DE60122561T2

DE60122561T2 - Faserzementverbundmaterial mit Biozid behandelten, dauerhaften Zellulosefasern

Info

Publication number: DE60122561T2
Application number: DE2001622561
Authority: DE
Inventors: J. Donald Alta Loma MERKLEY; Caidian Alta Loma LUO
Original assignee: James Hardie International Finance BV
Current assignee: James Hardie Technology Ltd
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: WO2002032830A2; AU1181602A; CA2424744C; MXPA03003120A; PL201082B1; TWI248922B; CN1575264A; DE60122561D1; WO2002032830A9; US6777103B2; MY130473A; PL361025A1; JP5226925B2; US20020069791A1; NZ525392A; JP2004511421A; WO2002032830A3; BR0114710A; CZ20031212A3; KR100817968B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft mit Zellulosefaser verstärkte Zementverbundstoffmaterialien, bei denen mit Biozid behandelte Zellulosefasern verwendet werden, einschließlich Faserbehandlungsverfahren, Formulierungen und Verfahren zu deren Herstellung.
Beschreibung der verwandten Technik
Gewöhnlicher Portland-Zement ist die Grundlage für viele Produkte, die zum Bauen und Errichten verwendet werden, und zwar insbesondere für Beton und für mit Stahl verstärkten Beton. Zement hat den enormen Vorteil, daß er ein hydraulisch aushärtbares Bindemittel ist, und daß er nach dem Aushärten im Vergleich zu Gips, Holz, Holzspanplatten, Faserplatten und anderen üblichen Materialien, die in Bauwaren verwendet werden, wenig durch Wasser beeinträchtigt wird. Der hohe pH-Wert von Zement verleiht Zementprodukten gewöhnlich gute Resistenzen gegenüber Beschädigungen durch biologische Angriffe.
Asbestfaserzementtechnologie
Vor etwa 120 Jahren stellte Ludwig Hatschek die ersten asbestfaserverstärkten Zementprodukte her, indem er eine Siebzylindermaschine zur Papierherstellung verwendete, auf der ein stark verdünnter Schlamm aus Asbestfasern (bis zu etwa 10 Gew.-% Feststoffe) und gewöhnlichem Postland-Zement (etwa 90 % oder mehr) entwässert wurde zu Filmen von etwa 0,3 mm, welche dann bis zu einer gewünschten Dicke (typischerweise 6 mm) auf eine Rolle gewikkelt wurden, und die hieraus hervorgehende zylindrische Platte wurde geschnitten und flach gemacht, um eine flache laminierte Platte auszubilden, welche in rechteckige Stücke der gewünschten Größe geschnitten wurde. Diese Produkte wurden dann mit dem üblichen Zementaushärteverfahren für etwa 28 Tage an der Luft gehärtet. Die ursprüngliche Anwendung war ein künstlicher Schiefer für den Dachbau.
Über 100 Jahre fand diese Art des Faserzements umfangreiche Anwendung für Dachbauprodukte, Leitungsprodukte und Wandprodukte, für die beiden äußeren Verkleidungen (Planken und Paneele) und für Schalbretter für den Naßbereich. Asbestzementverbundstoff wurde auch bei vielen Anwendungen verwendet, die eine hohe Feuerbeständigkeit benötigen, da Asbest eine große thermische Stabilität aufweist. Der große Vorteil all dieser Produkte war, daß sie relativ leichtgewichtig waren. Wasser beeinträchtigte sie relativ wenig und sie wiesen eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber biologischen Schädigungen auf, da der hochdichte Asbest-/Zement-Verbundstoff niedrige Porosität und Permeabilität aufweist. Die Asbestfaserzementverbundstoffe weisen auch eine sehr gute biologische Widerstandsfähigkeit auf. Der Nachteil dieser Produkte bestand darin, daß die hochdichte Matrix eine Nagelung nicht gestattete, und die Verfahren zur Befestigung umfaßten vorgebohrte Löcher.
Obwohl das Original Hatschek-Verfahren (eine modifizierte Siebzylindermaschine für die Papierherstellung) die Masse der hergestellten Asbestzementprodukte dominierte, wurden auch andere Verfahren angewendet, um spezielle Produkte herzustellen, wie z.B. dicke Platten (z.B. größer als 10 mm, was etwa 30 Filme erforderte). Diese wandten das gleiche Gemisch aus Asbestfasern und Zement an. Manchmal werden bei den Verfahren einige Zusatzstoffe zur Unterstützung des Verfahrens angewendet, wie z.B. bei der Extrusion, beim Spritzgießen und bei Filterpressen- oder "Flow-on"-Maschinen.
Um die Mitte des vergangenen Jahrhunderts traten zwei Entwicklungen auf, die von hoher Signifikanz für moderne Austauschmittel für Zementverbundstoffe auf Asbestbasis sind. Die erste bestand darin, daß einige Hersteller feststellten, daß der Härtungszyklus beachtlich verkürzt werden könnte und daß die Kosten gesenkt werden könnten, indem man die Produkte autoklaviert. Dies ermöglichte den Austausch von viel Zement durch feingemahlenes Siliciumdioxid, welches bei den Autoklaventemperaturen mit dem Überschuß an Kalk in dem Zement reagierte, wodurch Calcium-Siliciumdioxid-Hydrate erzeugt wurden, die zu der normalen Zementmatrix ähnlich waren. Da Siliciumdioxid, selbst wenn es gemahlen ist, viel billiger als Zement ist, und da die Härtungszeit im Autoklaven viel kürzer ist als die Härtungszeit durch die Härtung an der Luft, wurde dies zu einem üblichen, auf keinen Fall jedoch zu einem universellen Herstellungsverfahren. Eine typische Formulierung wäre 5–10 % Asbestfasern, 30–50 % Zement und 40–60 % Siliciumdioxid.
Die zweite Entwicklung bestand darin, daß einige der verstärkenden Asbestfasern durch Zellulosefasern aus Holz oder anderen Rohstoffen ersetzt wurden. Dies wurde nicht allgemein übernommen außer für Verkleidungsprodukte und Schalplatten für den Naßbereich. Der große Vorteil dieser Entwicklung bestand darin, daß Zellulosefasern Hohlräume aufweisen und weich sind, und daß die hieraus hervorgehenden Produkte genagelt werden konnten, anstatt sie durch vorgebohrte Löcher zu befestigen. Die Verkleidungs- und Verschalungsprodukte werden an vertikalen Wänden verwendet, welche eine weit weniger herausfordernde Umgebung als ein Dach darstellen. Allerdings sind mit Zellulose verstärkte Zementprodukte im Vergleich zu Asbestzementverbundstoffmaterialien empfänglicher für wasserbedingte Schäden und biologische Angriffe. Eine typische Formulierung wäre 3–4 % Zellulose, 4–6 % Asbest und entweder etwa 90 % Zement für an der Luft gehärtete Produkte oder 30–50 % Zement und 40–60 % Siliciumdioxid für autoklavierte Produkte.
Die Asbestfasern wiesen mehrere Vorteile auf. Die Siebzylindermaschinen benötigen Fasern, die ein Netzwerk ausbilden, um die festen Zement-(oder Siliciumdioxid-)Partikel einzufangen, die viel zu klein sind, um sich auf dem Sieb selbst zu verfangen. Asbest kann, obwohl es eine anorganische Faser ist, in viele kleine Ranken "raffiniert" werden, die von einer Haupt faser ausgehen. Asbestfasern sind stark, steif und sehr stark mit der Zementmatrix verbunden. Sie sind bei hohen Temperaturen stabil. Sie sind stabil gegenüber Alkaliangriffen unter Autoklavenbedingungen. Asbestfasern sind auch biologisch ausdauernd. Daher sind mit Asbest verstärkte Faserzementprodukte selbst stark, steif (auch brüchig) und könnten in vielen feindseligen Umgebungen verwendet werden, außer in stark sauren Umgebungen, in denen der Zement selbst schnell chemisch angegriffen wird.
Alternative Faserzementtechnologien
In den frühen 1980igern wurden die Gesundheitsgefährdungen, die mit dem Bergbau oder der Exponierung gegenüber Asbestfasern und deren Einatmen verbunden waren, eine große Sorge im Hinblick auf die Gesundheit. Die Hersteller von Asbestzementprodukten in den USA, manche in Westeuropa und insbesondere in Australien/Neuseeland waren darauf bedacht, ein Austauschmittel für Asbestfasern zur Verstärkung von Bau- und Konstruktionsprodukten zu finden, die auf deren installierten Herstellungsgrundlagen, primär den Hatschek-Maschinen, hergestellt werden. Über einen Zeitraum von 20 Jahren tauchten zwei praktikable alternative Technologien auf, obwohl keine davon für den gesamten Bereich der Asbestanwendungen erfolgreich war.
