Feld der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zellulosehaltigen Masse gemäss Anspruch 1, eine zellulosehaltige Masse gemäss Anspruch 15, ein Verfahren zum Herstellen eines Komposit-Materials gemäss Anspruch 16, ein Komposit-Material gemäss Anspruch 21 und ein Produkt gemäss Anspruch 22.
[0002] Das Verfahren lässt sich für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen einsetzen. Zum Beispiel für die Produktion neuer Baumaterialien, verschiedener Halbzeuge, Verzierungen, Gegenstände für den Innenausbau, verschiedener Deckschichten mit hoher Widerstandskraft und Festigkeit etc. aus Landwirtschaftsabfällen von Getreiden (zum Beispiel Mais, Roggen, Weizen, Hafer, Gerste, Hirse, Raps, Reis etc. und Kombinationen davon) oder pflanzlichen Fasern (Baumwolle, Flachs, Hanf, etc.). Der niedrige Preis der Ausgangsmaterialien macht die Produktion wirtschaftlich interessant.
Hintergrund der Erfindung
[0003] Derzeit sind mehrere Komposit-Materialien organischen Ursprungs bekannt, die sich zum Beispiel für Verpackungs-oder Bau-Anwendungen eignen.
[0004] Die US 2006 043 629A schlägt vor ein verstärktes Bio-Komposit herzustellen, durch das Verarbeiten von natürlichen Fasern (wie zum Beispiel Kraus, Reisstroh, Weizenstroh, Industrie Hanf, Fasern von Ananasblättern) mit einer Bio-Plastik-Matrix auf Sojabasis unter Verwendung eines Haftvermittlers, insbesondere eines funktionellen Monomer-modifizierten Polymers. Im Kontext industrieller Anwendungen, wie zum Beispiel der reaktiven Extrusion und dem Spritzgiessen, ist der Gebrauch von modifiziertem Sojamehl mit funktionellen Monomeren erklärt.
[0005] Die US 2008/181 969A adressiert die Entfärbung und die strukturelle, das heisst chemische oder mechanische, Degradation von Komposit-Materialien die Zellulosekomponenten umfassen, wie zum Beispiel Holzfasern, Stroh, Gräser und andere organische Materialien die mittels Haftvermittlern mit Polymerkomponenten quervernetzt sind. Die Haftvermittler, wie zum Beispiel gepfropfte Maleinsäureanhydrid Polymere oder Copolymere umfassen funktionelle Eigenschaften, die sie befähigen kovalente Bindungen innerhalb oder zwischen dem Polymer und den Zellulosekomponenten auszubilden.
Zu lösendes Problem
[0006] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von zellulosehaltigen Massen, solche zellulosehaltige Massen, Verfahren zum Herstellen von hochfesten Komposit-Materialien umfassend Originalstrukturen von organischen Materialien, vorzugsweise von höheren Pflanzen stammend, zur Verfügung zu stellen, wobei diese höheren Pflanzen ihre natürliche Erscheinungsform (zum Beispiel Halme) durch intrazelluläre und interzelluläre strukturelle Verbindungen zwischen verschiedenen Polymeren und/ oder ihren Resten von verschiedenen Substanzen, funktionellen Gruppen, Seitenketten und/oder Resten entwickelt haben.
Zusammenfassung der Erfindung
[0007] Die Erfindung betrifft die Herstellung von hochfesten Komposit-Materialien und verschiedenen Gegenständen hergestellt aus billigen organischen Rohmaterialien, vorzugsweise aus Teilen der Stängel von höheren Pflanzen, Zellwänden oder Membranen die ausreichende Quantitäten von Zellulose, das heisst einem hochmolekularen Polysaccarid oder Glucan bestehend aus [beta]-1,4-verknüpfter D-Glukose, oder Ghitin, einem Glycan bestehend aus [beta]-1,4-verknüpftem N-Acetyl-D-Glucosamin, aufweisen. In der vorliegenden Anmeldung sollen die Begriffe zellulosehaltige Masse, zellulosehaltiger Input und/oder zellulosehaltige Komposite auch chitinhaltige Massen, chitinhaltige Inputs und/oder chitinhaltige Komposite oder Gemische von Zellulose- und chitinhaltigen Massen, Inputs und/oder Kompositen umfassen.
[0008] Zellulose - das häufigste organische Material auf Erden - ist ein hochmolekulares Polysaccharid mit der Formel [C6H7O2(OH)3]naufgebaut aus [beta]-Glukose-Einheiten, wobei n im Bereich von hunderten bis einigen tausenden liegt. Die Erfindung erlaubt es Komposit-Materialien herzustellen ohne das exogene polymere Komponenten zum Verbinden der organischen Materialien, zum Beispiel der Pflanzenpartikel zueinander, benötigt werden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung zeigt der Begriff "exogen" an, dass die Polymerkomponenten nicht vom organischen Rohmaterial stammen, das verarbeitet wird. Es ist ein wesentliches Merkmal des neuen Verfahrens zum Herstellen von zellulosehaltigen Massen, dass das organische Material einer aktiven Zone eines künstlichen elektromagnetischen Felds ausgesetzt wird.
[0009] Das neue Verfahren zum Herstellen von zellulosehaltigen Massen, das eingesetzt werden kann für die Herstellung von Komposit-Material das geeignet ist für hochfeste Produkte, umfasst zumindest folgende Schritte:
a) das Herstellen eines Inputs umfassend organisches Material und einen Flüssigkeits-Bestandteil; und
b) das Aussetzen dieses Inputs einer aktiven Zone eines künstlichen elektromagnetischen Feldes.
[0010] Gemäss bevorzugter Ausführungsformen werden während der Herstellung natürliche Formen von Inputs zerstört, ebenso wie ihre organischen Verknüpfungen von intrazellulären und interzellulären Strukturen, bis eine flüssige und/oder pastöse Masse hergestellt ist. Diese Masse wird im Weiteren als Formmasse genutzt: Sie wird in eine neue geometrische Form gebracht und strukturelle Verbindungen werden wieder hergestellt während die Masse aushärtet. Die aus gehärtete Paste wird zum Endanwendungs-Gegenstand.
[0011] Nachfolgend wird der Begriff Input verwendet um die Ausgangssubstanz oder Mischungen von Substanzen zu bezeichnen, die dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt werden, während der Begriff zellulosehaltige Masse das Produkt, das gemäss dem vorgängig genannten Verfahren gemäss der Erfindung hergestellt ist, bezeichnet. Dieses Produkt wird als ein Zwischenprodukt (auch Output genannt) verstanden, da es im Weiteren für die Produktion einer breiten Vielfalt von Produkten genutzt wird.
[0012] Die zu Grunde liegende Idee des Verfahrens liegt in der Tatsache begründet, dass während der Herstellung natürliche Formen von Inputs zerstört werden, genauso wie ihre organischen Verknüpfungen von intrazellulären und interzellulären Strukturen, bis eine homogene flüssige und/oder pastöse Masse hergestellt ist. Diese Masse wird im Weiteren als Formmasse genutzt: Sie wird in eine neue geometrische Form gebracht und strukturelle Verbindungen werden wieder hergestellt während die Masse aushärtet. Die ausgehärtete Paste wird zum Endanwendungs-Gegenstand.
