DE60219443T2

DE60219443T2 - Faserverstärkte zementmaterialien unter verwendung von chemisch abgeänderten fasern mit verbesserter mischbarkeit

Info

Publication number: DE60219443T2
Application number: DE2002619443
Authority: DE
Inventors: Caidian Alta Loma LUO; Donald J. Alta Loma MERKLEY
Original assignee: James Hardie International Finance BV
Current assignee: James Hardie Technology Ltd
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: EP1368285B1; JP4384411B2; AR032978A1; MXPA03007956A; DE60219443D1; WO2002072499A2; ES2284820T3; NZ528310A; US20080148999A1; ATE359245T1; PL370668A1; AU2002240552B2; US20020170468A1; CA2439698C; EP1368285A2; CN1462261A; JP2004524254A; WO2002072499A3; TW553915B; CN1247487C

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft in einer Ausführungsform die chemische Behandlung von Zellulosefasern, um der Faser eine verbesserte Dispergierbarkeit und Verstärkungseffizienz in faserverstärkten Verbundstoffmaterialien zu verleihen. Spezieller betrifft diese Erfindung in einer Ausführungsform zelluloseverstärkte Faserzementverbundstoffmaterialien unter Verwendung von chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit, einschließlich Faserbehandlungsverfahren, Formulierungen, Verfahren der Herstellung und Endprodukte mit in Bezug darauf verbesserten Materialeigenschaften.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Faserverstärkte Zementprodukte, wie Bauplatten, Paneele, Bretter und Bedachungen, werden seit mehr als einhundert Jahren für den Hochbau verwendet. Verstärkungsfasern, die in solchen Bauprodukten verwendet werden, umfassen Asbestfasern, Zellulosefasern (siehe z.B. australisches Patent Nr. 515151, US-Patent Nr. 6,030,447), Metallfasern, Glasfasern und andere natürliche oder synthetische Fasern. In den vergangenen Jahren hat die Verwendung von Asbestfasern aufgrund von gesundheitlichen Bedenken im Zusammenhang mit der Aussetzung an und dem Einatmen von Asbestfasern beträchtlich abgenommen. Holzzellulose ist als eine praktikable Alternative zu einer der vorherrschend verwendeten Fasern in kommerziellen faserverstärkten Baumaterialien geworden, da sie eine effektive, kostengünstige und erneuerbare natürliche Verstärkungsfaser ist, die mit üblichen Faserzement-Herstellungsverfahren, einschließlich dem Autoklavenverfahren, kompatibel ist.
Zelluloseverstärkte Faserzementmaterialien können jedoch Leistungsnachteile haben, wie beispielsweise eine geringere Verstärkungseffizienz, eine geringere Festigkeit und Zähigkeit aufgrund einer schlechten Dispersion der Fasern und einer uneinheitlichen Verteilung der Fasern in dem Zementgemisch. Diese Nachteile sind größtenteils auf den hydrophilen Charakter von Zellulosefasern zurückzuführen. Es versteht sich im allgemeinen, daß Zellulosefasern in erster Linie Polysaccharide sind, die aus fünf oder sechs Kohlenstoffzuckern mit mehreren funktionellen Hydroxyl- und Carboxylgruppen bestehen. Diese funktionellen Gruppen verleihen Zellulosefasern eine starke Neigung zur Bildung von Wasserstoffbindungen innerhalb der Fasern und zwischen den Fasern. Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern führen oft zur Bildung von Faserklumpen oder -clustern. Es ist schwierig, die Fasercluster in einem zementartigen Gemisch zu dispergieren, selbst wenn das Verfahren der Stoffauflösung im Hydrapulper und Verfeinerungsverfahren verwendet werden, wie sie in dem australischen Patent Nr. 515151 beschrie ben sind. Diese Fasercluster sind in trockenen und halb-trockenen Verfahren, wie Extrusion, Preßformen, Magnani-Verfahren und Gießen, sogar noch schwieriger zu dispergieren. Darüber hinaus fördern Wasserstoffbindungen zwischen verschiedenen Hydroxylgruppen der gleichen Faser wahrscheinlich das Kräuseln der Fasern oder die Bildung von Faserbällen, was auch zu einer geringeren Faserverstärkungseffizienz führen kann.
