Verfahren zur Herstellung eines dichten amorphen, wasserbeständigen Körpers. Die Erfindung betrifft die Herstellung von amorphen, sehr dichten und wasser beständigen Produkten in Formen oder zwi schen Platten einer Plattenpresse aus zellu- losehaltigem, pflanzlichem Material, wie Holzspänen, Sägespänen, Maisstengel, Zuk- kerrohrbagasse, Stroh und dergleichen.
Bei der Herstellung von Platten aus rohem zellulosehaltigem, pflanzlichem Material ist es üblich, das Rohmaterial in grobfaserigen Zustand überzuführen und das derart erhal tene Material in so viel Wasser zu suspendie ren, dass ein feuchter Kuchen entsteht, aus dem das Endprodukt hergestellt werden kann.
Bei der Überführung des zellulosehaltigen, pflanzlichen Materials in einen groben Faser zustand wird in der Regel eine kanonenartige Vorrichtung verwendet, wie sie in der ameri kanischen Patentschrift Nr.1824221 beschrie ben ist, in der das Rohmaterial, beispielsweise Holzstückchen, der Wirkung von hohem Dampfdruck unterworfen und aus der es durch Freilegen einer verhältnismässig klei nen Öffnung in der Kanone explosionsartig entfernt wird.
Obwohl hohe Drücke und- Temperaturen, beispielsweise 70,3 kg/cm' (285 C) in der artigen Kanonen verwendet werden, ist die Dampfbehandlung in der Kanona derart be grenzt, dass das erzeugte explodierte Material zum grössten Teil aus groben Fasern nicht plastischer Art besteht, wobei eine kleine Menge eine feine schleimige Natur aufweist. Diese kleine Materialmenge - unter dem Namen "fines" bekannt -- beeinflusst die Oberflächen der Endprodukte, die aus der rohen Faser hergestellt werden, beispielsweise Hartplatten und dergleichen, nachteilig.
Da bisher keine Verwendung für dieses feine Material bestand, das sich auf etwa 5 bis 8 des behandelten Materials beläuft und aus fein verteilten, zur Hauptsache nicht faseri gen Teilchen mit etwas faserigem Material besteht, so wurde es bisher ausgesiebt und aus dem groben Fasermaterial entfernt und fort geworfen.
Die Erfindung beruht nun einesteils auf der Entdeckung, dass dieses feinverteilte Ma terial eine derartige formbare oder plastische Natur aufweist, dass es, wenn es ein Plastifi- zierungsmittel enthält, beispielsweise eine geringe Wassermenge, bei den Temperaturen und Drücken, die gewöhnlich beim Formen verwendet werden, zu starken amorphen Pro dukten mit einem spezifischen Gewicht über 1,35, einer hohen Widerstandsfähigkeit gegen die Absorption von Wasser und andern nach stehend beschriebenen Eigenschaften geformt oder gepresst werden kann.
Demgemäss bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines dich ten, amorphen und wasserbeständigen Kör pers, gemäss welchem Verfahren zellulose- haltiges pflanzliches Material in zerkleiner tem Zustande mit Wärme und Feuchtigkeit so lange behandelt wird, bis es sich in einem überwiegend plastischen Zustande befindet und dass es hierauf unter Anwendung von Druck und erhöhter Temperatur verformt wird.
Die Behandlung mit Hitze und Feuehtig- keit kann in verschiedener Weise durchge führt werden, beispielsweise indem man das oben beschriebene Nebenprodukt., welches bei den bekannten Verfahren der Verarbei tung von zellulosehaltigem, pflanzlichem Ma terial durch Explosion unter hohem Dampf druck zu einem groben Faserzustand zwecks Herstellung von grobfaserigen Platten ent steht, benutzt.
Es hat sich gezeigt, dass unter geeigneten Bedingungen, die durch sehr ausgedehnte experimentelle Untersuchungen festgestellt worden sind, eine zur Hauptsache vollstän dige Umwandlung des gesamten zellulosehal- tigen, pflanzlichen Materials, wie Holzab fälle, in plastischen Zustand in der Kanone durch eine zweite Arbeitsweise erreicht wer den kann, nämlich indem man das Rohmate rial einer intensiveren Dampfeinwirkung un terwirft. Dies kann erzielt werden, indem man Dampf von höherem Druck oder höherer Temperatur verwendet, oder indem man das Rohmaterial einer längeren Dampfeinwir kung unterwirft, oder durch beide Verfahren.