[0013] In der vorliegenden Patentanmeldung wird der Begriff organisches Material so verstanden, dass er jedes zellulosehaltige Material umfasst. Vorzugsweise umfasst das organische Input-Material Fasern vermischt mit Zellulosemolekülen, Vorteilhafterweise stammt das organische Material von höheren Pflanzen bevorzugt aus der Gruppe der echten Gräser aus der Familie Gramineae (Poaceae) wie zum Beispiel Getreide oder von Baumwolle, Hanf oder Flax oder Gemischen davon. Gute Ergebnisse wurden in Tests erhalten beim Gebrauch von wenigstens einem Getreidestroh oder Reisstroh oder Gemischen davon als organischem Material.
[0014] Vorzugsweise wird das organische Material in einem Vor-Bearbeitungs-Schritt zu kleinen Partikeln oder sogar zu Brei zerkleinert, bevor es dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Das organische Material des Inputs ist vorzugsweise vorbearbeitet/vorbehandelt in Abhängigkeit von der Art und dem Zustand des Materials. Solche Zustände sind Feuchtigkeit, Sauberkeit, Anwesenheit von unnützen natürlichen oder künstlichen Elementen, deren Mikrobenpopulation, dem Prozentsatz von [beta]-Zellulose im reinen Input-Material verantwortlich für die Ausbildung von Mizellenbündeln in Form von super feinen Fibrillen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen vorgängig den Gehalt an organischen Basen zwischen den Fibrillen und der Zellulose, die diese Fibrillen zu beständigem Fasern verklebt, zu bestimmen.
Grundsätzlich findet organische Materialien, die klebende oder gelierende Substanzen, wie zum Beispiel Pektin, enthalten, geeignet, aber organische Materialien die Substanzen enthalten wie zum Beispiel Suberine oder Gutin, die von Natur aus stärker hydrophob sind, sind ebenfalls geeignet. Alternativ können organische Materialien verwendet werden die Lignin enthalten. Grundsätzliche Merkmale und Eigenschaften der Produkte oder hergestellten Gegenstände können durch das Verändern der Verhältnisse von diesen und anderen sekundären Substanzen in der zellulosehaltigen Masse voreingestellt werden.
[0015] Vorbehandlungen des organischen Materials umfassen Mazerieren, unterstützt durch elektromechanische, hydrodynamische und Ultraschall-Einwirkung, ebenso wie Kochen, Dämpfen oder andere bekannte Verfahren zum Bearbeiten von rohem Pflanzenmaterial. Zellulosefasern weisen bekanntlich eine hohe Zugfestigkeit auf, die derer von Stahl nahe kommt. Sie weisen auch hohe Beständigkeit gegen eine Vielzahl von mechanischen und physikalischen Belastungen auf. Für den Fall dass das organische Material Stroh ist, zum Beispiel Reis- oder Weizen- oder Roggen- Stroh, kann eine Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 8 oder höher, besonders bevorzugt von etwa 8.4 oder höher zum Zwecke des Mazerierens verwendet werden gefolgt und/oder begleitet von elektromechanischer, hydrodynamischer und Ultraschall-Einwirkung, Kochen, Dämpfen oder einer Kombination davon.
[0016] Je nach gewünschten Eigenschaften der zellulosehaltige Masse (das heisst des Outputs) und/oder der Vorbehandlung, kann der endogene Flüssigkeitsgehalt, das heisst der Flüssigkeitsgehalt der vom rohem organischen Materials selbst stammt, ausreichend seien, so dass keine exogene oder zusätzliche Flüssigkeit zugegeben werden muss. Im einfachsten Fall ist der Flüssigkeitsbestandteil Wasser. Es können jedoch auch andere Flüssigkeiten, wie organische Lösungsmittel oder Gase oder andere Fluide geeignete Flüssigkeitsbestandteile sein. Dies hängt ab von den Anforderungen an die Hersteller und an andere Charakteristika der Gegenstände die später aus dem Komposit-Material geformt werden sollen. Es ist jedoch wichtig, dass mit eine ausreichende Funktion des Flüssigkeitsbestandteils mit dem organischen Material erzielt werden kann.
In Fällen in denen die Flüssigkeit nicht Wasser ist, ist es wesentlich gemäss bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung das einen Überschuss an Flüssigkeit - wenn nötig - auf geeignete Weise nach der Herstellung der zellulosehaltigen Masse extrahiert werden kann.
[0017] In Abhängigkeit vom beabsichtigten Gebrauch und dem beabsichtigten Herstellungsverfahren umfasst der Flüssigkeitsbestandteil vorzugsweise ein Lösungsmittel, zum Beispiel zum Erweichen des organischen Materials.
[0018] Prozesse der Wiederausbildung von strukturellen Verbindungen laufen während dem Aushärten der homogenen Masse in neuen Formen ab. Solche Prozesse umfassen tatsächlich die Integration von Resten der [beta]-Glucose n-Moleküle in molekulare Verbindungen mit der allgemeinen Formel [C6H7O2(OH)3]n. Die bekannte Anwesenheit von Glukosemolekülen mit 3 Hydroxylgruppen [(OH)3 Gruppen] in jedem Rest machen es deutlich, dass die Verbindung von jedem verbleibenden Paare von Glukosemolekülen untereinander durch seitliche Hydroxylgruppen unter Entfernen von Wassermolekülen geschieht. Die Regenerierung struktureller Verbindungen in der homogenen Masse läuft zwangsläufig ab wenn die Masse getrocknet wird und resultiert in deren Aushärtung.
[0019] Tests haben gezeigt dass die Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse, die im Folgenden auch Output genannt wird, verbessert werden wenn der Input, der einer aktiven Zone eines Elektromagnetfeldes ausgesetzt wird, einen Anteil von ferromagnetischen Partikeln umfasst.
[0020] Gemäss bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben die ferromagnetischen Partikel eine durchschnittliche Länge im Bereich von 0,3 bis zu 25 mm, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 3-5 mm und Durchmesser von etwa 0.1 bis etwa 5 mm, vorzugsweise von etwa 0.1 bis etwa 2.5 mm. Ein Verhältnis von 1:3 bis 1:5 zwischen Durchmesser und Länge der Partikeln hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Partikel sind gemäss bevorzugter Ausführungsformen zylindrisch. Basierend auf der Lehre der vorliegenden Erfindung erkennt der Fachmann, dass die Grösse der ferromagnetischen Partikel abhängig ist vom Inputmaterial und auf das Inputmaterial hin optimiert werden kann, wobei die Grössen dabei auch ausserhalb der oben genannten Bereiche liegen können.
[0021] Die Grösse und Form der ferromagnetischen Partikel kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse und ihrer Verarbeitbarkeit gewählt werden. Daher können auch andere Grössen der ferromagnetischen Partikel brauchbar sein um die vorliegende Erfindung auszuführen.