In Westeuropa war der erfolgreichste Austausch für Asbest eine Kombination aus PVA-Fasern (etwa 2 %) und Zellulosefasern (etwa 5 %) mit Primärzement, etwa 80 %. Manchmal enthält die Formulierung 10–30 % inerte Füllstoffe, wie z.B. Siliciumdioxid oder Kalkstein. Dieses Produkt ist luftgehärtet, da PVA-Fasern im allgemeinen nicht autoklavenstabil sind. Es wird im allgemeinen auf einer Hatschek-Maschine hergestellt, gefolgt von einer Preßstufe unter Anwendung einer Hydraulikpresse. Diese komprimiert die Zellulosefasern und reduziert die Porosität der Matrix. Da PVA-Fasern nicht raffiniert werden können, während Zellulose raffiniert werden kann, fungiert bei dieser westeuropäischen Technologie die Zellulosefaser als ein Verfahrenshilfsmittel zur Ausbildung des Netzwerks auf dem Sieb, das die Feststoffpartikel in der Entwässerungsstufe einfängt. Dieses Produkt weist aufgrund seiner hohen Dichte und der biologisch nicht abbaubaren PVA-Faser eine angemessen gute biologische Beständigkeit auf. Die Hauptanwendung liegt im Dachbau (Schiefer und gewellte Materialien). Üblicherweise (jedoch nicht immer) ist es mit dicken organischen Beschichtungen überzogen. Der große Nachteil dieser Produkte ist eine sehr starke Zunahme an Material und die hohen Kosten des Herstellungsverfahrens. Während Zellulose mit $ 500 pro Tonne gegenwärtig ein wenig mehr als Asbest kostet, liegt PVA bei etwa $ 4000 pro Tonne. Auch die dicken organischen Beschichtungen sind teuer, und die Hydraulikpressung ist eine mit hohen Kosten verbundene Herstellungsstufe.
In Australien/Neuseeland und den USA war das erfolgreichste Austauschmittel für Asbest ungebleichte Zellulosefaser, mit etwa 35 % Zement und etwa 55 % fein gemahlenem Siliciumdioxid, wie z.B. in dem australischen Patent Nr. 515151 und dem US-Patent Nr. 6,030,447 beschrieben, die in vollem Umfang durch Verweisung hierin inkorporiert sind. Dieses Produkt wird mit einem Autoklaven gehärtet, da Zellulose beim Autoklavieren relativ stabil ist. Im allgemeinen wird es auf einer Hatschek-Maschine hergestellt, und es wird üblicherweise nicht gepreßt. Die Produkte dienen im allgemeinen zur Verkleidung (Paneele und Planken) und als vertikale oder horizontale Naßbereichsverschalungen als Untergrund für Fliesen und als Füllpaneele für Dachvorsprünge und Leibungen. Der große Vorteil dieser Produkte besteht darin, daß sie sehr gut zu verarbeiten sind, sogar im Vergleich zu den Produkten auf Asbestbasis, und sie kosten wenig.
Allerdings können die Zellulosefaserzementmaterialien in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit Nachteile aufweisen, wie z.B. geringere Widerstandsfähigkeit gegenüber Verrottung und schlechtere Langzeithaltbarkeit im Vergleich zu Asbestzementverbundstoffmaterialien. Diese Nachteile sind teilweise bedingt durch die natürlichen Zellulosefasern innewohnenden Eigenschaften. Zellulosefasern bestehen primär aus Polysacchariden (Zellulose und Hemizellulose) und sind sehr hydrophil und porös, was sie in dieser Kombination zu einer attraktiven Nährstoffquelle für viele Mikroorganismen macht. Zellulosefasern als solche sind empfänglich für biologischen Abbau oder Verrottung, wenn diese in faserverstärkte Zementverbundstoffmaterialien aufgenommen werden, welche außerdem hochgradig porös sind. Insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftfeuchte erleichtern die Porenräume in den faserverstärkten Zementmaterialien den Transport von Wasser zu den Fasern und bieten daher einen Zugang für Mikroorganismen, wie z.B. Pilze, Bakterien, Algen und Hefen. Die Mikroorganismen können durch das Wasser durch die Poren der Zellulosefasern getragen werden. Die Organismen können auf der Oberfläche und/oder in dem Verbundstoffmaterial wachsen, indem sie Zellulose und Hemizellulose als Nährstoffe verwenden. Die Mikroorganismen werden die Zellulosepolymerketten zerspalten, was zu einem signifikanten Verlust an Faserstärke führt. Die Spaltungen der Zellulosefaserketten durch die Mikroorganismen verringern letztendlich die Effizienz der Verstärkung der Fasern und beeinträchtigen die Langzeithaltbarkeit der Faserzementmaterialien nachteilig.
Zusammenfassend gesagt erfolgte der Ersatz von Asbest in Europa großteils durch an der Luft gehärtete Faserzementprodukte unter Verwendung von PVA-Fasern, welche nach dem Formen im "grünen" Stadium gepreßt wurden. Das primäre Problem bei dieser Technologie ist der erhöhte Materialbedarf und die Herstellungskosten. Der Austausch von Asbest in den USA und in Australien/Neuseeland erfolgte großteils durch autoklavierte Faserzementprodukte unter Verwendung von Zellulosefasern, welche ohne Pressen mit geringer Dichte geformt wurden. Die mit dieser Technologie verbundenen Probleme umfassen allerdings höhere Porosität des Produkts und höhere Empfänglichkeit für biologische Angriffe, wenn man sie mit Asbestfaserzementmaterialien vergleicht. Dementsprechend besteht ein Bedarf nach einem kostengünstigen Faserzementverbundstoffmaterial, welches eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Verrotten aufweist. Es besteht außerdem ein Bedarf nach einer individualisierten verstärkenden Faser, die die Vorteile von Zellulose beibehält und die noch dauerhafter als die re gulären Zellulosefasern ist. Zu diesem Zweck besteht insbesondere ein Bedarf nach einem kostengünstigeren und dauerhaften faserverstärkten zementartigen Material, das gegenüber den Angriffen von Mikroorganismen sogar in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit resistent ist.
Dem Anmelder ist lediglich eine Referenz aus dem Stand der Technik bekannt, die ein biozides Mittel auf eine Zellulosefaser zur Verwendung in Calciumkarbonatprodukten verwendet (siehe US-Patent Nr. 6,086,998). Dieses Patent betrifft die Herstellung von nichtbrennbaren Zellulosefasern unter Zusatz von einer kleinen Menge an "oberflächenaktiven" bioziden Mitteln auf die äußeren Oberflächen der Zellulosefasern. Das '998-Patent ist nicht speziell auf die Verwendung der Fasern für faserverstärkte Zementverbundstoffmaterialien gerichtet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung nimmt sich der oben beschriebenen Bedürfnisse an, indem teilweise oder vollständig delignifizierte und vereinzelte Zellulosefasern mit ausgewählten anorganischen oder organischen Bioziden vorbehandelt werden, wodurch eine technische Zellulosefaser erzeugt wird. Wenn diese technische Faser in Faserzementverbundstoffmaterialien verwendet wird, hält sie die Vorteile der regulären Zellulosefasern aufrecht im Hinblick auf die Raffinierung, das Autoklavieren und die Herstellung ohne Pressen, das hieraus hervorgehende Faserzementmaterial kann jedoch auch die Leistungsvorteile von künstlichen Fasern, wie z.B. PVA im Hinblick auf die biologische Beständigkeit erreichen oder sogar übertreffen, wenn diese in faserverstärkten Zementverbundstoffmaterialien verwendet werden. Die Verbesserung der gewünschten Biobeständigkeit wird erreicht ohne eine signifikante Verringerung der bedeutenden physikalischen Eigenschaften des Materials, wie z.B. Stärke und Festigkeit.
Die vorliegende Erfindung offenbart daher eine neue Technologie der Herstellung verstärkter zementartiger Verbundstoffmaterialien unter Verwendung von mit Biozid behandelten verrottungsbeständigen, vereinzelten Zellulosefasern. Diese neue Technologie umfaßt die folgenden Aspekte: die Faserbehandlung, Formulierungen, Verfahren zur Herstellung des Verbundstoffmaterials und die fertigen Materialien sowie deren Eigenschaften. Die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung lösen das Problem der schlechteren Biobeständigkeit, die mit zellulosefaserverstärkten zementartigen Verbundstoffmaterialien verbunden ist, wenn man sie mit Asbestzementmaterialien vergleicht.