Auf diesem Wege kann das gesamte oder praktisch das gesamte Material in der Kanone in formbaren oder plastischen Zustand umge- wandelt werden. Das so erzeugte Formmate rial kann in geformte Produkte umgewandelt werden, die ähnlich denen sind, die man aus den kleinen Mengen des erwähnten feinen Materials erzielt. Sie sind aber noch bestän diger gegen die Aufnahme von Wasser, zei gen eine grössere Oberflächenglätte und einen höheren Widerstand gegen Schwund. Die besonders zweckmässigen Bedingungen für eine derartige zur Hauptsache vollstän dige Umwandlung gewisser zellulosehaltiger Stoffe sind nachstehend beschrieben.
Es hat sich gezeigt, dass bei Spänen einer bestimmten Kiefernart (Pinus Palustris) die minimale Temperatur, die zur Umwandlung in einen plastisch formbaren Zustand erfor derlich ist, wenn nicht eine später beschrie bene Hitze- und Feuchtigkeitsbehandlung von sehr langer Dauer angewendet wird, bei etwa 210' C liegt. Diese kann als eine kritische Temperatur für dieses Material betrachtet werden. Für Cerealienstroh und dergl. kann die Temperatur etwas niedriger sein.
Es scheint kein einfaches Verhältnis zwischen dem verwendeten Druck und der erforder- liehen Hitze- und Feuchtigkeitsbehandlung vorzuliegen, aber die nachstehend beschriebe nen Beispiele geben dem Fachmann eine ge nügende Anweisung. Bei genügender Zeit und genügend hoher Temperatur in der Kanone erfolgt eine zur Hauptsache vollständige Um wandlung in den plastischen formbaren Zu stand und es kann daher praktisch das ge samte derart hergestellte Material für die Zwecke der Erfindung benutzt werden.
Verwendet man beispielsweise Fichten holzspäne mit, einem Gehalt von etwa 25 Wasser, so werden gute Ergebnisse erzielt durch eine fortgesetzte etwa 30 Minuten dauernde Dampfbehandlung in der Kanone bei 21 kg!cm2 (210' C). Hierauf wird der Auslass der Kanone geöffnet und das Material in den atmosphärischen Druck explosionsartig entladen. Das derart erhaltene Material kann dann zu Formstücken mit beträchtlichem plastischen Fluss geformt werden.
Die ent sprechende Zeit bei der Anwendung von Dampf von 42 kg/cm' (255 C) beträgt etwa 1 Minute, und bei Dampf von 70 kg/cm' (285 C) ist sie etwa 12 Sekunden. Gummi holzspäne beispielsweise erfordern etwas ge ringere Dampfbehandlung als Fichtenholz, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, wie zum Beispiel 45 Sekunden bei einem Druck von 42 kg/emz, während eine etwas kleinere Dampfbehandlung als für Gummiholz für Cerealienstroh und dergl. notwendig ist.
Die explosive Entladung des Materials ist nicht immer notwendig, aber wenn sie unter lassen wird, so muss das Material nach der Hitzebehandlung mit Feuchtigkeit in Form von Dampf oder Wasser auf den notwendigen Feinheitsgrad in einer geeigneten Mühle oder einer ähnlichen Vorrichtung gemahlen wer den. Sowohl Explosion wie Mahlen können verwendet werden. Eine derartige Hitzebe handlung kann beispielsweise in einem Auto klaven ausgeführt und dann durch Behandeln mit kaltem Wasser beendet werden.
Wenn das geformte Produkt nicht so widerstandsfähig gegen Wasseraufnahme zu sein braucht, so dass beispielsweise seine Was serabsorption innerhalb 24 Stunden nicht unter 2 % zu liegen kommt, so kann eine dritte Ausführungsform bei der Hitze- und Feuchtigkeitsbehandlung zur Erzielung des Formmaterials verwendet werden. Diese be steht in einer längeren Behandlung des zellu- losehaltigen Materials und bei beträchtlich niedrigeren Drücken und Temperaturen.