[0022] Tests haben gezeigt, dass qualitativ hochwertige zellulosehaltige Massen erhalten werden, wenn das Verhältnis zwischen den ferromagnetischen Partikeln und dem Input in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 20 Gewichtsprozent lag. Ein Flüssigkeitsbestandteil des Inputs im Bereich von 0 bis etwa 40 Prozent. In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können jedoch andere Verhältnisse gewählt werden, in Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse und ihrer Verarbeitbarkeit. Diese sind abhängig von der Art des Verfahrens (periodisch oder konstant) und vom Volumen des Behälters in dem das Verfahren ausgeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform mit Stroh als Inputmaterial war das Arbeitsvolumen eines Zwei-Zonen-Behälters 180 ml und die Menge an ferromagnetischen Partikeln war 14 g pro Zone.
Die Partikel hatten einen Durchmesser von durchschnittlich 250 [micro]m und eine Länge durchschnittlich von 1500 [micro]m. Das Verhältnis von Flüssigkeit zu Input war eins zu drei. Der Container war vom kontinuierlichen Typ. Die Zeit des Ausgesetztseins betrug bis zu 20 s.
[0023] Die ferromagnetischen Partikel unterstützen die Desintegration des organischen Materials auf supra- und subzellulärer Ebene, genauso wie das Aufbrechen von organischen Verbindungen von intrazellulären und/oder interzellulären Strukturen. Die gerührte Wirbelschicht der ferromagnetischen Partikel ist energetisch geladen und hat, im Vergleich zu bekannten Mitteln aus dem Stand der Technik, erhöhte Fähigkeiten einen breiten Bereich von organischen Materialien zu zerstören. Durch mechanisches Quetschen, Brechen und/oder Mahlen wird eine homogenere zellulosehaltige Masse hergestellt. Die Desintegration des organischen Materials stellt einen zentralen Punkt der Erfindung dar.
[0024] Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht im mechanischen Rühreffekt der ferromagnetischen Partikel. Diese ferromagnetischen Partikel tragen zu einem Mischeffekt des Flüssigkeits-Bestandteils, des Lösungsmittels (falls ein solches vorliegt), und des organischen Materials in einer Weise bei, dass die Qualität der zellulosehaltigen Masse weiter gesteigert wird.
[0025] Die zellulosehaltige Masse stellt das Ausgangsmaterial für ein breites Spektrum von Kompositprodukten mit einem breiten Spektrum von Gestalten, Formen und Designs dar. Solche Komposite können durch direkte formgebende Verfahren, wie Giessen, Spritzgiessen, Pressen oder Extrudieren oder durch das nachträgliche maschinelle Bearbeiten der vorgenannten hergestellt werden.
[0026] Die aktive Zone des elektromagnetischen Felds ist zwischen mindestens zwei linearen elektromagnetischen Induktoren angeordnet, welche durch einen Spalt voneinander beanstandet sind, der zwischen 1 mm und bis zu 5 m, vorzugsweise von etwa 50 mm bis etwa 1 m breit ist.
[0027] In Abhängigkeit von den Erfordernissen die von der zellulosehaltigen Masse und/oder von den daraus hergestellten Komposit-Gegenständen erfüllt werden müssen, wird die Menge von ferromagnetischen Partikeln aus nicht-remanenten Materialien, das heisst Materialien mit einer niedrigen Koerzitivfeldstärke zum Input gegeben bevor und/oder während der Input dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt ist.
[0028] Gemäss bevorzugter Ausführungsformen, in welchen die Produktion in einem chargenweisen Modus durchgeführt wird, dient ein nicht-ferromagnetischer Behälter als Aufnahme während dem der Input dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. In Abhängigkeit von den Bedürfnissen kann sich dieser Behälter über die ganze Breite des Sportes zwischen den beiden Induktoren erstrecken, so dass eine gerührte Wirbelschicht im gesamten Raum der aktiven Zone erzeugt wird. Andere Behältnisse oder ein Kanal für einen kontinuierlichen Produktionsmodus sind ebenfalls geeignet um die vorliegende Erfindung auszuführen.
[0029] Das Vorhandensein von der magnetischen Partikeln aus nicht-remanenten Materialien, das heisst Materialien mit einer niedrigen Koerzitivfeldstärke, im Input, der in der aktiven Zone bearbeitet wird, ist besonders vorteilhaft im grosstechnischen Betrieb, wo der Abstand zwischen den Induktoren bis zu 1 m oder sogar mehreren Metern betragen kann. Bei solchen grossen Distanzen zwischen den Induktoren wird die Menge an ferromagnetischen Partikeln vorzugsweise entsprechend erhöht.
[0030] Die linearen elektromagnetischen Induktoren generieren alternierende elektromagnetische Felder, die aus entgegengesetzten Richtungen aufeinander zu laufen. Die Induktoren regen an jedem Punkt in der aktiven Zone ein gemeinsames elektromagnetisches Wechselfeld mit einem kreisförmigen oder elliptischen Hodographen der Intensität der magnetischen Vekrotkomponenten an, das sich um eine gemeinsame Achse dreht, die zwischen den Induktoren angeordnet ist.
Die Grösse der magnetischen Vektorkomponente ist an jedem Punkt der Achse gleich Null, aber sie steigt in jede andere Richtung/an jedem anderen Punkt bis zu einem in den Induktoren vorgegebenen Amplitudenwert an, Tests haben gezeigt dass gute Resultate mit Amplitudenwerten von etwa 0.2 Tesla (Sl-Einheit; T) bis zu 0.25 T im Zentrum eines 50 Millimeter Spaltes zwischen den Induktoren mit 14 g ferromagnetischen Partikeln in einem 180 ml Behälter und einer aktiven Zone zwischen den Induktoren von 50 * 165 * 80 mm und einer Magnetkraft von etwa 0,03 T erzielt werden können. Der Input wurde dabei dem elektromagnetischen Feld für eine Dauer von etwa 20 s ausgesetzt.
[0031] Der destruktive Einfluss der ferromagnetischen Partikel auf das organische Material in der aktiven Zone wird im Folgenden genauer erklärt. Der Einfluss dieser ferromagnetischen Partikel auf die intrazellulären und die interzellulären Strukturen mittels ihrer magnetischen Komponenten A (A ist das Vektorpotenzial des magnetischen Felds), und B (B ist die Magnetische Induktion oder die Induktion des magnetischen Feldes; A und B sind verbunden über die Formel B=rotA) wird verstärkt durch die Reduktion der Reluktanz / des magnetischen Widerstands R innerhalb der aktiven Zone, was wiederum in einer erhöhten magnetischen Flussdichte in dieser aktiven Zone resultiert. Der Begriff rotA steht für die Rotation des Vektorpotenzials.
[0032] Die ferromagnetischen Partikel verstärken die Grösse Biunter Hi = konstant an jedem Punkt i so dass der wirksame Wert von gradA erhöht ist. GradA steht für Gradient A.