Wenn die Fasern beim Vorgang des Plattenformens getrocknet werden, sind die Wasserstoffbindungen innerhalb von und zwischen Zellulosemolekülen beispielsweise ausreichend stark, so daß eine vollständige Dispersion oder Zerfaserung der getrockneten Fasern mit mechanischen Mitteln überaus schwierig zu erzielen ist. Die Verwendung schlecht dispergierter oder in Einzelfasern zerlegter Fasern in Faserzementverbundstoffmaterialien führt für gewöhnlich zu einer ungleichmäßigen Faserverteilung und einer geringeren Verstärkungseffizienz, was wiederum eine geringere Festigkeit, Zähigkeit und Belastbarkeit des Faserzementendprodukts verursachen kann. Um daher ein bestimmtes Niveau der Verstärkung zu erzielen, sind im wesentlichen mehr Fasern erforderlich, um die ungleichmäßige Faserverteilung in der zementartigen Matrix auszugleichen, was wiederum die Materialkosten signifikant erhöhen kann.
Eine Reihe von Dokumenten des Standes der Technik offenbaren Verfahren zur Verbesserung der Dispersion von Fasern in einer zementartigen Matrix. Diese Dokumente sind jedoch allesamt auf die Verwendung von mechanischer Wirkung zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den Fasern gerichtet. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 3,753,749 von Nutt das Mahlen oder sonstige mechanische Vorbereiten der Fasern im Voraus, so daß die Fasern in einem Betongemisch einheitlich verteilt werden können. Das US-Patent Nr. 5,989,335 von Soroushian offenbart die Verwendung von mechanischer Wirkung, um die Bindungen zwischen Fasern zu reduzieren, so daß die Fasern in konventionellen Betongemischen dispergiert werden können. Ein Nachteil bei der Verwendung mechanischer Mittel, um die Bindung zwischen Fasern aufzubrechen, besteht darin, daß, sobald die mechanisch dispergierten Fasern in das Betongemisch eingebracht wurden, sich erneut Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern bilden können und dazu führen, daß die Fasern in dem Gemisch wieder Cluster bilden.
In der Papierindustrie wurde einige Forschung auf die chemische Behandlung von Zellulosefasern gerichtet, um die Zerfaserungsenergie, die erforderlich ist, um den Faserstoffbrei in Einzelfasern zu zerlegen, zu reduzieren. Da typischerweise eine hohe Energie erforderlich ist, um Faserstoffbrei mit starken Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern zu zerfasern, wurden Anstrengungen unternommen, die Wasserstoffbindungen zwischen Fasern in dem Faserstoffbrei zu reduzieren, indem organische und/oder anorganische Chemikalien, die als Ablösemittel bezeichnet werden, zugegeben werden, um die benötigte Zerfaserungsenergie zu reduzieren. Die Ablösemittel sind typischerweise oberflächenaktive Stoffe, können jedoch auch anorganische Füllstoffe sein. Diese behandelten Fasern wurden primär für Anwendungen auf dem Gebiet der Herstellung von Windeln und Monatsbinden entwickelt.
Bislang wurden diese chemisch behandelten Fasern ausschließlich in der Papierindustrie verwendet, um die Zerfaserungsenergie während Zerfaserungsvorgängen, wie Hammermahlen, zu reduzieren. Es gab keinerlei Motivation, diese chemisch behandelten Fasern zu verwenden, um die Dispersion von Fasern zu verbessern, da die Faserdispersion der papierherstellenden Industrie im allgemeinen keine Besorgnis bereitet, weil die Mehrzahl der Papierherstellungsverfahren, wie Langsieb-, Zylinder-(Hatschek-) und Doppeldrahtverfahren, stark verdünnte Faseraufschlämmungen verwenden. Die Konsistenz der Fasern in diesen Aufschlämmungen liegt typischerweise zwischen etwa 0,01% und 4%. Bei solch geringen Konsistenzen bricht Wasser den größten Teil der Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern auf, während die verbleibenden Fasercluster unter Verwendung mechanischer Mittel, wie Stoffauflösung im Hydrapulper, Pumpen, Entstippen und Refinen, leicht dispergiert werden können.