Die Verwendung dieser technischen verrottungsbeständigen Fasern verleiht dem Verbundstoffmaterial daher die verbesserten Biobeständigkeitseigenschaften und stellt daher eine alternative Technologie dar, die, wenn sie vollständig implementiert ist, das Potential dazu hat, die mechanischen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit des Materials in Bau und Konstruktion beizubehalten, während die Beständigkeit der Produkte in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und in Umgebungen, die das Verrotten begünstigen, ungeachtet der Herstellungsmittel verbessern. Sie sind insbesondere geeignet für das Hatschek-Verfahren, das eine raffinierbare Faser erfordert (um Feststoffpartikel einzufangen), und für den Härtungszyklus im Autoklaven, der den Austausch von Zement durch feingemahlenes Siliciumdioxid ermöglicht, obwohl sie auch in den luftgehärteten Produkten in Verbindung mit PVA nützlich sein mögen, um die Notwendigkeit des teuren Verfahrens des Pressens zu reduzieren.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundstoffbaumaterial bereitgestellt, welches folgendes umfaßt:
eine zementartige Matrix,
vereinzelte Zellulosefasern, die in die zementartige Matrix aufgenommen sind, wobei die Zellulosefasern wenigstens teilweise mit einer Biozidchemikalie, die das Wachstum von Mikroorganismen innerhalb der Fasern hemmt, behandelt wurden und
wenigstens ein zusätzliches Fasermaterial, ausgewählt unter unbehandelten Zellulosefasern, natürlichen anorganischen Fasern und synthetischen Fasern.
Ein Verbundstoffbaumaterial, welches in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, umfaßt eine zementartige Matrix und chemisch behandelte und vereinzelte Zellulosefasern, die in die Matrix aufgenommen sind, um die biologische Beständigkeit des fertigen Produkts zu verbessern. Die inneren und äußeren Oberflächen der Faserzellwände sind wenigstens teilweise mit Chemikalien (Bioziden) behandelt, die das Wachstum von Mikroorganismen hemmen. Die Chemikalien können anorganische Verbindungen, organische Verbindungen oder Kombinationen davon umfassen. Die Chemikalien können verschiedene Sorten Fungizide, Algizide und Termiten-Schutzmittel umfassen. Vorzugsweise umfassen die Chemikalien etwa 0,01 % bis 20 % des Gewichts der ofengetrockneten Zellulosefasern.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden den Faserzementverbundstoffmaterialien verbesserte Biobeständigkeit verleihen. Die Aufnahme der mit Biozid behandelten Fasern wird die Aufrechterhaltung der Zellulosefasern erhöhen, wenn die Faserzementmatrix einer das Verrotten begünstigenden Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wird. Bei einer Ausführungsform wurde der Faserverlust über 6 Monate Exponierung gegenüber dem Untergrund von etwa 78 % auf etwa 32 % reduziert, wenn die mit Biozid behandelten Fasern verwendet wurden. Die hohe Aufrechterhaltung der Fasern zeigt eine verbesserte Aufrechterhaltung der Verstärkungseffizienz der Fasern in den Faserzementverbundstoffmaterialien an.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Materialformulierung bereitgestellt, die zur Bildung eines Verbundstoffbaumaterials verwendet wird und die folgendes umfaßt:
ein zementartiges Bindemittel und
Zellulosefasern, wobei die Zellulosefasern vereinzelt wurden und wobei wenigstens einige der Zellulosefasern mit einer Chemikalie behandelt sind, um das Wachstum von Mikroorganismen in den Fasern zu hemmen, wobei die behandelten Zellulosefasern mit unbehandelten Zellulosefasern gemischt sind. Eine Verbundstoffmaterialformulierung, bei der mit Biozid behandelte Fasern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, umfaßt ein zementartiges Bindemittel, üblicherweise Portland-Zement, ein Aggregat, üblicherweise Siliciumdioxid, welches fein gemahlen sein kann, wenn das Autoklavenverfahren angewendet wird, vereinzelte Zellulosefasern, wobei wenigstens ein Teil der vereinzelten Fasern mit wenigstens einem Biozid vorbehandelt ist, so daß das Biozid das Wachstum von Mikroorganismen in und auf den Fasern hemmt, einen Dichtemodifizierer und Additive. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt die Baumaterialformulierung vorzugsweise etwa 10 %–80 % zementartiges Bindemittel, besonders bevorzugt etwa 15 %–50 %, etwa 20 %–80 % Siliciumdioxid (Aggregat), besonders bevorzugt etwa 30 %–70 %, etwa 0,5 %–20 % mit Biozid behandelte, verrottungsbeständige und vereinzelte Zellulosefasern oder eine Kombination aus verrottungsbeständigen vereinzelten Zellulosefasern und/oder normalen Zellulosefasern und/oder natürlichen anorganischen Fasern und/oder synthetischen Fasern, etwa 0 %–80 % Dichtemodifizierer und etwa 0 %–10 % Additive.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundstoffbaumaterials bereitgestellt, welches folgendes umfaßt:
Bereitstellen vereinzelter Zellulosefasern,
Behandeln wenigstens eines Teils der Zellulosefasern mit einer Chemikalie, wobei die Chemikalie das Wachstum von Mikroorganismen in den behandelten Zellulosefasern hemmt,
Mischen der behandelten Fasern mit wenigstens einem zusätzlichen Fasermaterial, ausgewählt unter unbehandelten Zellulosefasern, anorganischen Fasern und synthetischen Fasern unter Bildung eines Fasergemisches,
Mischen des Fasergemischs mit einem zementartigen Bindemittel unter Bildung eines Faserzementgemischs,
Formen des Faserzementgemischs zu einem Faserzementgegenstand mit einer zuvor ausgewählten Form und Größe und
Härten des Faserzementgegenstands, um das faserverstärkte Verbundstoffbaumaterial zu bilden.
Manche dieser Stufen können umgestellt werden und andere Stufen können vorgesehen sein.
Die Stufe der Behandlung der Fasern umfaßt die Behandlung der Fasern mit anorganischen und organischen Bioziden oder mit Kombinationen davon unter Anwendung von Verfahren, wie z.B. chemischen Reaktionen und/oder physikalischen Abscheidungsverfahren, wie z.B. eine Druck- oder Temperaturimprägnierung und eine Konzentrationsdiffusion. Bei dieser Stufe werden teilweise oder vollständig delignifizierte und vereinzelte Zellulosefasern für die Behandlung der Fasern verwendet. Die wirksamen Biozide werden an die Fasern angeheftet, um ver besserte biologische Widerstandsfähigkeiten zu verleihen. Die Biozide, die zu diesem Zwecke verwendet werden können, umfassen eine Reihe von anorganischen und organischen Chemikalien und Kombinationen davon.
Vorzugsweise umfaßt die Stufe des Mischens der behandelten Fasern mit Inhaltsstoffen zur Ausbildung einer Faserzementmischung das Mischen der Fasern mit einem zementartigen Bindemittel, einem Aggregat, Dichtemodifizierern und Additiven. Vorzugsweise umfaßt die Stufe des Mischens der mit Biozid behandelten Fasern mit Bestandteilen zur Ausbildung eines Faserzementgemischs das Mischen der Biozidfasern mit Nicht-Zellulosematerialien, wie z.B. einem zementartigen Bindemittel, einem Aggregat, Dichtemodifizierern und Additiven in Übereinstimmung mit den bevorzugten Formulierungen.
Die mit Biozid behandelten Fasern werden auch mit herkömmlichen unbehandelten Fasern und/oder synthetischen Fasern und/oder natürlichen anorganischen Fasern zusammen mit den anderen Bestandteilen gemischt. Die Verbundstoffmaterialien können hergestellt werden, indem man eine beliebige der vorhandenen Technologien anwendet, wie z.B. Das Hatschek-Verfahren, die Extrusion und das Gießen, etc.