[0033] In Abhängigkeit vom Input und den gewünschten Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse, hat das elektromagnetische Feld, das von den mindestens zwei elektromagnetischen Induktoren erzeugt wird, eine Stärke von etwa 0.01 bis etwa 20 T, vorzugsweise von etwa 0.03 bis etwa 1.2 T.
[0034] Die Zeit in der der Input dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird hängt von der Magnetkraft ab, die angelegt wird und vom Material das bearbeitet wird. Gute Ergebnisse, das bedeutet zellulosehaltige Massen mit überragenden Eigenschaften, wurden erhalten wenn die Dauer des Aussetzens des zwischen 1 s und 3 h, vorzugsweise von etwa 5 s bis 5 min, besonders bevorzugt etwa 20 s betrug. Der Grad der Homogenität der zellulosehaltigen Masse kann mittels der elektrischen Parameter des Induktors eingestellt werden.
[0035] Nach Abschluss der elektromagnetischen Bearbeitung des Inputs ist die zellulosehaltige Masse fertig um für die Herstellung eines Komposit-Materials und für die Produktion der gewünschten Produkte aus der besagten zellulosehaltigen Masse verwendet zu werden. Daher umfasst die Technologie und Technik der Produktherstellung gemäss der vorliegenden Erfindung zumindest die folgenden grundlegenden Schritte:
<tb>1.<sep>einleitendes Vorbereiten von Input und Additiven/Hilfsstoffen, falls nötig einschliesslich zusätzlicher Techniken der Herstellung;
<tb>2.<sep>elektromagnetische Aussetzung;
<tb>3.<sep>Nachbearbeiten durch mindestens einen Prozess ausgewählt aus der Gruppe von Härten oder Spritzgiessen der zellulosehaltigen Masse bis ein Produkt (Endprodukt) hergestellt ist.
[0036] Der Begriff Produkt umfasst Endprodukte, wie zum Beispiel Paneele, ebenso wie halbfertige Produkte oder Halbzeuge, zum Beispiel ein Kernmaterial einer Laminat-Konstruktion wie zum Beispiel einer Sandwichkonstruktion. Im letzten Fall können bestimmte Eigenschaften des Produkts verbessert werden indem zum Beispiel wenigstens eine Deckschicht adhäsiv an das Halbzeug gebunden wird. Ein Vorteil solcher Sandwichkonstruktionen besteht darin, dass einem Produkt verschiedenste Eigenschaften wie zum Beispiel strukturelle Stärke, eine leichte Konstruktion, schwere Entflammbarkeit oder eine Kombination davon verliehen werden können. In Abhängigkeit von der Ausführungsform des Produkts können eine oder mehrere Lagen aus Metall-, Glas- oder Kohlefasern oder Geweben hergestellt sein.
[0037] Solche nicht-organischen Fasern können sogar dem Input oder später der zellulosehaltigen Masse gemäss der vorliegenden Erfindung zugegeben werden.
[0038] Alternativ und/oder zusätzlich kann das ausgehärtete Komposit-Material Gegenstand geeigneter Oberflächenbearbeitungen sein, wie es im Folgenden in dieser Beschreibung noch diskutiert wird.
[0039] Der Vorgang des Trocknens und/oder des Aushärtens steht für ein Entziehen von überflüssiger Flüssigkeit aus der zellulosehaltigen Masse. Prozesse der Wiederausbildung von strukturellen Verbindungen laufen ab während die zellulosehaltige Masse in Form gebracht wird, zum Beispiel durch Aushärten in Formen, Giessformen oder Spritzgiessen. Solche Prozesse umfassen tatsächlich die Integration von Resten der [beta]-Glucose n-Moleküle in molekulare Verbindungen mit der allgemeinen Formel [C6H7O2(OH)3]n. Die Anwesenheit von Glukosemolekülen mit Hydroxylgruppen [(OH) Gruppen] in jedem Rest ermöglichen, dass die Verbindung dieser Reste untereinander durch seitliche Hydroxylgruppen unter Entfernen von Wassermolekülen geschieht.
Die Regenerierung struktureller Verbindungen in der homogenen Masse läuft zwangsläufig ab wenn überschüssige Flüssigkeit aus der zellulosehaltigen Masse extrahiert wird, zum Beispiel durch Trocknen oder Dehydrieren im Fall von Wasser, was wiederum in einem Härteprozess resultiert.
[0040] Wenn Wasser als Flüssigkeits-Bestandteil benutzt wird, wird der Dehydrierungsvorgang (die Trocknung) bei einer vorgegebenen Temperatur mit einer geeigneten Technik, ausgewählt aus einer ganzen Reihe von bekannten Techniken, durchgeführt. Solche Techniken umfassen und/oder kombinieren Pressen, Extrudieren und Filtration genauso wie Absorption, Vakuumtrockenen, Heisslufttrocknen, Heizen, Bestrahlen, Tupfen, Verdampfen unter Gebläsen oder anderen Verfahren des Trocknens, wie zum Beispiel dem Lufttrocknen. Die Auswahl einer spezifischen Methode zum Trocknen hängt von den spezifischen Anforderungen, die an das Verfahren und/oder an die Produkte die geformt werden müssen, ab.
[0041] In Abhängigkeit von den Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse und/oder den Anforderungen an das Komposit-Material oder das Produkt das daraus hergestellt wird, umfasst die Nachbearbeitung der zellulosehaltigen Masse zumindest einen der folgenden Schritte: Formen, Formpressen, Spritzgiessen. Es können jedoch auch andere geeignete Verfahren zur Formgebung zur Herstellung der Produkte gewählt werden.
[0042] Im Falle der Nachbearbeitung durch Formpressen ist es vorstellbar dass der Mischbehälter oder einen Teil davon gleichzeitig eine Hälfte der Form bildet. Da der Fachmann die gängigen Herstellungsverfahren im Feld der Ciesserei kennt, kann hier auf eine detaillierte Beschreibung derselben verzichtet werden.
[0043] In Abhängigkeit von den Bedürfnissen und der Verarbeitbarkeit, werden die Giess- und Aus-härte-Schritte zusammen oder nacheinander ausgeführt.
[0044] Eine weitere Nachbearbeitung kann ausgeführt werden, zum Beispiel um die Widerstandsfähigkeit der aus dem Komposit-Material hergestellten Artikel gegen Feuchtigkeit oder Wasser zu erhöhen, oder um ihre Beständigkeit gegen chemisch aggressive Umgebungen zu verbessern, um die mikrobiologische Beständigkeit zu verbessern, um dem Komposit-Material und/oder den Produkten verlangte Eigenschaften in Hinblick auf einen bestimmten Typ von Widerstandsfähigkeit, einer bestimmten Farbe, einen bestimmten Geruch oder einer Kombination derselben zu verleihen. Zu diesem Zweck können spezifische Modifiziermittel und/oder Additive dem Input und/oder der zellulosehaltigen Masse vor dem Trocknen, respektive vor der Extraktion eines überflüssigen Flüssigkeitsgehalts, zugegeben werden.