Eine schlechte Dispersion von Fasern stellt bei der Herstellung von faserverstärkten Zementverbundstoffmaterialien nach wie vor ein ernstzunehmendes Problem dar, insbesondere wenn lange Fasern in einem trockenen oder halb-trockenen Verfahren verwendet werden, bei dem eine Dispersion von Fasern noch schwieriger zu erzielen ist. Das Faserzementgemisch hat in einem trockenen oder halb-trockenen Verfahren, wie Extrusions-, Gieß- oder Preßformverfahren, typischerweise einen Feststoffgehalt von etwa 30 bis 80 Gewichts-%. Bei derart hohen Feststoffkonzentrationen kann eine Faserdispersion nicht durch Verdünnen, Löslichmachen oder Schütteln erzielt werden. Folglich führen schlecht dispergierte Faserbündel oder -cluster häufig zu schweren Fehlern im Endprodukt, einschließlich eines signifikanten Verlusts von mechanischen Eigenschaften. Die hohe Basizität des wäßrigen Faserzementsystems (pH-Wert üblicherweise größer als 10) fördert auch die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern, was dazu führen kann, daß die Fasern in einem zementartigen Gemisch schwieriger zu dispergieren sind als in den meisten konventionellen Papierherstellungssystemen, bei denen die Faserstoffbreiaufschlämmung typischerweise unter sauren oder neutralen Bedingungen stattfindet.
Dementsprechend besteht ein Bedarf nach einer Faser, die leicht dispergiert und in faserverstärkten Verbundstoffbaumaterialien einheitlich verteilt werden kann. Es besteht auch ein Bedarf nach einem faserverstärkten Baumaterial mit verbesserter Faserverteilung und Verstärkungseffizienz und Materialformulierungen und Verfahren zu deren Herstellung.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Baumaterial mit darin aufgenommenen Fasern bereitgestellt, wobei die Fasern Zellulosefasern sind, wobei wenigstens ein Teil der Fasern wenigstens teilweise mit einem Dispergiermittel behandelt wurde, um chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit zu bilden, und wobei das Dispergiermittel Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche bindet, um die Bildung von Bindungen zwischen Hydroxylgruppen verschiedener Fasern wesentlich zu hemmen, wodurch die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen Fasern wesentlich reduziert wird, so daß die chemisch behandelten Fasern in dem Baumaterial leichter dispergiert werden können.
In einer Ausführungsform werden die Fasern wenigstens teilweise mit einem Dispergiermittel behandelt, so daß die Fasern in einem Gemisch selbst nach mechanischem Mischen der Fasern im wesentlichen dispergiert bleiben können, wodurch das Auftreten erneuter Clusterbildung oder von Verklumpen der Fasern in dem Gemisch wesentlich reduziert wird. Vorzugsweise bindet das Dispergiermittel Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche, so daß die Bildung von Bindungen zwischen Hydroxylgruppen verschiedener Fasern wesentlich gehemmt wird, wodurch die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen Fasern wesentlich reduziert wird. In einer Ausführungsform blockiert das Dispergiermittel die Hydroxylgruppen physikalisch, so daß die Hydroxylgruppen im wesentlichen daran gehindert werden, Bindungen mit Hydroxylgruppen anderer Fasern und/oder an verschiedenen Stellen in derselben Faser zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform umfaßt das Dispergiermittel wenigstens eine funktionelle Gruppe, die chemisch an die Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche bindet, und zwar in einer solchen Weise, daß die Hydroxylgruppen im wesentlichen daran gehindert werden, Bindungen mit Hydroxylgruppen anderer Fasern und/oder anderen Hydroxylgruppen in derselben Faser zu bilden. Die Dispergiermittel können ohne Beschränkung hierauf organische und/oder anorganische Chemikalien, wie oberflächenaktive Stoffe und Auflösemittel, die die Faseroberfläche hydrophober und damit in einer wäßrigen Umgebung besser dispergierbar machen, umfassen.