Die Aufnahme der mit Biozid behandelten Fasern in die Faserzementmatrix gemäß einem der Aspekte der vorliegenden Erfindung verbessert die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Verrotten und die Beständigkeit des fertigen Verbundstoffmaterials. Der Umfang dieser Erfindung ist nicht auf spezielle Sorten an Zement, Aggregaten, Dichtemodifizierern oder Additiven beschränkt noch auf deren Verhältnisse in den Formulierungen. Diese und andere Zwecke und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der in Verbindung mit den begleitenden Figuren wahrgenommenen folgenden Beschreibung noch deutlicher werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 stellt einen Verfahrenslauf dar für die Herstellung eines faserverstärkten zementartigen Verbundstoffmaterials unter Verwendung von mit Biozid behandelten Zellulosefasern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine fotografische Aufnahme, die Proben darstellt, die mit herkömmlichen Zellulosefasern und mit mit Biozid behandelten Zellulosefasern hergestellt wurden, nach drei Monaten der Exponierung in einer die Verrottung begünstigenden Umgebung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben die Verwendung von mit Biozid behandelten Zellulosefasern in zementartigen faserverstärkten Baumaterialien. Diese Ausführungsformen umfassen nicht nur das mit Biozid behandelten Fasern gebildete Bauprodukt, sondern auch die Formulierung und die Herstellungsverfahren für das Verbundstoffmaterial, sowie die Verfahren zur chemischen Behandlung der Fasern, um die Be ständigkeit der Fasern zu verbessern. Es wird davon ausgegangen, daß die Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht nur auf mit Zellulosefasern verstärkte zementartige Produkte anwendbar sind, sondern daß diese Verfahren auch auf Baumaterialien, die mit anderen Fasern in Nicht-Zementprodukten verstärkt sind, angewendet werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung den Zusatz von mit Biozid behandelten Fasern zu zementartigen mit Zellulose verstärkten Verbundstoffmaterialien. Die mit Biozid behandelten Fasern umfassen im allgemeinen Zellulosefasern, in die Chemikalien aufgenommen wurden, die das Wachstum von Mikroorganismen hemmen. Die Biozidchemikalien werden vorzugsweise an Stellen auf der Faser aufgebracht, an denen das Auftreten von biologischer Aktivität am wahrscheinlichsten ist. Beispielsweise werden die Biozidchemikalien vorzugsweise auf die inneren und äußeren Oberflächen der wasserführenden Kanäle und Poren der Fasern aufgebracht, wo es am wahrscheinlichsten ist, daß Mikroorganismen wachsen und Beschädigungen der Fasern verursachen. Die Fasern können mit Biozidchemikalien behandelt werden, indem man chemische Reaktionen und/oder physikalische Kräfte verwendet, um die Chemikalien auf die Oberflächen der Zellwände der Fasern zu binden oder darauf anzuheften. Das Faserbehandlungsverfahren kann die Druckimprägnierung oder die Konzentrationsdiffusion oder andere Verfahren umfassen unter Zuhilfenahme von Druck-, Temperatur-, Konzentrationsgradienten oder von Gradienten des pH-Werts oder anderer ionischer Kräfte. Vorzugsweise erfolgt die Behandlung mit Biozid bei Umgebungstemperatur oder bei weniger als 100° C. Vorteilhafterweise verzögern oder hemmen die in die Fasern aufgenommenen Biozidchemikalien das Wachstum von Mikroorganismen und verbessern daher die biologische Widerstandsfähigkeit der Fasern. Da die Faser ein Verstärkungsmittel ist, steigert die Verbesserung der biologischen Widerstandsfähigkeit der Fasern wiederum die Beständigkeit des Faserzementverbundstoffmaterials. Die Dosierung des Biozids bei der Behandlung der Fasern liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,01 % bis 20 % der im Ofen getrockneten Masse der Fasern, abhängig von der Biozidsorte, den Behandlungsverfahren und den Anforderungen an das Fertigprodukt.
Die Auswahl der Biozide für die Faserbehandlung und die Art und Weise der Verwendung der mit Biozid behandelten Fasern bei der Herstellung von faserverstärkten Zementmaterialien wird nun beschrieben. Die biologisch aktiven Biozide, die für die Faserbehandlung ausgewählt werden, weisen vorzugsweise starke Affinität zu Zellulosefasern auf, stören die Zementhydrationsreaktionen nicht und kontaminieren das Prozeßwasser nicht. Die wirksamen Biozide sind vorzugsweise bei hohen Temperaturen und unter alkalischen Bedingungen (pH-Wert > 10) stabil. Darüber hinaus verleihen die Chemikalien den Faserzementverbundstoffmaterialien vorzugsweise manch andere vorteilhafte Attribute. Viele bekannte Biozide sind aufgrund dieser strengen Anforderungen nicht für die Faserbehandlung geeignet. Biozide, die aus den behandelten Fasern und den Produkten auslaugen, schränken die Verfügbarkeit der Biozide, die auf die bevorzugten Ausführungsformen anwendbar sind, signifikant ein.
Überraschenderweise erfüllen mehrere Biozide die obigen Anforderungen und liefern eine gute Wirksamkeit bei der Bekämpfung von biologischen Aktivitäten.
Die chemischen Stoffe, die als wirksame Biozide für die Faserbehandlung verwendet werden können, umfassen ohne Beschränkung hierauf Natrium-, Kalium-, Calcium-, Zink-, Kupfer- und Bariumsalze von Carbonat, Acetat, Palmitat, Oleat, Stearat, Phosphat, Silikat, Sulfat, Halogenid und Borat in allen Formen, Zinkcarboxylaten, Borsäuren, Natriumdichromat, Kupfer-Chrom-Arsenat (CCA), chromiertes Kupferborat (CBC), ammoniakhaltiges Kupferarsenat (ACA), ammoniakhaltiges Kupfer-Zink-Arsenat (ACZA), Kupfer-Chrom-Fluorid (CFK), Kupfer-Chrom-Fluorborat (CCFB), Kupfer-Chrom-Phosphor (CCP) und andere anorganische Verbindungen.
Darüber hinaus können für die Faserbehandlung auch organische Verbindungen verwendet werden, einschließlich ohne Beschränkung hierauf Propiconazol in verschiedenen Formulierungen, Tebuconazol mit einer Vielzahl von Formulierungen, organisches Chlorid, wie z.B. Pentachlorphenol (PCP), quaternäre Ammoniumverbindungen (AAC), Kupfer-8-hydroxychinolin oder Kupfer-Oxen in verschiedenen Formulierungen, tri-n-Butylzinnoxid (TBTO) in allen Formulierungsarten, tri-n-Butylzinnaphthenat (TBTN) in verschiedenen Formulierungen, Didecyldimethylammoniumbromid (DDAB) in verschiedenen Formulierungen, Didecyldimethylammoniumchlorid (DDAC) in verschiedenen Formulierungsarten und andere Fungizide aller Sorten, Algizide aller Sorten und Termitenschutzmittel aller Sorten.
Die Fasern werden vorzugsweise mit einem oder mehreren der oben aufgeführten Biozide behandelt, abhängig von den bestimmten benötigten Eigenschaften für eine spezifische Anwendung des Faserzementmaterials. Die Faserbehandlung erfolgt vorzugsweise in Gegenwart von Wasser oder organischen Lösungsmitteln, wobei die Biozidbehandlung der Faser entweder durch Abscheidung, chemische Reaktion oder andere Mechanismen, vorzugsweise durch Kontakt der chemischen Verbindungen mit den Zellulosefasern, erfolgt. Man kann sich vorstellen, daß die obigen Listen von chemischen Stoffen lediglich beschreibende Beispiele für Substanzen sind, die für die Faserbiozidbehandlung verwendet werden können. Die chemischen Stoffe können auch beliebige andere geeignete anorganische oder organische Verbindungen sein, die auf das Wachstum von Pilzen, Bakterien, Algen und Hefen hemmende Wirkungen aufweisen.
Die Zellulosefasern, die für die Biozidbehandlung verwendet werden, sind vorzugsweise teilweise oder vollständig delignifizierte vereinzelte Fasern. Demzufolge können die Fasern gebleichte, nicht gebleichte oder teilweise gebleichte Zellulosebreie sein, die nach verschiedenen Verfahren oder Vorgängen hergestellt wurden. In einem Aufschlußverfahren werden Holz oder andere lignozellulose Rohstoffe, wie z.B. Kenaf, Stroh, Bambus und dergleichen durch das Aufbrechen der Bindungen zwischen den Strukturen der lignozellulosen Materialien auf eine faserige Masse reduziert. Dieses Ziel kann chemisch, mechanisch, thermisch, biologisch oder durch Kombinationen dieser Behandlungen erreicht werden.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen sind die für die verstärkenden Zementverbundstoffmaterialien verwendeten Zellulosefasern vorwiegend vereinzelte Fasern und werden durch chemische Aufschlußverfahren hergestellt, die hauptsächlich auf den Wirkungen von chemischen Stoffen zur Trennung von Fasern während des Aufschlußverfahrens beruhen. Auf der Grundlage der chemischen Stoffe, die bei dem Verfahren verwendet werden, werden die chemischen Aufschlußverfahren klassifiziert als Soda-, Kraft-, Kraft-AQ-, Soda-AQ-, Sauerstoffdelignifizierungs-, Kraft-Sauerstoff-, organische Lösungsmittelverfahren und Sulfidverfahren und dergleichen. Beim chemischen Aufschließen wird Lignin, welches als Klebstoff wirkt, der Zellulose und Hemizellulose zusammenhält, um für mechanische Kraft im Holz zu sorgen, gespalten und gelöst durch chemische Reaktionen. Diese chemischen Reaktionen werden gewöhnlich in einem Reaktor, der oft als Aufschlußreaktor bezeichnet wird, bei einer Temperatur von etwa 150° C bis 250° C für etwa 30 Minuten bis 2 Stunden durchgeführt. Die Spaltung der Bindungen zwischen Lignin und Zellulosekomponenten führt zu einem Aufweichen der Bindungen zwischen den Fasern. Mit Hilfe von milden mechanischen Kräften werden die Zellulosefasern dann in einzelne Fasern getrennt. Die regulären Zellulosefasern, die für die Herstellung von mit Biozid behandelten Fasern verwendet werden, sind vereinzelte Zellulosefasern, wobei die Ligninkomponenten von den Faserzellwänden teilweise oder vollständig entfernt sind. Die behandelten Zellulosefasern werden aus Zellulosebreien eines lignozellulosen Materials durch ein Aufschlußverfahren hergestellt.