[0045] In Abhängigkeit von den Voraussetzungen können diese spezifischen Zuschlagstoffe und/oder Additive genutzt werden um eine bestimmte Homogenität der zellulosehaltigen Masse und/oder des Komposit-Materials zu erreichen.
[0046] Besondere Aufmerksamkeit soll der Tatsache geschenkt werden, dass verschiedene Arten von Pflanzenzellen von anorganischen Mineralien eingeschlossen sind oder solche anorganischen Mineralien enthalten. Solche Materialien sind zum Beispiel Silikate oder organische Mineralien wie Oxalate. Die gezielte Auswahl von organischem Material das bestimmte Mengen von besagten Stoffen - wie zum Beispiel Mineralien - enthält, kann genutzt werden um den zellulosehaltigen Massen und Komposit-Materialien gemäss der vorliegenden Erfindung bestimmte Eigenschaften zu verleihen, die von den Endverbrauchern gewünscht werden.
So können zum Beispiel durch die Auswahl von Rohmaterialien den Massen und Materialien Eigenschaften verliehen werden oder deren Eigenschaften signifikant verbessert werden, wie zum Beispiel Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, Schalldichtigkeit, Widerstand gegen feuchtigkeitsbedingte Verformung, chemische und mikrobiologische Beständigkeit usw.. Zusätzlich können noch exogene Modifiziermittel zugegeben werden, falls die zellulosehaltige Masse die Anforderungen an das Komposit-Material nicht erfüllt.
[0047] Die Herstellung von Materialien mit vorgegebenen Eigenschaften (Widerstandsfähigkeit, Hydrophobie, Beständigkeit gegen chemisch aggressive Milieus, Beständigkeit gegen Mikroben, zusätzliche und/oder spezielle Typen von Widerstandsfähigkeit, Farbe, Geruch etc.) einschliesslich derer, die durch die Prioritäten der Verbraucher vorgegeben sind, wird ermöglicht durch die Zugabe spezifischer Modifiziermittel in die homogene Masse vor dem Trocknen und/oder durch den Einsatz spezieller Zugabetechniken während dem Vorbereiten der homogenen Masse für das Aushärten.
[0048] Nun sollen ein paar Möglichkeiten zur Oberflächenbehandlung kurz angesprochen werden. In Abhängigkeit von den Anforderungen an die Produkte die aus dem Komposit-Material hergestellt werden, lassen sich bestimmte Charakteristika erzielen, zum Beispiel durch das Aufbringen einer oder mehrerer Beschichtungen mit einer Imprägnierung zum Beispiel durch Tauchen. Zudem lässt sich eine Beschichtung in einer bestimmten Farbe aufbringen.
[0049] Alle vorgängig gemachten Aussagen in der Beschreibung gelten analog für die zellulosehaltige Masse, das Verfahren zum Herstellen des Komposit-Materials, das Komposit-Material selbst genauso wie für die daraus hergestellten Produkte.
Beispiel
[0050] Als organisches Rohmaterial werden die Stängel eines Getreides ausgewählt. Vorzugsweise fehlt die Ähre. Das Stroh wird vorzugsweise nach der Ernte genommen. Im vorliegenden Beispiel wird Weizenstroh genutzt.
[0051] Das Stroh wurde vorbehandelt durch Häckseln bis die Strohstücke eine durchschnittliche Grösse von etwa 5-7 mm hatten. Danach wurde es mit Wasser vermischt und mazeriert, bis die organischen Partikel im Input eine Grösse von etwa 0.8-1 mm hatten. In diesem Beispiel wurde der pH-Wert der wässrigen Mischung auf einen Wert von mehr als 8.4 gebracht und es wurde für 1.5-2 h mazeriert. In weiteren Versuchen wurde die Mazerationszeit auf 1.5-2 min reduziert. Ein Teil Wasser wurde zu drei Teilen Stroh gegeben (Gewicht/Gewicht).
[0052] Nach dem Mazerieren wurde der, die Strohmasse umfassend Input in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt, der als Mischbehälter dient und in die aktive Zone zwischen zwei Induktoren gebracht wird.
[0053] Eine Menge von 14 g ferromagnetischen Partikeln mit einer zylindrischen Form mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 250 [micro]m, einer durchschnittlichen Länge von 1500 [micro]m wurde in dem Stroh und Wassergemisch im Behälter zugegeben, bevor die zellulosehaltige Masse dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wurde, um Grösse Bi, unter Hi= konstant an jedem Punkt i zu verstärken, so dass der aktive Wert von gradA erhöht ist.
[0054] Ein elektromagnetisches Wechselfeld wurde erzeugt, so dass es die aktive Zone von 80 cm<3> zwischen den Induktoren (80 mm Spaltbreite) im Mischbehälter durchdrang. Das Magnetfeld stellte sicher, dass der Vektor der magnetischen Komponente einen kreisförmigen und/oder einen elliptischen Hodographen an jedem Punkt i innerhalb der Zone - ausser auf den Punkten der zwischen den beiden Induktoren definierten Achse - erzeugte, so dass Bi = [micro]*Hi wobei divBi= O, und daher rotAi=Bi. Die Grösse/Intensität der magnetischen Komponente war an jedem Punkt auf der zentralen Achse gleich Null und die Bedingung Hj=0, Bj=0 und rotAj=0 war erfüllt. Ein wirksames Vektorpotentials A des magnetischen Felds mit Amplitudenwerten von Ai bis Ai wurde innerhalb des elektromagnetischen Wechselfelds generiert, so dass gradA im Zwischenraum zwischen den Induktoren wirksam war.
[0055] Eine gemessene Magnetkraft von etwa 0.3T wurde angelegt. Der Input wurde dem alternierenden magnetischen Feld für 20 s ausgesetzt. Die elektrische Quelle hatte 50 Hz.
[0056] Nach Anlegen des magnetischen Feldes wühlten die ferromagnetischen Partikel den Input im Behälter stark auf. Bei diesem Vorgang übernahm jeder ferromagnetische Partikel die Rolle eines Mikro-Mixers und Mikro-Mahlwerks durch seine Interaktion mit verschiedenen Hodographen/Bewegungsbahnen des Feldvektors Hi an verschiedenen Punkten i innerhalb des Behälters.
[0057] Nach Beendigung der Behandlung des Inputs im elektromagnetischen Feld blieben Partikel mit einer durchschnittlichen Partikel grosse in der zellulosehaltigen Masse zurück die nicht unter 1 [micro]m lag. Die Magnetbehandlung stellte jedoch sicher dass eine ausreichende Desintegration des Inputmaterials gegeben war, so dass eine ausreichende Anzahl von Zellen und intra- und inter-zellulären Strukturen zerstört war.