Eine derartige Behandlung kann auf verschiedene .Weise ausgeführt werden; sie besteht im all gemeinen darin, dass man Zeit, Temperatur, Druck und Wasserstoffionenkonzentration (pH) bei der Hitze- und Feuchtigkeitsbehand lung des Materials regelt. Der Zeitfaktorwech- selt unter derartigen Bedingungen stärker, als wenn höhere Temperaturen und Drücke be nutzt werden, aber er ist doch begrenzt.
Die Umwandlung, welche zur Herstellung eines formbaren Materials für die Herstellung von geformten Produkten mit einer Wasserab sorption von etwa 2,3 % in 24 Stunden aus reicht, wurde durch eine sechsstündige Be handlung von rohen Sägespänen von Southern eine mit Dampf oder Wasser bei einem Druck von 8,4 kg/emz und einer Temperatur von 176 C und mit einem pH-Wert von 4,
2 bei Beendigung des Kochens ausgeführt. Diese Acidität wurde bei der Kochoperation ohne jeden Säurezusatz erreicht. Das Produkt die ser Umwandlung wurde gewaschen und in Pulverform für das Pressen durch Mahlen in einer geeigneten Mühle übergeführt und durch ein Sieb von 60 Maschen/Quadratzoll (6,451 cm) gesiebt.
Das durch Hitze- und Feuchtigkeitsbe handlung erzielte Material enthält 5 bis 23 wasserlöslicher Stoffe, je nach dem verwen deten Umwandlungsverfahren. Um geformte Produkte zu erzielen, die den besten Wider stand gegen Wasserabsorption aufweisen, ist es zweckmässig, diese wasserlöslichen Teile vor dem Formen zu entfernen oder sie bis auf etwa 3 %, durch Auslaugen mit Wasser, Fil trieren und, falls notwendig, Pressen des ver bleibenden festen Materials zu vermindern. Weniger Waschen ist erforderlich,
wenn die bei der Hitzebehandlung verwendete Feuch tigkeit in Form von Wasser verwendet wird.
Das bei jeder der beschriebenen Umwand lungen des zellulosehaltigen pflanzlichen Materials zu formbarem Material erhaltene Produkt enthält zur Hauptsache das gesamte Lignin und die andern natürlichen Binde stoffe des behandelten Rohstoffes, wobei nur soviel in Reaktionsprodukte umgewandelt ist, als es durch die Hitzebehandlung verursacht wird. Das Formmaterial kann dann für Form zwecke benutzt werden, wobei nur eine Trock nung erforderlich ist.
Die Trocknung kann so unvollständig sein, dass 1 bis 11 % Feuch tigkeitsgehalt als Plastifizierungsmittel zu rückbleiben, oder das Material kann auch vollständig getrocknet und dann wieder bis zu einem solchen Gehalt mit Wasser, Alkohol oder anderem Plastifizierungsmittel _ ange feuchtet werden.
Das Lignin und die andern natürlichen als Faserinkrusten vorhandenen oder in dem zellulosehaltigen, pflanzlichen Material enthaltenen Bindestoffe und ihre Reaktionsprodukte in dem Zustand, wie sie durch die Hitzebehandlung erzielt werden, üben die erforderliche Bindewirkung wäh- rend des Formens aus, ebenso liefert das hitze- und feuchtigkeitsbehandelte zellulose- haltige pflanzliche Material sein eigenes Füll material ohne Zusatz von Holzmehl oder an dern Füllstoffen.
Stoffe, welche die charak teristischen Eigenschaften aufweisen, können zweckmässig unmittelbar aus dem hitzebehan delten Lignozellulosematerial allein herge stellt werden, ohne Zusatz anderer Bindemit tel oder Füllstoffe. Falls erforderlich, können aber auch Harze, Füllstoffe, Schmiermittel, Pigmente oder andere Stoffe, wie sie gewöhn lich beim Formen benutzt werden, zugesetzt werden.