Die Zellulosebreie können aus einer Verschiedenheit von lignozellulosen Materialien bereitet werden, einschließlich Weichholz, Hartholz, landwirtschaftliche Rohstoffe, wiedergewonnenes Abfallpapier oder beliebige andere Formen von lignozellulosen Materialien. Vorzugsweise sind die Fasern, die für die Biozidbehandlung ausgewählt wurden, vereinzelte Fasern. Vorzugsweise liegen die Faserlängen in dem Bereich von etwa 0,2 bis 7 mm, besonders bevorzugt in dem Bereich von etwa 0,6 bis 4 mm.
Die bevorzugten Formulierungen des Verbundstoffmaterials der vorliegenden Erfindung umfassen ein zementartiges hydraulisches Bindemittel, ein Aggregat, mit Biozid behandelte Zellulosefasern, Dichtemodifizierer und verschiedene Additive, um verschiedene Materialeigenschaften zu verbessern. Das zementartige Bindemittel ist vorzugsweise Portland-Zement, kann jedoch ohne Beschränkung hierauf auch Zement mit hohem Aluminiumoxidanteil, Kalk, Zement aus gemahlener, granulierter Trockenofenschlacke und Zement mit hohem Phosphatanteil oder Gemische davon sein. Das Aggregat ist vorzugsweise gemahlener Siliciumdioxidsand, kann jedoch auch ohne Beschränkung hierauf amorphes Siliciumdioxid, Mikro-Siliciumdioxid, Diatomeenerde, Flug- und Bodenaschen der Kohleverbrennung, Reishüllenasche, Trockenofenschlacke, granulierte Schlacke, Stahlschlacke, Mineraloxide, Mineralhydroxide, Tone, Magnesit oder Dolomit, Metalloxide und -hydroxide, Kunststoffperlen oder Gemische davon sein.
Die mit Biozid behandelten Zellulosefasern sind vorzugsweise vereinzelte nichtraffinierte/nichtfibrillierte oder raffinierte/fibrillierte Zellulosefasern. Für das Hatschek-Verfahren werden die behandelten Fasern vorzugsweise bis zu einem Entwässerungsbereich von 150 bis 750° C Canadian Standard Freeness (CSF) in Übereinstimmung mit dem Tappi-Verfahren T227-om-99 oder noch bevorzugter in dem Bereich von 150 bis 650 CSF raffiniert. Für andere Verfahren, wie z.B. die Extrusion und das Gießen können die behandelten Fasern ohne Raffinierung angewendet werden.
Des weiteren umfassen die Dichtemodifizierer vorzugsweise organische und/oder anorganische Dichtemodifizierer mit einer Dichte von weniger als etwa 1,5 g/cm³. Die Dichtemodifizierer können Kunststoffmaterialien umfassen, Schaumpolysterol, Glas- und Keramikmaterial, Calciumsilicathydrate, Mikrokügelchen, Vulkanaschen, einschließlich Perlit, Bimsstein, Shirasu, Zeolithe in geschäumter Form. Die Dichtemodifizierer können natürliche oder synthetische Materialien oder Gemische davon sein. Die Additive können ohne Beschränkung hierauf umfassen Viskositätsmodifizierer, feuerhemmende Mittel, Wasserdichtmacher, Quarzstaub, geothermales Siliciumdioxid, Pigmente, Farbstoffe, Weichmacher, Dispergiermittel, Formungsmittel, Flokkungsmittel, Entwässerungsmittel, nasse und trockene Verstärkungshilfsmittel, Silikonmaterialien, Aluminiumpulver, Ton, Kaolin, Bentonit, Aluminiumoxidtrihydrat, Zeolith, Glimmer, Metakaolin, Calciumcarbonat, Wollastonit, Polymerharzemulsion oder Gemische davon.
Die mit Biozid behandelten Fasern können in einer Verschiedenheit von Verbundstoffmaterialien verwendet werden, von denen alle verschiedene Anteile an zementartigem Bindemittel, Aggregat, Dichtemodifizierern, behandelten und/oder nichtbehandelten Zellulosefasern und Additiven aufweisen, um optimale Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung zu erzielen. Die Verbundstoffformulierung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält bis zu etwa 20 % an mit Biozid behandelten Fasern, vorzugsweise von etwa 0,5 % bis 20 %. Weiterhin können die mit Biozid behandelten Fasern mit normalen, nicht behandelten Zellulosefasern und/oder synthetischen Polymerfasern und/oder natürlichen anorganischen Fasern in verschiedenen Anteilen gemischt werden. Es ist klar, daß der prozentuale Anteil der mit Biozid behandelten Fasern in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und/oder dem gewünschten Verfahren variiert werden kann. Darüber hinaus kann der Anteil an zementartigem Bindemittel, Aggregat, Dichtemodifizierer und Additiven auch variiert werden, um optimale Eigenschaften für verschiedene Anwendungen, wie z.B. für Dächer, Umzäunungen, Aufschichtungen, Abdeckungen, Rohre, Verkleidungen, Umzäumungen, Leibungen, Untergründe als Fliesenunterlage, zu erhalten.
Eine Formulierung für die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung umfaßt:

– etwa 10 %–80 % Zement (zementartiges Bindemittel),
– etwa 20 %–80 % Siliciumdioxid (Aggregate),
– etwa 0 %–50 % Dichtemodifizierer,
– etwa 0 %–10 % Additive und
– etwa 0,5 %–20 % mit Biozid behandelte Zellulosefasern oder eine Kombination von

Bei den autoklavierten Ausführungsformen kann ein geringerer Anteil an Zement verwendet werden, der vereinzelte, mit Biozid behandelte Zellulosefasern aufnimmt. Bei einer Ausführungsform umfaßt diese autoklavierte Formulierung

– etwa 20–50 % Zement, vorzugsweise etwa 25–45 %, noch bevorzugter etwa 35 %,
– etwa 30 %–70 % feingemahlenes Siliciumdioxid, noch bevorzugter etwa 60 %,
– etwa 0 %–50 % Dichtemodifizierer,
– etwa 0 %–10 % Additive, vorzugsweise etwa 5 % und
– etwa 2 %–20 % Fasern, vorzugsweise etwa 10 % Fasern, von denen eine bestimmte

Vorzugsweise weisen die Fasern eine Entwässerung von 150 bis 750 CSF auf, gemessen in Übereinstimmung mit dem Tappi-Verfahren T227-om-99. Das zementartige Bindemittel und das Siliciumdioxid weisen jeweils vorzugsweise Oberflächen von etwa 250 bis 400 m²/kg und etwa 300 bis 450 m²/kg auf. Die Oberfläche für sowohl den Zement als auch das Siliciumdioxid wird untersucht in Übereinstimmung mit ASTM C204-96a.
1 stellt ein bevorzugtes Herstellungsverfahren eines faserverstärkten zementartigen Verbundstoffmaterials dar, welches mit Biozid behandelte Zellulosefasern inkorporiert. In Stufe 100 werden die Fasern vereinzelt, vorzugsweise durch ein chemisches Aufschlußverfahren, wie z.B. oben beschrieben. Selbstverständlich kann das chemische Aufschlußverfahren bei der Durchführung dieses bevorzugten Herstellungsprozesses allerdings nicht notwendig sein. Dies liegt daran, daß die Vereinzelung der Fasern häufig durch den Faserhersteller vorgenommen wird, der dann die Fasern dem Käufer auf standardmäßigen gerollten Platten oder Rollen bereitstellt. Bei einer Ausführungsform umfaßt die Vereinzelung solcher Fasern daher lediglich die mechanische Trennung der Fasern von den Platten oder Rollen, wie z.B. durch Behandlung mit einer Hammermühle oder nach anderen Verfahren, wie sie in Stufe 104 unten beschrieben werden.
In Stufe 102 werden die teilweise oder vollständig delignifizierten und vereinzelten Zellulosefasern mit einem oder mehreren Bioziden behandelt. In Stufe 102 werden ein oder mehrere Biozide in der Nachbarschaft der inneren und äußeren Oberflächen der wasserleitenden Kanäle und der Poren der Fasern angeordnet, indem wohl bekannte Verfahren angewandt werden, wie z.B. chemische Reaktionen, die Druckimprägnierung, die Konzentrationsdiffusion oder das trokkene Besprühen. Die Behandlung kann in einem breiigen Schlamm durchgeführt werden, indem man den Brei mit den wirksamen Bioziden vermischt. Alternativ können trockene Breie mit den Bioziden behandelt werden, indem man Biozid-enthaltende Lösungen auf die Bahn aus Brei sprüht. Bei einer Ausführungsform werden die mit Biozid behandelten Fasern in trockene Formen, wie z.B. in Platten und Rollen gearbeitet, während bei anderen Ausführungsformen die mit Biozid behandelten Fasern in feuchte Formen, wie z.B. in feuchte Wickel und in Container, gebracht werden.