[0058] Danach wurde das zellulosehaltige Material aus dem Mischbehälter in eine Gussform in Form eines Büchner-Trichters überführt. Saugfiltration wurde genutzt um die Filtrationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Anschliessend liess man die zellulosehaltige Masse trocknen, so dass ein trockenes und festes Stück Komposit-Material zurückblieb. In diesem Beispiel umfasst der Trocknungsprozess ein kombiniertes Verfahren aus Filtraton und Luft trocknen solange bis das Gewicht des Komposit-Materials bei einer Temperatur von 30 [deg.]C konstant blieb. Der Trocknungsvorgang wurde kontrolliert mittels einer gravimetrischen Methode. Anschliessend durchliefen die Testprodukte strukturelle und Belastungs-Tests
Field of the invention
The present invention relates to a method for producing a cellulosic composition according to claim 1, a cellulosic composition according to claim 15, a method for producing a composite material according to claim 16, a composite material according to claim 21 and a product according to claim 22 ,
The method can be used for a variety of practical applications. For example, for the production of new building materials, various semi-finished products, embellishments, items for interior work, various cover layers with high resistance and strength, etc. from agricultural waste of cereals (for example corn, rye, wheat, oats, barley, millet, rapeseed, rice, etc and combinations thereof) or vegetable fibers (cotton, flax, hemp, etc.). The low price of the raw materials makes the production economically interesting.
Background of the invention
At present, several composite materials of organic origin are known, which are suitable for example for packaging or construction applications.
US 2006 043 629A proposes to prepare a reinforced bio-composite by processing natural fibers (such as kraus, rice straw, wheat straw, industrial hemp, fibers of pineapple leaves) with a soybean-based bio-plastic matrix Use of an adhesion promoter, in particular a functional monomer-modified polymer. In the context of industrial applications, such as reactive extrusion and injection molding, the use of modified soy flour with functional monomers is explained.
US 2008/181 969A addresses the decolorization and structural, that is chemical or mechanical, degradation of composite materials comprising cellulose components, such as wood fibers, straw, grasses and other organic materials which are crosslinked by means of adhesion promoters with polymer components , The coupling agents, such as grafted maleic anhydride polymers or copolymers, include functional properties that enable them to form covalent bonds within or between the polymer and the cellulosic components.
Problem to be solved
It is an object of the present invention to provide an improved process for the preparation of cellulosic compositions, such cellulosic compositions, process for producing high-strength composite materials comprising original structures of organic materials, preferably derived from higher plants, wherein these Higher plants have developed their natural appearance (for example culms) by intracellular and intercellular structural connections between different polymers and / or their residues of different substances, functional groups, side chains and / or residues.
Summary of the invention
The invention relates to the production of high-strength composite materials and various articles made of cheap organic raw materials, preferably from parts of the stems of higher plants, cell walls or membranes, the sufficient quantities of cellulose, ie a high molecular weight polysaccharide or glucan consisting of beta] -1,4-linked D-glucose, or ghitin, a glycan consisting of [beta] -1,4-linked N-acetyl-D-glucosamine. In the present application, the terms cellulose-containing composition, cellulose-containing input and / or cellulosic composites are also intended to include chitin-containing compositions, chitin-containing inputs and / or chitin-containing composites or mixtures of cellulosic and chitin-containing compositions, inputs and / or composites.
Cellulose - the most common organic material on earth - is a high molecular weight polysaccharide of the formula [C6H7O2 (OH) 3] n, built up from [beta] glucose units, where n is in the range of hundreds to several thousands. The invention makes it possible to produce composite materials without the need for exogenous polymeric components for joining the organic materials, for example the plant particles to each other. In the context of the present application, the term "exogenous" indicates that the polymer components are not derived from the organic raw material being processed. It is an essential feature of the new method for producing cellulosic compositions that the organic material is exposed to an active zone of an artificial electromagnetic field.
The novel process for producing cellulosic compositions which can be used for the production of composite material which is suitable for high-strength products comprises at least the following steps:
a) preparing an input comprising organic material and a liquid component; and
b) the suspension of this input of an active zone of an artificial electromagnetic field.
According to preferred embodiments, natural forms of inputs are destroyed during manufacture, as well as their organic linkages of intracellular and intercellular structures until a liquid and / or pasty mass is produced. This mass is then used as a molding compound: It is brought into a new geometric shape and structural connections are restored while the mass hardens. The hardened paste becomes the end-use article.
Hereinafter, the term input is used to designate the starting substance or mixtures of substances which are exposed to the electromagnetic field, while the term cellulosic material denotes the product prepared according to the aforementioned method according to the invention. This product is understood as an intermediate product (also called output) because it is subsequently used for the production of a wide variety of products.
The underlying idea of the method lies in the fact that during production natural forms of inputs are destroyed, as well as their organic linkages of intracellular and intercellular structures, until a homogeneous liquid and / or pasty mass is produced. This mass is then used as a molding compound: It is brought into a new geometric shape and structural connections are restored while the mass hardens. The hardened paste becomes the end-use article.
In the present application, the term organic material is understood to include any cellulosic material. Preferably, the organic input material comprises fibers mixed with cellulose molecules. Advantageously, the organic material from higher plants preferably originates from the group of true grasses from the family Gramineae (Poaceae) such as cereals or from cotton, hemp or flax or mixtures thereof. Good results have been obtained in tests using at least one cereal straw or rice straw or mixtures thereof as organic material.
Preferably, the organic material is comminuted to small particles or even pulp in a pre-processing step before being exposed to the electromagnetic field. The organic material of the input is preferably preprocessed / pretreated depending on the nature and condition of the material. Such conditions are moisture, cleanliness, presence of useless natural or artificial elements, their microbial population, the percentage of [beta] -cellulose in the pure input material responsible for the formation of micelle bundles in the form of super-fine fibrils. It has proven advantageous to previously determine the content of organic bases between the fibrils and the cellulose which bonds these fibrils to stable fibers.
In general, organic materials containing adhesive or gelling substances such as pectin are suitable, but organic materials containing substances such as Suberine or Gutin, which are inherently more hydrophobic, are also suitable. Alternatively, organic materials containing lignin may be used. Basic features and properties of the products or manufactured articles can be preset by changing the ratios of these and other secondary substances in the cellulosic mass.
Pre-treatments of the organic material include maceration, assisted by electromechanical, hydrodynamic and ultrasonic action, as well as cooking, steaming or other known methods for processing raw plant material. Cellulose fibers are known to have high tensile strength close to that of steel. They also have high resistance to a variety of mechanical and physical loads. In the event that the organic material is straw, for example rice or wheat or rye straw, a liquid having a pH of 8 or higher, more preferably of about 8.4 or higher may be used for the purpose of maceration, and / or accompanied by electromechanical, hydrodynamic and ultrasonic action, cooking, steaming or a combination thereof.
Depending on the desired properties of the cellulosic mass (that is, the output) and / or the pretreatment, the endogenous liquid content, that is, the liquid content derived from the crude organic material itself, are sufficient so that no exogenous or additional liquid added must become. In the simplest case, the liquid component is water. However, other liquids such as organic solvents or gases or other fluids may be suitable liquid components. This depends on the requirements of the manufacturer and other characteristics of the objects to be formed later from the composite material. However, it is important that sufficient function of the liquid component with the organic material can be achieved.
In cases where the liquid is not water, it is essential according to preferred embodiments of the invention that an excess of liquid, if necessary, can be suitably extracted after the preparation of the cellulosic mass.
