränkstation läuft, wo das modifizierte UF-
Harz-basierende Bindemittel in wäßriger Lösung auf das
Vlies aufgebracht wird. Überschüssiges Bindemittel wird
entfernt, und das nasse Vlies wird auf ein laufendes
Ofenband übergeführt, wo das unverklebte, nasse Vlies
unter Polymerisation des UF-basierende Harzbindemittel, das
die Fasern im Vlies verklebt, getrocknet und gehärtet
wird. Vorzugsweise wird die wäßrige Bindemittellösung
unter Verwendung eines Vorhangbeschichters oder eines
Tauch-und-Quetschapplikators aufgebracht. Im Trocken- und
Härtungsofen wird das Vlies Temperaturen von 121 bis 232
oder 260ºC (250 bis 450 oder 500ºF) lange genug, im
allgemeinen nicht länger als 1 oder 2 min. und häufig
weniger als 70 sec ausgesetzt. Alternative Formmethoden
umfassen die Anwendung des hinreichend bekannten
Zylinderformens und des "Trockenlegens".
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Jede UF-Bindemittellösung kann eingesetzt werden,
allerdings ist ein bevorzugtes UF-Bindemittel, das zur
Modifikation und zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignet ist,
ein wäßriges UF-Bindemittel mit dem Namen GP 2928,
hergestellt von der Firma Georgia Pacific Atlanta, GA, mit den
folgenden ungefähren Merkmalen:
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Feststoffe wie bezogen 54 bis 56 Gew.-%
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Viskosität 0,085 bis 0,2 Pas (85 bis
200 Centipoise)
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pH 6,7-7,9
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spezifisches Gewicht 1,22 - 1,24
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formaldehydfrei 0,5 Gew.-% maximal (diese
Eigenschaft ist für die Leistung des Harzes unkritisch,
ist allerdings aus Gründen des Umweltschutzes erwünscht).
BEISPIEL 1
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Eine Faseraufschlämmung wurde auf eine hinreichend
bekannte Weise durch Zugabe von 1 in. langen nassen
gehackten Glasfasern vom Typ E mit einem mittleren
Faserdurchmesser von etwa 16 um in ein bekanntes kationisches
Weiß
wasser, das Natrosol-Verdicker, erhältlich von der Firma
Hercules, Inc., und ein kationisches oberflächenaktives
Mittel, C-61, ein ethoxyliertes Talg-Amin, erhältlich von
Cytec Industries Inc., Morristown, NY, als
Dispersionsmittel, enthielt, unter Bildung einer Faserkonzentration
von etwa 0,8 Gew.-% hergestellt. Nach dem Rühren der
Aufschlämmung für etwa 20 min. um die Fasern sorgfältig zu
dispergieren, wurde die Aufschlämmung einem sich
bewegenden Strom desselben Weißwassers unter etwa 5- bis
10facher Verdünnung der Faserkonzentration auf eine
Konzentration von durchschnittlich etwa 0,05 bis 0,06 Gew.-%
zugeteilt, bevor die verdünnte Aufschlämmung in einen
Stoffauflaufkasten eines Voith-HydroformersTM gepumpt
wurde, wo kontinuierlich ein nasses Vlies geformt wurde.
Das nasse Vlies wurde vom Formsieb genommen und auf einen
Vorhangbeschichter von der Firma Sandy Hill übergeführt,
wo ein wäßriges UF-Bindemittel (das beschriebene UF von
Georgia Pacific, vorstehend beschrieben), modifiziert mit
(gemischt mit) mit, bezogen auf das Trockengewicht des
UF-Harzes, etwa 24 Gew.-% einer Mischung von 91,7 Gew.-%
Polyvinylacetat-Homopolymer und 8,3 Gew.-% eines
acrylischen Tripolymeren, in einer Menge aufgebracht wurde,
so daß in dem gehärteten Vlies eine
Bindemittelkonzentration von etwa 19 bis 20 Gew.-% bereitgestellt wurde. Das
nasse Vlies wurde sodann auf ein Ofenförderband
übergeführt und passierte zur Trocknung des Vlieses und zur
Aushärtung des modifizierten UF-Harzes einen Ofen bei
einer Temperatur von etwa 232ºC (450ºF). Das
Flächengewicht des hergestellten Vlieses betrug 8,7 g/ft.², und
das Vlies besaß die folgenden Festigkeitseigenschaften:
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Dicke 0,813-0,838 mm (32-33 mil)
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Glühverlust 19,5-21 Gew.-%
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Zugfestigkeit in Längsrichtung 6,488 kg/cm (109 lbs/3 in.)
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Zugfestigkeit in Querrichtung 4,762 kg/cm (80 lbs/3 in.)
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Durchreißfestigkeit in Längsrichtung 600 g
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Durchreißfestigkeit in Querrichtung 600 g
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Dieses Vlies wird bereits seit vielen Jahren zur
Herstellung von Asphalt beschichteten Schindeln und gerollter
Dachpappe verwendet.