Selbstverständlich können Fasern von einem Faserhersteller bereits vereinzelt und mit Bioziden behandelt erhalten werden. Allerdings werden die Fasern bei einer Ausführungsform für den Transport der Fasern dann in die trockenen Formen überführt, wie z.B. in Platten und Rollen und erfordern daher die erneute Vereinzelung, sobald sie bei der Produktionsstätte angekommen sind. Bei einer anderen Ausführungsform werden die mit Biozid behandelten Fasern in feuchte Formen, wie z.B. in feuchte Wickel und Aufschlämmungen, in Containern überführt. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Fasern durch spezielle Vorrichtungen (wie z.B. durch Blitztrocknung) getrocknet und vereinzelt in einem Silo oder in Containern transportiert.
Für die Ausführungsformen, bei denen die Fasern in Wickel oder Rollen überführt werden, werden die Fasern in Stufe 104 anschließend verarbeitet, um die Fasern erneut zu vereinzeln. Die mit Biozid behandelten Fasern werden in Stufe 104 verarbeitet, in der die behandelten Fasern dispergiert und/oder fibrilliert werden. Vorzugsweise werden die Fasern bei einer Konsistenz von etwa 1 % bis 6 % in einem Hydrastoffauflöser, welcher auch zu einer gewissen Fibrillierung führt, dispergiert. Die Faserfibrillierung kann erreicht werden, indem ein Brei-Refiner oder eine Reihe von Refinern verwendet werden. Sobald sie einmal dispergiert sind, werden die Fasern dann zu einem Bereich von etwa 150 bis 750 Canadian Standard Freeness (CSF) fibrilliert. Noch bevorzugter werden die Fasern dann zu einem Bereich von etwa 150 bis 650 CSF fibrilliert. Die Zerfaserung, Dispergierung und/oder Fibrillierung kann auch durch andere Verfahren erreicht werden, wie z.B. durch die Bearbeitung mit einer Hammermühle, einer Walzenmühle, einer Kugelmühle und einem Entstipper. Allerdings ist auch die Verwendung von mit Biozid behandelten Fasern ohne Fibrillierung annehmbar oder für manche Produkte und Verfahren sogar bevorzugt.
Wie in 1 dargestellt, werden die mit Biozid behandelten Zellulosebreie in Stufe 106 proportional mit den anderen Bestandteilen unter Ausbildung einer wassergetragenen Mischung, Aufschlämmung oder Paste gemischt. Bei einer Ausführungsform werden die mit Biozid behandelten Fasern mit Zement, Siliciumdioxid, einem Dichtemodifizierer und anderen Additiven in einem wohlbekannten Mischverfahren unter Ausbildung einer Aufschlämmung oder eines pastösen Gemisches vermischt. In der Mischvorrichtung können normale Zellulosefasern und/oder natürliche anorganische Fasern und/oder synthetische Fasern mit den mit Biozid behandelten Fasern vermischt werden. Bei anderen Ausführungsformen werden Biozide in Pulver- oder gelösten Formen unmittelbar zu der Faserzementmischung zugegeben.
Es ist klar, daß die oben beschriebene Vereinzelung, Behandlung und die Verfahrensstufen nicht in der oben beschriebenen Reihenfolge erfolgen müssen. Zum Beispiel könnte die Biozidbehandlung der Fasern vor der Vereinzelung der Fasern stattfinden. Des weiteren muß die Verfahrensstufe 104 nicht zwingend erforderlich sein, wenn die Fasern bereits individualisiert vom Faserhersteller kommen, oder wenn die Vereinzelung in der Faserzementherstellungseinrichtung erfolgt. Bei diesen Ausführungsformen können die behandelten Fasern nach der Faserbehandlung unmittelbar in das Gemisch, wie oben beschrieben, zugegeben werden.
Im Verfahren folgt dann die Stufe 108, bei der das Gemisch in einen "grünen" oder ungehärteten geformten Artikel geformt werden kann, indem man eine Zahl von herkömmlichen Herstellungsverfahren anwendet, die dem Fachmann bekannt sind, wie z.B.:

– Hatschek-Platten-Verfahren,
– Mazza-Rohr-Verfahren,
– Magnani-Verfahren,
– Spritzgießen,
– Extrusion,
– Handlaminieren,
– Formpressen,
– Gießen,
– Filterpressen,
– Fourdrinier-Formen,
– Mehrfachstrang-Formen,
– Blattspalt-Formen,
– Walzenspalt-Formen,
– Bel-Roll-Formen und
– andere.

Diese Verfahren können auch einen Preß- oder Stanzgang umfassen, nachdem der Artikel ausgebildet wurde. Allerdings wird vorzugsweise kein Pressen angewandt. Die Verarbeitungsstufen und -parameter, die verwendet werden, um das fertige Produkt unter Verwendung eines Hatschek-Verfahrens zu erhalten, sind ähnlich zu dem, was in dem australischen Patent Nr. 515151 beschrieben ist.
Im Anschluß an die Stufe 108 wird der "grüne" oder nichtgehärtete geformte Artikel in Stufe 110 gehärtet. Der Artikel wird vorzugsweise für bis zu 80 Stunden, noch bevorzugter 24 Stunden oder weniger, vorgehärtet. Der Artikel wird dann an der Luft getrocknet für ungefähr 30 Tage. Noch bevorzugter werden die vorgehärteten Artikel bei einer erhöhten Temperatur und erhöhtem Druck in einer wasserdampfgesättigten Umgebung bei 60° C bis 200° C für 3 bis 30 Stunden, vorzugsweise für 24 Stunden oder weniger, autoklaviert. Die Zeit und die Temperatur, die für die Vorhärt- und Härtverfahren ausgewählt werden, hängen von der Formulierung, dem Herstellungsverfahren, den Verfahrensparametern und der fertigen Form des Produkts ab.
Vorteilhafterweise verbessern die Faserzementverbundstoffmaterialien, die mit Biozid behandelte Zellulosefasern enthalten, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Verrotten in sowohl Faserzement- als auch Faser-Faser-Matrizes. Die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Verrotten der Fasern in der Faserzementmatrix erhöht die Biobeständigkeit der Faserzementverbundstoffmaterialien signifikant, was zu einer besseren Aufrechterhaltung der Faserverstärkungseffizienz führt. Wie in den folgenden Beispielen dargestellt, zeigten die Verbundstoffmaterialien mit mit Biozid behandelten Fasern signifikant weniger Faserverlust über die Zeit im Vergleich zu Materialien, die mit normalen, nichtbehandelten Zellulosefasern für dieselbe Formulierung hergestellt wurden.
Materialeigenschaften und Versuchsergebnisse
Die Verwendung von mit Biozid behandelten Zellulosefasern in faserverstärkten Verbundstoffmaterialien verbessert die Biobeständigkeit der Materialien. Die Faserzementprodukte, bei denen mit Biozid behandelte Zellulosefasern verwendet werden, zeigen signifikant weniger Faserverluste über die Zeit im Vergleich zu Materialien, die mit herkömmlichen Zellulosefasern hergestellt wurden. Die Verwendung von mit Biozid behandelten Zellulosefasern beeinträchtigt außerdem nicht die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Produkts. Tabelle 1
Die Tabelle 1 oben führt beispielhaft Faserzementformulierungen auf, die mit Biozid behandelte Fasern aufweisen (Formulierung B und D) im Vergleich zu einer Kontrolle, die eine äquivalente Formulierung aufweist, jedoch ohne mit Biozid behandelten Zellulosefasern (Formulierungen A und C). Eine äquivalente Formulierung wird hier so definiert, daß es sich dabei um eine solche handelt, bei der die bevorzugten behandelten Zellulosefasern durch einen äquivalenten prozentualen Anteil an nichtbehandelten Zellulosefasern ausgetauscht sind. Die Fasern in den Formulierungen A, B, C und D sind nichtgebleichte Kraft-Breie. Sie weisen alle einen Entwässerungsgrad von 450 bis 475 CSF auf, der in Übereinstimmung mit dem Tappi- Verfahren T227-om-99 gemessen wurde. Die Faserlängen für alle Fasern in der Formulierung A bis D betragen von 2,45 bis 2,50 mm. Tabelle 2: Vergleich des Faserverlusts in Faserzementverbundstoffmaterialen mit und ohne mit Biozid behandelten Zellulosefasern nach 9 Monaten halb-vergrabener Exponierung Versuch
Die obige Tabelle 2 liefert einen beispielhaften Vergleich des Faserverlusts in Faserzementverbundstoffmaterialien mit Formulierungen, die mit Biozid behandelte Zellulosefasern enthalten, und mit äquivalenten Formulierungen, die herkömmliche, nichtbehandelte Zellulosefasern enthalten in Übereinstimmung mit Tabelle 1 nach 9 Monaten im Halb-Vergraben-Exponierungsversuch. Der Halb-Vergraben-Versuch wurde in Übereinstimmung mit AWPA (American Wood Preservers' Association) Standard E7-93 in "Standard Method of Evaluating Wood Preservatives by Field Tests with Stakes" durchgeführt. Eine äquivalente Formulierung wird hier als solche definiert, bei der die bevorzugten behandelten Zellulosefasern durch einen äquivalenten prozentualen Anteil an nichtbehandelten Zellulosefasern ersetzt werden. Prototypproben von Faserzementmaterialien werden auf der Grundlage der gleichen Formulierung mit vier verschiedenen Faserbreien (A, B, C, D) hergestellt. Jede Probe wurde für 9 Monate in einer hochfeuchten und das Verrotten begünstigenden Umgebung zur Hälfte vergraben, unter welchen Bedingungen Espenholzproben typischerweise innerhalb von 3 bis 6 Monaten vollständigen Zerfall erfahren würden. Nach der Exponierung wurden die Proben auf ihren Zellulosegehalt untersucht.