Depending on the intended use and the intended method of preparation, the liquid component preferably comprises a solvent, for example for softening the organic material.
Processes of re-formation of structural compounds occur during curing of the homogeneous mass in new forms. Such processes actually involve the integration of residues of [beta] -glucose n molecules into molecular compounds having the general formula [C6H7O2 (OH) 3] n. The known presence of glucose molecules having 3 hydroxyl groups [(OH) 3 groups] in each residue makes it clear that the connection of each remaining pair of glucose molecules to each other is through lateral hydroxyl groups to remove water molecules. The regeneration of structural compounds in the homogeneous mass inevitably expires when the mass is dried and results in their hardening.
Tests have shown that the properties of the cellulosic mass, which is also called output in the following, be improved when the input, which is exposed to an active zone of an electromagnetic field comprises a proportion of ferromagnetic particles.
According to preferred embodiments of the present invention, the ferromagnetic particles have an average length in the range of 0.3 to 25 mm, preferably in a range of about 3-5 mm and diameter of about 0.1 to about 5 mm, preferably of about 0.1 to about 2.5 mm. A ratio of 1: 3 to 1: 5 between diameter and length of the particles has proved to be particularly advantageous. The particles are cylindrical according to preferred embodiments. Based on the teaching of the present invention, the person skilled in the art recognizes that the size of the ferromagnetic particles can be optimized on the input material and on the input material, whereby the quantities can also be outside the above-mentioned ranges.
The size and shape of the ferromagnetic particles can be selected depending on the properties of the cellulosic material and its processability. Therefore, other sizes of ferromagnetic particles may be useful to practice the present invention.
Tests have shown that high quality cellulosic compositions are obtained when the ratio between the ferromagnetic particles and the input ranges from about 1 to about 20 weight percent. A fluid component of the input in the range of 0 to about 40 percent. However, in other embodiments of the process, other ratios may be chosen, depending on the specific properties of the cellulosic mass and its processability. These depend on the type of process (periodic or constant) and the volume of the container in which the process is carried out. In a preferred embodiment with straw as input material, the working volume of a two-zone container was 180 ml and the amount of ferromagnetic particles was 14 g per zone.
The particles had an average diameter of 250 [micro] m and an average length of 1500 [micro] m. The ratio of fluid to input was one to three. The container was of the continuous type. The time of exposure was up to 20 s.
The ferromagnetic particles promote disintegration of the organic material at the supra-subcellular level, as well as the disruption of organic compounds from intracellular and / or intercellular structures. The agitated fluidized bed of the ferromagnetic particles is energetically charged and, as compared to known prior art agents, has increased abilities to destroy a wide range of organic materials. By mechanical squeezing, breaking and / or grinding, a more homogeneous cellulosic mass is produced. The disintegration of the organic material constitutes a central point of the invention.
Another advantage of the method according to the invention consists in the mechanical stirring effect of the ferromagnetic particles. These ferromagnetic particles contribute to a mixing effect of the liquid component, the solvent (if any), and the organic material in a manner that further enhances the quality of the cellulosic mass.
The cellulosic mass is the starting material for a wide range of composite products having a wide variety of shapes, shapes and designs. Such composites may be formed by direct molding techniques such as casting, injection molding, compression or extrusion or by post-machining the composite the above.
The active zone of the electromagnetic field is arranged between at least two linear electromagnetic inductors, which are spaced apart by a gap which is between 1 mm and up to 5 m, preferably from about 50 mm to about 1 m wide.
Depending on the requirements to be met by the cellulosic mass and / or composite articles made therefrom, the amount of ferromagnetic particles of non-remanent materials, that is, low coercive force materials, is given for input before and / or while the input is exposed to the electromagnetic field.
According to preferred embodiments, in which the production is carried out in a batch mode, a non-ferromagnetic container serves as a receptacle during which the input is exposed to the electromagnetic field. Depending on the needs, this container may extend across the full width of the sport between the two inductors, creating a stirred fluidized bed throughout the space of the active zone. Other containers or a continuous production mode channel are also suitable for carrying out the present invention.
The presence of the magnetic particles of non-retentive materials, that is materials with a low coercivity, in the input that is processed in the active zone, is particularly advantageous in large-scale operation, where the distance between the inductors up to 1 m or even several meters. With such large distances between the inductors, the amount of ferromagnetic particles is preferably increased accordingly.
The linear electromagnetic inductors generate alternating electromagnetic fields which converge towards each other from opposite directions. The inductors at each point in the active zone excite a common alternating electromagnetic field with a circular or elliptical hodograph of the intensity of the magnetic components of the vekrot rotating about a common axis disposed between the inductors.
The magnitude of the magnetic vector component is zero at each point of the axis, but it increases in every other direction / point up to an amplitude value given in the inductors. Tests have shown that good results with amplitude values of about 0.2 Tesla (S. T) up to 0.25 T in the center of a 50 millimeter gap between the inductors with 14 g of ferromagnetic particles in a 180 ml container and an active zone between the inductors of 50 * 165 * 80 mm and a magnetic force of about 0.03 T can be achieved. The input was exposed to the electromagnetic field for a period of about 20 s.
The destructive influence of the ferromagnetic particles on the organic material in the active zone will be explained in more detail below. The influence of these ferromagnetic particles on the intracellular and intercellular structures by means of their magnetic components A (A is the vector potential of the magnetic field), and B (B is the magnetic induction or the induction of the magnetic field; A and B are connected by the formula B = red A) is enhanced by the reduction of the reluctance / of the magnetic resistance R within the active zone, which in turn results in an increased magnetic flux density in this active zone. The term rotA stands for the rotation of the vector potential.
The ferromagnetic particles increase the magnitude Biunter Hi = constant at each point i so that the effective value of gradA is increased. GradA stands for gradient A.
Depending on the input and desired properties of the cellulosic mass, the electromagnetic field generated by the at least two electromagnetic inductors has a thickness of from about 0.01 to about 20 T, preferably from about 0.03 to about 1.2 T.
The time in which the input is exposed to the electromagnetic field depends on the magnetic force applied and the material being processed. Good results, that is cellulosic compositions with superior properties, were obtained when the duration of exposure was between 1 s and 3 h, preferably from about 5 s to 5 min, more preferably about 20 s. The degree of homogeneity of the cellulosic mass can be adjusted by means of the electrical parameters of the inductor.
Upon completion of the electromagnetic processing of the input, the cellulosic mass is ready to be used for the production of a composite material and for the production of the desired products from said cellulosic mass. Therefore, the technology and technique of product production according to the present invention comprises at least the following basic steps:
<Tb> first <sep> preliminary preparation of input and additives / auxiliaries, if necessary including additional manufacturing techniques;
<Tb> second <sep> electromagnetic exposure;
<Tb> third <sep> Post-processing by at least one process selected from the group of curing or injection molding of the cellulosic mass until a product (final product) is produced.