BEISPIEL 2 (fällt nicht unter die Definition der
Ansprüche)
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Eine weitere Vlies wurde genau auf dieselbe Weise wie in
Beispiel 1 hergestellt, außer daß das auf das nasse Vlies
aufgebrachte Bindemittel dasselbe wäßrige UF-Harz-
Bindemittel von der Firma Georgia Pacific war, das in
Beispiel 1 verwendet wurde, allerdings modifiziert,
gemischt mit etwa 10 Gew.-% des selbstvernetzenden Vinyl-
Acryl-Copolymeren von der Firma Franklin Chemical mit dem
Namen DurasetTM 827. Diese Vlies besaß ein Flächengewicht
von
8,7 g/ft.² und die folgenden physikalischen
Eigenschaften:
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Dicke 0,813-0,838 mm (32-33 mil)
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Glühverlust 19,5-21 Gew.-%
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Zugfestigkeit in Längsrichtung 6,310 kg/cm (106 lbs/3 in.)
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Zugfestigkeit in Querrichtung 4,584 kg/cm (77 lbs/3 in.)
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Durchreißfestigkeit in Längsrichtung 600 g
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Durchreißfestigkeit in Querrichtung 680 g
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Das in den Beispielen 1 und 2 vorstehend hergestellte
Vlies wurde zur Herstellung von Asphalt beschichteten
Schindeln auf bekannte Weise verwendet. Wurde das Vlies
sowohl von Beispielen 1 als auch von Beispiel 2 auf
demselben Fließband unter Verwendung derselben Techniken und
von Materialien, die nicht vom Typ für ein Glasvlies
waren, zur selben Art von Schindeln verarbeitet, so besaßen
die Schindeln die folgende Gesamt-Durchreißfestigkeit,
d. h. Durchreißfestigkeit in Längsrichtung plus
Durchreißfestigkeit in Querrichtung:
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Gesamt-Durchreißfestigkeit unter Verwendung des Vlieses
von Beispiel 1-3200-3500 g
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Gesamt-Durchreißfestigkeit unter Verwendung des Vlieses
von Beispiel 2-4000-4200 g
BEISPIELE 3 und 4
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Beispiel 1 wurde mit der Ausname wiederholt, daß das
Flächengewicht der Vlies auf 9,78 g/ft.² erhöht wurde, um
eine als Vlies von Beispiel 3 bezeichnetes Vlies
herzustellen. Die Vlies wurde auch gemäß denselben Bedingungen
von Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß nur 7,5
Gew.-% DurasetTM 827 mit dem UF-Harz GP 2928 unter
Herstellung des Bindemittels für das Vlies vermischt wurden
und daß sich das Flächengewicht des fertigen Vlieses bei
Herstellung des als Vlies von Beispiel 4 bezeichneten
Vlieses auf 9,7 g/ft.² erhöhte.
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Die herkömmlichen und erfinderischen in den Beispielen 3
und 4 hergestellten Vliese wurden zur Herstellung von
Asphalt beschichteten Schindeln durch ein bekanntes
Verfahren, das sich allerdings von dem zur Bewertung der
Beispiele 1 und 2 verwendeten Verfahren unterschied,
hergestellt. Wurden die in den Beispielen 3 und 4
hergestellten Vliese auf demselben Fließband unter Anwendung
derselben Technik und Materialien, die nicht vom Typ für ein
Glasvlies waren, zu derselben Art von Schindeln
verarbeitet, so besaßen die Schindeln die folgende
Durchreißfestigkeit in Querrichtung:
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CMD-Durchreißfestigkeit unter Verwendung des Vlieses aus
Beispiel 3-2200 g
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CMD-Durchreißfestigkeit unter Verwendung des Vlieses aus
Beispiel 4-2700 g
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Die höheren Schindel-Durchreißfestigkeiten aufgrund des
erfindungsgemäßen Vlieses waren unerwartet und sind für
die Vlies und Dachpappe herstellende Industrie von großem
Wert, da sie neue Alternativen von festeren und/oder
leichteren und kostengünstigeren Dachpappeprodukten
und/oder leichteren und kostengünstigeren Vliesprodukten
ermöglichen.
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Abgesehen von der Leistung der höheren
Durchreißfestigkeit, die erfindungsgemäß ist, existieren noch weitere
Vorteile. Anstelle der zwei Materialien, die bisher
verwendet wurden, muß nur noch ein Modifiziermittel
bestellt, transportiert, gelagert und zugesetzt werden.
Dies vermindert Geräte- und Arbeitskosten und reduziert
die Fehlerwahrscheinlichkeit. Zudem muß ein viel
geringeres Modifizierervolumen gelagert werden als bisher.
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Obgleich die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
ausführlich offenbart worden sind, werden andere
Ausführungsformen als Teil der Erfindung angesehen und sollen
in den Ansprüchen der Erfindung eingeschlossen sein.