Bei den Faserzementverbundstoffproben mit einer Dichte von 1200 kg/m³ reduziert die Verwendung von mit 0,12 % Propiconazol behandelten Fasern anstelle der normalen nichtbehandelten Fasern den Faserverlusten von etwa 12 % auf 8 % nach einer 9-monatigen Exponierung gegenüber einer hoch-feuchten Umgebung in dem Halb-Vergraben-Feldversuch. Für die Probe mit einer Dichte von 900 kg/m³ kann die Verwendung von mit 0,5 % Kupferoxen behandelten Fasern den Faserverlust von etwa 79 % auf 32 % für den vergrabenen Anteil der Probe reduzieren. Demzufolge wird die Verwendung von mit Biozid behandelten Zellulosefaserbreien den Zelluloseverlust in der Faserzementmatrix in das Verrotten begünstigenden feuchten Umgebungen verringern und die Beständigkeit und Leistungsfähigkeit der Faserzementverbundstoffmaterialien verbessern.
Die Inkorporierung von mit Biozid behandelten Zellulosefaserbreien in Faserzementverbundstoffe wird die Beständigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Verrotten der Faserzementmatrix verbessern, was durch die hohe Aufrechterhaltung des behandelten Fasergehalts in den Faserzementprodukten nachgewiesen wird. Ausdauernde Fasern in dem faserverstärkten Zementverbundstoffmaterial werden, wie in Tabelle 3 dargestellt, nachhaltige hohe physikalische und mechanische Stärke verleihen. Der mechanische Test wurde unter den Feuchtigkeitsbedingungen in Übereinstimmung mit ASTM (American Standard Test Method) C1185-98a mit dem Titel "Standard Test Methods for Sampling and Testing Non-Asbestos Fiber-Cement Flat Sheet, Roofing and Siding Shingles, and Clapboards" durchgeführt. Tabelle 3: Aufrechterhaltung der mechanischen Eigenschaften von Faserzementverbundstoffmaterialien mit und ohne mit Biozid behandelten Fasern in einem Versuch mit halb-vergrabener Exponierung nach 18 Monaten
Die Tabelle 3 stellt die Aufrechterhaltung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Faserzementverbundstoffmaterialien dar, die mit und ohne mit Biozid behandelten Zellulosefasern hergestellt wurden, nach einem Versuch der halb-vergrabenen Exponierung über 18 Monate. Erneut wurde der Halb-Vergraben-Versuch in Übereinstimmung mit AWPA (American Wood Preservers' Association) Standard E7-93, "Standard Method of Evaluating Wood Preservatives by Field Tests with Stakes" durchgeführt. Die ofengetrocknete Dichte der Proben aus den Formulierungen E und F beträgt 1200 kg/m³. Für den Fachmann ist klar, daß die spezifischen Werte von bestimmten mechanischen Eigenschaften voneinander abweichen werden, indem man die Ofentrocknungsdichte variiert. Wie in Tabelle 3 dargestellt, enthält die Formulierung E normale Zellulosefasern, und die Formulierung F ist eine äquivalente Formulierung, die Fasern enthält, die bezogen auf die Fasermasse mit 2 % Bariumborat behandelt wurden. Etwas genauer enthält die Formulierung E 8 % nichtbehandelte Zellulosefasern, und die Formulierung F enthält 8 % behandelte Fasern. Die Zement- und Siliciumdioxidgehalte sind für beide Formulierungen gleich: jeweils 35 % und 57 %. Der Entwässerungsgrad der normalen und mit Bariumborat behandelten Zellulosebreie weist ein Entwässerungsniveau von etwa 470+/–10 CSF auf. Die Faserlängen für diese zwei Fasern liegen bei etwa 2,5 mm.
Selbstverständlich sind die Faserzementformulierungen lediglich für Vergleichszwecke ausgewählt worden, und es ist auch klar, daß eine Vielzahl von anderen Formulierungen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, verwendet werden können. Es sollte auch klar sein, daß außer bei Faserzementprodukten auch bei anderen zementartigen und nicht-zementartigen Materialien mit Biozid behandelte Fasern verwendet werden können, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Verrotten des Materials zu verbessern.
Wie in Tabelle 3 dargestellt ist nach 18 Monaten des Halb-Vergraben-Exponierungsversuchs die Aufrechterhaltung der mechanischen Schlüsseleigenschaften, wie z.B. die Bruchfestigkeit (MOR), die Höchstbelastung, die Festigkeit und der Elastizitätsmodul (MOE) für die Formulierung F mit mit Biozid behandelten Zellulosefasern im Vergleich zu der äquivalenten Formulierung E, der Kontrollformulierung ohne behandelte Fasern, allgemein höher. Bei einer Ausführungsform erhöhen die behandelten Zellulosefasern die Aufrechterhaltung des Bruchmoduls (MOR) des Bauprodukts nach 18 Monaten um mehr als etwa 10 %, die Aufrechterhaltung der Höchstbelastung um mehr als etwa 5 %, die Aufrechterhaltung der Festigkeit um mehr als etwa 10 %, die Aufrechterhaltung des Elastizitätsmoduls (MOE) um mehr als etwa 10 %.
Die 2 gibt eine fotografische Aufnahme einer Faserprobe (unbehandelt und mit 0,1 % Kupfersulfat behandelt) nach einem Halb-Vergraben-Versuch über 3 Monate in einer hochfeuchten und das Verrotten begünstigenden Umgebung wieder. Wie 2 zeigt, verbleiben die mit Biozid (0,1 % Kupfersulfat) behandelten Faserproben im wesentlichen intakt, während die herkömmlichen, nichtbehandelten Faserproben vollständigen Abbau in dem Anteil erfahren, der unter Grund vergraben ist. Vorteilhafterweise verbessern die mit Biozid behandelten Zellulosefasern die Widerstandsfähigkeit gegenüber Verrotten und die Beständigkeit von Faserzementprodukten sogar in feuchten und das Verrotten begünstigenden Umgebungen wesentlich.
Obwohl diese technischen, gegenüber dem Verrotten widerstandsfähigen Fasern nicht in jeder Herstellungsform für Faserzementverbundstoffmaterialien ausprobiert wurden, scheint es so zu sein, daß sie dem Verbundstoffmaterial verbesserte Biobeständigkeitseigenschaften verleihen und daher eine alternative Technologie darstellen, die, wenn sie vollständig implementiert ist, das Potential hat, die mechanischen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit des Materials in Bau und Konstruktion aufrecht zu erhalten, während es die Beständigkeit der Produkte in hoch-feuchten und das Verrotten begünstigenden Umgebungen unabhängig von der Art und Weise der Herstellung verbessern. Sie sind insbesondere geeignet für das Hatschek-Verfahren, welches eine raffinierbare Faser erfordert (um Feststoffpartikel einzufangen), und für den Härtungszyklus im Autoklaven, der es ermöglicht, den Zement mit feingemahlenem Siliciumdioxid zu ersetzen, obwohl sie auch bei den an der Luft getrockneten Produkten in Verbindung mit PVA nützlich sein mögen, um die Notwendigkeit des teuren Verfahrens des Pressens zu reduzieren.