Das Formen kann innerhalb weiter Tem peratur- und Druckgrenzen ausgeführt wer den, in der Regel benutzt man Temperaturen von etwa 120 bis 200 C und Drücke von etwa 70 bis 210 kg!cm'''. Die verwendeten Drücke hängen von zahlreichen Variablen ab, je nach dem verwendeten Material, dem Ge halt an Plastifizierungsmittel, der Zeit und der Temperatur der Hitze- und Feuchtigkeits behandlung, den zu formenden Körpern und der Art des verwendeten Formverfahrens, so wie auch von der Gegenwart von andern Stoffen,
wie Schmiermittel und dergl. Bei spielsweise kann bei einem Gehalt von 10 Plastifizierungsmittel ein so niedriger Druck wie 70 kgicm' benutzt werden, während bei. einem Gehalt von 4 % Plastifizierungsmittel ein Druck von 140 kg'cm= vorteilhafter ist, und bei Formmaterial, das bei niedrigerer Temperatur als 176 C hergestellt ist, sind noch höhere Drucke, z. B. 280 kglem2, vor teilhaft.
Wenn das hitzebehandelte 'Material, das bei Temperaturen über der kritischen Temperatur erzeugt: ist, praktisch vollständig getrocknet wird, so können befriedigende, vollkommen wasserbeständige Produkte dar aus geformt "erden. Es werden dann aber höhere Drücke als 350 kg'cm\ benötigt. Die ser Pressdruck kann etwas herabgesetzt wer den, wenn man kleine Zusätze von Schmier mitteln oder Harzen dem Dlaterial zusetzt.
Verwendet man Formdrucke von 140 kg.7cm2, so erden die besten Ergebnisse erzielt mit etwa 3 bis 7 ö Wasser als Plastifizierungs- mittel, wie sieh aus der nachstehend angege benen Tabelle ergibt, die die Wirkung wech selnden Wassergehaltes beim Formen der genannten Produkte erläutert, die aus Kie- ferholzspänen durch die erste oben besohrie- bene Umwandlung erzeugt sind. bei einer Druckdauer von 10 Minuten und einer Tem peratur von 176 C.
Wie sich aus der ersten Linie der Tabelle ergibt, kann ein befriedi gend geformtes Produkt nicht erzielt werden ohne ein Plastifizierungsmittel bei einem Formdruck von 140 kg,/ ein.
EMI0004.0038
% <SEP> Wasser <SEP> in <SEP> Spez. <SEP> Gew. <SEP> des <SEP> /o <SEP> der <SEP> absorbierten <SEP> $ruchmodulus <SEP> der <SEP> Formmasse <SEP> Produktes <SEP> Wassermenge <SEP> km/cmq
<tb> trocken <SEP> b <SEP> nass
<tb> annähernd <SEP> null <SEP> 1,16 <SEP> 43,0 <SEP> 154 <SEP> 42
<tb> 3,6 <SEP> 1,42 <SEP> 1,6 <SEP> 478 <SEP> 422
<tb> 3,8.
<SEP> 1,41 <SEP> 1., <SEP> 1 <SEP> 457 <SEP> 436
<tb> 4,0 <SEP> 1,44 <SEP> 0,8 <SEP> 510 <SEP> 506
<tb> 5,5 <SEP> 1,.44 <SEP> 1,0 <SEP> 422 <SEP> 401
<tb> 6,1 <SEP> 1,45 <SEP> 0,5 <SEP> 359 <SEP> 337
<tb> 6,6 <SEP> 1,42 <SEP> 0,7 <SEP> 337 <SEP> 281
<tb> 10 <SEP> 1,42 <SEP> 1,0 <SEP> 267 <SEP> 241 Bei den in der Tabelle angegebenen 'Werten waren die Probestücke 9,7 cm X 2,5 bis 3,8 ein X 15,2 cm gross, der Bruchmodulus wurde bestimmt, nachdem das Stück 24 Stun- den nach dem Formen bei Zimmertemperatur gestanden hatte. Der Bruchmodulus in feuch tem Zustand wurde an einem 24 Stunden luftgetrockneten Stück bei Zimmertempera- tur nach 24stündigem Eintauchen in Wasser festgestellt.
Die Wasserabsorption ist das nach 24stündigem Eintauchen absorbierte Wasser.
Die oben angegebenen Zahlen erläutern im allgemeinen die Stärke und das spezifische Gewicht geformter Produkte, die aus form barem oder plastischem Material nach dem zweiten Umwandlungsverf ahren hergestellt sind, aber für das letztere ist die Wasserab sorption im allgemeinen etwas niedriger als in der Tabelle angegeben und die geformten Produkte sind in andern bereits erwähnten Beziehungen überlegen.