The term product includes end products, such as panels, as well as semi-finished products or semi-finished products, for example, a core material of a laminate construction, such as a sandwich construction. In the latter case, certain properties of the product can be improved by, for example, adhesively bonding at least one cover layer to the semifinished product. An advantage of such sandwich constructions is that a variety of properties, such as structural strength, lightweight construction, flame retardancy, or a combination thereof, can be imparted to a product. Depending on the embodiment of the product, one or more layers may be made of metal, glass or carbon fibers or fabrics.
Such non-organic fibers may even be added to the input or later to the cellulosic composition according to the present invention.
Alternatively and / or additionally, the cured composite material may be the subject of suitable surface treatments, as will be discussed below in this description.
The process of drying and / or curing means withdrawing excess liquid from the cellulosic mass. Processes of re-formation of structural compounds occur while the cellulosic mass is being shaped, for example by curing in molds, molds or injection molding. Such processes actually involve the integration of residues of [beta] -glucose n molecules into molecular compounds having the general formula [C6H7O2 (OH) 3] n. The presence of glucose molecules with hydroxyl groups [(OH) groups] in each residue allows the combination of these residues to occur through lateral hydroxyl groups to remove water molecules.
The regeneration of structural compounds in the homogeneous mass inevitably occurs when excess liquid is extracted from the cellulosic mass, for example by drying or dehydration in the case of water, which in turn results in a hardening process.
When water is used as the liquid component, the dehydration process (drying) is carried out at a given temperature by a suitable technique selected from a variety of known techniques. Such techniques include and / or combine pressing, extruding and filtration as well as absorption, vacuum drying, hot air drying, heating, blasting, blotting, evaporation under blowers or other methods of drying such as air drying. The selection of a specific drying method depends on the specific requirements that must be imposed on the process and / or on the products to be formed.
Depending on the properties of the cellulosic mass and / or the requirements of the composite material or the product which is produced therefrom, the post-processing of the cellulosic mass comprises at least one of the following steps: molding, compression molding, injection molding. However, other suitable methods of shaping to produce the products may be used.
In the case of post-processing by compression molding, it is conceivable that the mixing container or a part thereof simultaneously forms one half of the mold. As the person skilled in the art knows the common production methods in the field of foundry, a detailed description of the same can be dispensed with here.
Depending on the needs and processability, the casting and curing steps are carried out together or sequentially.
Further post-processing can be carried out, for example, to increase the resistance of the articles made of the composite material to moisture or water, or to improve their resistance to chemically aggressive environments, to improve the microbiological resistance, to the Composite material and / or the properties required of the products with regard to a certain type of resistance, a particular color, a certain smell or a combination thereof. For this purpose, specific modifiers and / or additives may be added to the input and / or the cellulosic mass prior to drying, respectively, prior to extraction of excess liquid content.
Depending on the requirements, these specific additives and / or additives can be used to achieve a certain homogeneity of the cellulosic material and / or the composite material.
Particular attention should be paid to the fact that various types of plant cells are enclosed by inorganic minerals or contain such inorganic minerals. Such materials are, for example, silicates or organic minerals such as oxalates. The selective selection of organic material containing certain amounts of said materials, such as minerals, can be used to impart certain properties desired by the end users to the cellulosic compositions and composite materials of the present invention.
For example, by selecting raw materials, properties and properties such as conductivity, thermal conductivity, soundproofing, resistance to moisture-induced deformation, chemical and microbiological resistance, etc., can be imparted to the materials and materials significantly. In addition, exogenous modifiers may still be added be added if the cellulosic mass does not meet the requirements for the composite material.
The preparation of materials with predetermined properties (resistance, hydrophobicity, resistance to chemically aggressive environments, resistance to microbes, additional and / or special types of resistance, color, odor, etc.) including those given by the priorities of consumers is made possible by the addition of specific modifiers in the homogeneous mass before drying and / or by the use of special addition techniques during the preparation of the homogeneous mass for curing.
Now, a few options for surface treatment will be briefly addressed. Depending on the requirements of the products made of the composite material, certain characteristics can be achieved, for example by applying one or more coatings with an impregnation, for example by dipping. In addition, a coating in a particular color can be applied.
All previously made statements in the description apply analogously to the cellulosic material, the method for producing the composite material, the composite material itself as well as for the products made therefrom.
example
As organic raw material, the stalks of a cereal are selected. Preferably, the ear is missing. The straw is preferably taken after the harvest. In the present example, wheat straw is used.
The straw was pretreated by chopping until the straw pieces had an average size of about 5-7 mm. Thereafter, it was mixed with water and macerated until the organic particles in the input had a size of about 0.8-1 mm. In this example, the pH of the aqueous mixture was brought to a value greater than 8.4 and macerated for 1.5-2 h. In further experiments, the maceration time was reduced to 1.5-2 min. One part of water was added to three parts of straw (weight / weight).
After maceration, the straw mass containing input was filled into a stainless steel container which serves as a mixing container and is brought into the active zone between two inductors.
An amount of 14 g of ferromagnetic particles having a cylindrical shape with an average diameter of 250 [micro] m, an average length of 1500 [micro] m was added in the straw and water mixture in the vessel before the cellulosic mass became the electromagnetic Field to increase magnitude Bi, under Hi = constant at each point i, so that the active value of gradA is increased.
An electromagnetic alternating field was generated so that it is the active zone of 80 cm <3> penetrated between the inductors (80 mm gap width) in the mixing tank. The magnetic field ensured that the vector of the magnetic component generated a circular and / or an elliptical hodograph at every point i within the zone except at the points of the axis defined between the two inductors, such that Bi = [micro] * Hi where divBi = O, and therefore rotAi = Bi. The magnitude / intensity of the magnetic component was zero at each point on the central axis and the condition Hj = 0, Bj = 0, and rotAj = 0 was satisfied. An effective vector potential A of the magnetic field having amplitude values from Ai to Ai was generated within the electromagnetic alternating field, so that gradA was effective in the gap between the inductors.
A measured magnetic force of about 0.3T was applied. The input was exposed to the alternating magnetic field for 20 seconds. The electrical source was 50 Hz.
After application of the magnetic field, the ferromagnetic particles rummaged the input in the container greatly. In this process, each ferromagnetic particle took on the role of a micro-mixer and micro-grinder through its interaction with various hodographs / trajectories of the field vector Hi at various points i within the container.
After completion of the treatment of the input in the electromagnetic field particles with an average particle size remained in the cellulosic mass back not less than 1 [micro] m was. Magnetic treatment, however, ensured that there was sufficient disintegration of the input material so that a sufficient number of cells and intra- and intercellular structures were destroyed.
Thereafter, the cellulosic material from the mixing vessel was transferred to a mold in the form of a Büchner funnel. Suction filtration was used to increase the filtration rate. Subsequently, the cellulosic mass was allowed to dry, leaving a dry and solid piece of composite material. In this example, the drying process involves a combined process of filtration and air drying until the weight of the composite material remains constant at a temperature of 30 ° C. The drying process was controlled by a gravimetric method. Subsequently, the test products underwent structural and stress tests