Die voranstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die fundamental neuartigen Merkmale der Erfindung aufgezeigt, beschrieben und herausgestellt. Es wird verstanden werden, daß verschiedene Weglassungen, Substitutionen und Veränderungen in der Gestalt des Details der beschriebenen Vorrichtung sowie der Verwendungen davon vom Fachmann vorgenommen werden können. Demzufolge sollte der Umfang der Erfindung durch die voranstehende Diskussion nicht beschränkt werden, sondern er sollte durch die anhängenden Ansprüche definiert sein.

Claims

Verbundstoffbaumaterial, welches folgendes umfaßt: eine zementartige Matrix, vereinzelte Zellulosefasern, die in die zementartige Matrix aufgenommen sind, wobei die Zellulosefasern wenigstens teilweise mit einer Biozidchemikalie, die das Wachstum von Mikroorganismen innerhalb der Fasern hemmt, behandelt wurden und wenigstens ein zusätzliches Fasermaterial, ausgewählt unter unbehandelten Zellulosefasern, natürlichen anorganischen Fasern und synthetischen Fasern.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Biozidchemikalie an die inneren und äußeren Oberflächen der vereinzelten Fasern angeheftet ist.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Chemikalie aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Fungiziden, Algiziden, Schimmel- und Termitenschutzmittel und Gemischen davon.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Chemikalie anorganische Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Natrium-, Kalium-, Calcium-, Zink-, Kupfer- und Bariumsalzen von Carbonat, Silicat, Sulfat, Halogenid und Borat, Zinkcarboxylaten, Borsäuren, Natriumdichromat, Kupferoxen, Kupfer-Chrom-Arsenat (CCA), chromiertem Kupferborat (CBC), ammoniakhaltigem Kupfer-Zink-Arsenat (ACZA), Kupfer-Chrom-Fluorid (CFK), Kupfer-Chrom-Fluorborat (CCFB) und Kupfer-Chrom-Phosphor (CCP), und Kombinationen davon umfaßt.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Chemikalie organische Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Propiconazol, Tebuconazol, organischer Chloridverbindung, quaternären Ammoniumverbindungen (AAC), tri-n-Butylzinnoxid (TBTO), tri-n-Butylzinnaphthenat (TBTN), Didecyldimethylammoniumbromid (DDAB), Didecyldimethylammoniumchlorid (DDAC), und Gemische davon umfaßt.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Chemikalie etwa 0,01 % bis 20 des Trockengewichts der behandelten Zellulosefasern ausmacht.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die Zellulosefasern mittels eines Aufschlußverfahrens aus Zellulosebrei aus einem lignozellulosen Material hergestellt sind.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 7, wobei die Faserlängen zwischen etwa 0,2 und 7 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0,6 und 4 mm betragen.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die behandelten Fasern etwa 0,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% der Matrix ausmachen.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 1, wobei die zementartige Matrix und die vereinzelten Zellulosefasern autoklaviert sind.
Verbundstoffbaumaterial nach Anspruch 10, welches weiterhin ein Aggregat umfaßt.
Materialformulierung, die zur Bildung eines Verbundstoffbaumaterials verwendet wird und die folgendes umfaßt: ein zementartiges Bindemittel und Zellulosefasern, wobei die Zellulosefasern vereinzelt wurden und wobei wenigstens einige der Zellulosefasern mit einer Chemikalie behandelt sind, um das Wachstum von Mikroorganismen in den Fasern zu hemmen, wobei die behandelten Zellulosefasern mit unbehandelten Zellulosefasern gemischt sind.
Formulierung nach Anspruch 12, wobei die Chemikalie Bariumborat, Kupferoxen, Propiconazol und/oder Kupfer und Zink in Salzform umfaßt.
Formulierung nach Anspruch 1 oder 12, welche etwa 10 Gew.-% bis 80 Gew.-% Zement umfaßt.
Formulierung nach Anspruch 12, welche weiterhin ein Aggregat umfaßt, wobei das Aggregat etwa 30 Gew.-%–70 Gew.-% der Formulierung ausmacht.
Formulierung nach Anspruch 12, wobei die behandelten Zellulosefasern etwa 0,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% der Formulierung ausmachen.
Formulierung nach Anspruch 12, welche weiterhin einen Dichtemodifizierer umfaßt, wobei der Dichtemodifizierer natürliche oder synthetische leichtgewichtige Materialien, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kunststoffmaterial, Schaumpolystyrol, anderen geschäumten Polymermaterialien, Glas- und Keramikmaterial, Calciumsilicathydraten, Mikrokügelchen, Vulkanaschen, einschließlich Perlit, Bimsstein, Shirazu, Basalt und Zeoliten in geschäumter Form, und Gemische davon umfaßt.
Formulierung nach Anspruch 12, welche weiterhin Additive umfaßt, wobei die Additive aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Viskositätsmodifizierern, feuerhemmenden Mitteln, Wasserdichtmachern, Quarzstaub, geothermalem Silica, Pigmenten, Farbstoffen, Weichmachern, Dispergiermitteln, Formungsmitteln, Flockungsmitteln, Entwässerungsmitteln, nassen und trockenen Verstärkungshilfsmitteln, Silikonmaterialien, Aluminiumpulver, Ton, Kaolin, Bentonit, Aluminiumoxidtrihydrat, Zeolith, Glimmer, Metakaolin, Calciumcarbonat, Wollastonit, Polymerharzemulsion, und Gemische davon.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundstoffbaumaterials, welches folgendes umfaßt: Bereitstellen vereinzelter Zellulosefasern, Behandeln wenigstens eines Teils der Zellulosefasern mit einer Chemikalie, wobei die Chemikalie das Wachstum von Mikroorganismen in den behandelten Zellulosefasern hemmt, Mischen der behandelten Fasern mit wenigstens einem zusätzlichen Fasermaterial, ausgewählt unter unbehandelten Zellulosefasern, anorganischen Fasern und synthetischen Fasern unter Bildung eines Fasergemischs, Mischen des Fasergemischs mit einem zementartigen Bindemittel unter Bildung eines Faserzementgemischs, Formen des Faserzementgemischs zu einem Faserzementgegenstand mit einer zuvor ausgewählten Form und Größe und Härten des Faserzementgegenstands, um das faserverstärkte Verbundstoffbaumaterial zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen vereinzelter Fasern das Entfernen des größten Teils des die Zellulosefasern miteinander verbindenden Lignins umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Bereitstellen vereinzelter Fasern das mechanische Trennen der Fasern umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei Zellulosefasern durch ein chemisches Aufschlußverfahren vereinzelt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Behandeln der Fasern das physikalische und/oder chemische Binden der Biozidchemikalie an die äußeren und inneren Oberflächen der Zellulosefasern umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Behandeln der Fasern die Verwendung einer Druckimprägnierungstechnik umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Behandeln der Fasern die Verwendung einer Konzentrationsdiffusionstechnik umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, welches weiterhin das Verarbeiten der behandelten Fasern durch Dispergieren der Fasern in einem zuvor ausgewählten Konsistenzbereich und anschließendes Fibrillieren der Fasern bis zu einem zuvor ausgewählten Entwässerungsgrad umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Behandeln der Fasern das chemische Binden eines Biozids an die inneren und äußeren Oberflächen der Zellulosefasern umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Verarbeiten der behandelten Fasern das Dispergieren der behandelten Fasern bei einer Konsistenz von etwa 1 % bis 6 % in einem Stofflöser umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, welches weiterhin das Verarbeiten der behandelten Fasern durch Fibrillieren der behandelten Fasern bis zu einem Entwässerungsgrad von 150 bis 750 Grad Canadian Standard Freeness, vorzugsweise 150 bis 650 Grad Canadian Standard Freeness umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, welches weiterhin das Mischen der behandelten Fasern mit Aggregat, einem Additiv und/oder einem Dichtemodifizierer umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Mischen das direkte Zugeben von Bioziden zu dem Gemisch umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Formen des Faserzementgegenstands das Formen des Gegenstands unter Verwendung eines Verfahrens, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Hatschek-Bahn-Verfahren, einem Mazza-Rohr-Verfahren, einem Magnani-Verfahren, Spritzgießen, Extrusion, Handlaminieren, Formpressen, Gießen, Filterpressen, Fourdrinier-Formen, Mehrfachstrang-Formen, Blattspalt-Formen, Walzenspalt-Formen, Bel-Roll-Formen, und Kombinationen davon umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Härten des Faserzementgegenstands das Vorhärten und das Härten umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Faserzementgegenstand für bis zu 80 Stunden bei Umgebungstemperatur, vorzugsweise bis zu 24 Stunden bei Umgebungstemperatur vorgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Faserzementgegenstand in einem Autoklaven gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Faserzementgegenstand bei einer erhöhten Temperatur und erhöhtem Druck bei etwa 60 bis 200°C für etwa 3 bis 30 Stunden, vorzugsweise etwa 24 Stunden oder weniger, autoklaviert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Härten des Faserzementgegenstands das Lufthärten des geformten Gegenstands für bis zu 30 Tage umfaßt.