Das gleiche bezieht sich im allgemeinen auf die geformten Pro dukte, die aus formbarem oder plastischem Material nach der dritten Ausführungsform hergestellt sind, aber in diesem Falle ist die Wasserabsorption höher als beispielsweise 2,3 % und es kann entweder ein höherer Pro zentsatz an Plastifizierungsmittel oder ein höherer Druck als 280 kg/cm' mit Vorteil benutzt werden.
Wenn beispielsweise Form pulver, das durch die sechsstündige Behand lung in der oben angegebenen Weise erhalten wurde, mit 4% Wasserplastifizierungsgehalt in einer geeigneten Form 10 Minuten lang bei 280 kg/cm@ und einer Temperatur von 185 C geformt wurde, so betrug der Bruch modulus in dem amorphen geformten Pro dukt 482 kg/cm@. Die Wasserabsorption in nerhalb 24 Stunden betrug 2,3 % und das spe zifische Gewicht 1,4.
Das geformte Produkt kann aus der Form ohne Abschrecken durch sorgfältiges Regeln der Temperatur entfernt werden. Es ist aber ein weiterer Spielraum in den Formbedingun gen möglich, wenn die Form vor dem Ent fernen des Produktes abgeschreckt wird. Die bestgeformten Produkte sind sehr hoch wider standsfähig gegen Wasser und nähern sich in der Dichte der Enddichte von Lignozellu- lose. Wenn kein Pigment zugesetzt wird, sind die geformten Produkte schwarz oder dunkel braun, und die besten Produkte nähern sich sehr eng schwarzem Bakelit.
Die besten Pro dukte werden aus geformtem Material herge stellt, das nach der zweiten beschriebenen Ausführungsform erzeugt ist. Es kann in Wasser eine Woche lang eingetaucht oder in Wasser eine Stunde gekocht werden, ohne dass es in irgend einem Falle mehr als etwa 1 bis 3 % Wasser aufnimmt oder wesentlich an Festigkeit verliert.
In der beschriebenen Weise hergestellte Formmasse kann zu Schichten verfilzt, bis zu einem niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt wie 5 % getrocknet und dann gepresst oder zwi schen erhitzten Platten zu der gewünschten Dicke und hoher Dichte geformt werden. Anderseits kann es in papierdünnen Schich ten verfilzt werden, die bis zu einem niedri geren Feuchtigkeitsgehalt als 5 % getrocknet werden. Es werden dann genügend viel dieser Lagen zusammengelegt zwecks Bildung eines Produktes der gewünschten Dicke und ge formt oder zwischen erhitzten Platten ge presst.
Auf diese Weise können amorphe Plat ten von sehr hoher Stärke erreicht werden mit einem Bruchmodulus von 1054 kg/cm2, wenn Formmaterial benutzt wird, das nach dem zweiten, Umwandlungsverfahren hergestellt ist.
Es ist vorteilhaft, bei der Herstellung der Formmasse die obersten und Endschich ten des Paketes aus einer Mischung aus etwa gleichen Mengen des beschriebenen formbaren Materials und einem synthetischen harzarti gen Material, wie Phenolformaldehyd, herzu stellen, oder die Endschichten können mit diesem oder mit anderem harzartigen Mate rial imprägniert, oder das das fremde harz artige Pigment enthaltende Material kann. gegebenenfalls auf die Oberfläche in sehr kleinen Mengen gebracht werden,
indem man es versprüht oder verstäubt oder sonstwie aufbringt. Auf diese Weise werden geformte Blätter mit verschiedenem Aussehen der Oberflächen .erzeugt. Das Produkt kann dann leicht aus der Presse entfernt werden. Wenn ein Stapel papierartige Schichten verwendet wird, verschwindet die blattartige Struktur vollständig während des Pressens oder der Formoperation. Das erhaltene endgültige amorphe Produkt ist dann vollständig amorph und weist die oben angegebenen charakteristi schen Eigenschaften auf.
Geformte Produkte, die nach der Erfin dung hergestellt sind, sind besonders gut ge eignet für Zwecke, bei denen es auf gutes Aussehen, Festigkeit, Härte, Dichte, Wasser- und Säurebeständigkeit ankommt Beispiels weise können ausser vielen andern Stoffen Wandbelagkacheln aus dem Produkt herge stellt werden.