Eine bevorzugte Formulierung eines Baumaterials, das gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, umfaßt ein zementartiges Bindemittel, vorzugsweise Portland-Zement, ein Aggregat, vorzugsweise Quarz, welcher fein gemahlen werden kann, wenn er autoklaviert werden soll, Zellulosefasern, wobei wenigstens einige der Zellulosefasern Oberflächen haben, die wenigstens teilweise mit einem Dispergiermittel behandelt wurden, um die Oberflächen hydrophob und die Fasern besser dispergierbar zu machen, und ein oder mehrere Additive. In einer Ausführungsform umfaßt das Dispergiermittel eine hydrophile funktionelle Gruppe und eine hydrophobe funktionelle Gruppe, wobei die hydrophile Gruppe in der Gegenwart von Wasser oder einem organischen Lösungsmittel in einer solchen Weise dauerhaft oder vorübergehend an Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche bindet, daß die Hydroxylgruppen im wesentlichen daran gehindert werden, an andere Hydroxylgruppen zu binden. Die hydrophobe Gruppe ist auf der Faseroberfläche angeordnet und stößt Wasser und andere behandelte hydrophobe Fasern davon ab. Vorzugsweise machen die Dispergiermittel von etwa 0,001% bis 20% des Ofentrocknungsgewichts der Fasern aus. In einer Ausführungsform umfassen die Zellulosefasern vereinzelte Fasern, wobei das Lignin der Fasern chemisch entfernt wurde.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Baumaterials bereitgestellt, welches folgendes umfaßt: Mischen von Fasern, die mit einem Dispergiermittel chemisch behandelt wurden, mit einem Bindemittel und anderen Inhaltsstoffen unter Bildung eines Gemischs, wobei die Fasern Zellulosefasern sind und wobei das Dispergiermittel Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche bindet, so daß eine Bindung zwischen Hydroxylgruppen verschiedener Fasern im wesentlichen gehemmt wird, wodurch die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern wesentlich reduziert wird, so daß die chemisch behandelten Fasern leichter in dem Baumaterial dispergiert werden können, Formen des Gemischs zu einem Gegenstand mit einer zuvor ausgewählten Form und Größe, und Härten des Gegenstands, um ein faserverstärktes Verbundstoffbaumaterial zu bilden.
Ein bevorzugtes Verfahren umfaßt die Bereitstellung von Zellulosefasern und das Behandeln wenigstens eines Teils der Zellulosefasern mit einem Dispergiermittel. Das Dispergiermittel blockiert wenigstens einige der funktionellen Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche physikalisch und/oder bindet chemisch an diese, wodurch die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern wesentlich reduziert wird und die Fasern in einem Gemisch leichter dispergierbar werden. In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Zellulosefasern chemisch behandelten Papierstaubbrei, der in der Papierindustrie zu Zwecken einer Reduzierung der Zerfaserungsenergie verwendet wird. Die chemisch behandelten Fasern besitzen eine verbesserte Dispergierbarkeit und sind mit einem zementartigen Bindemittel und anderen Inhaltsstoffen gemischt, wodurch ein Faserzementgemisch gebildet wird. Das Faserzementgemisch wird zu einem Faserzementgegenstand mit zuvor ausgewählter Form und Größe geformt. Der Faserzementgegenstand wird gehärtet, um so das faserverstärkte Verbundstoffbaumaterial zu bilden.
Einige der obigen Stufen können ausgelassen werden, oder es können zusätzliche Stufen verwendet werden, je nach der bestimmten Anwendung. Die Stufe der Behandlung der Fasern mit einem Dispergiermittel umfaßt vorzugsweise das Behandeln der Fasern mit anorganischen Verbindungen, organischen Verbindungen oder Kombinationen davon unter Verwendung von Techniken, die Trockensprühen oder Lösungsbehandlung umfassen, wenngleich auch andere Verfahren zum Aufbringen von Dispergiermitteln praktikabel sind, wie beispielsweise Beschichten und Imprägnieren. In einer Ausführungsform wird jede dieser Techniken bevorzugt in der Gegenwart von Wasser oder einem organischen Lösungsmittel durchgeführt. Vorzugsweise umfaßt die Stufe des Mischens der chemisch behandelten Fasern mit Inhaltsstoffen unter Bildung eines Faserzementgemischs das Mischen der chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit mit nicht-zellulosen Materialien, wie zementartigem Bindemittel, Aggregat und Zusatzstoffen gemäß hier beschriebenen bevorzugten Formulierungen. In einer weiteren Ausführungsform können die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit auch mit konventionellen unbehandelten Zellulosefasern, Papierstaubfasern und/oder natürlichen anorganischen Fasern und/oder synthetischen Fasern zusammen mit anderen Inhaltsstoffen gemischt werden. Die Herstellungsverfahren können irgendeine der bestehenden Techniken sein, wie z.B. Extrusion, Preßformen, Gießen, Spritzgießen, Mehrdrahtformen und Hatschek-Verfahren usw.
Die Verwendung der chemisch behandelten Fasern der bevorzugten Ausführungsformen verbessert die Faserdispersion und die Verstärkungseffizienz in dem Baumaterial, was wiederum die wichtigsten mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Materials verbessert. In einer Ausführungsform erhöht die Aufnahme der chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in das Baumaterial den Bruchmodul (MOR) um mehr als 5% und/oder erhöht die Zähigkeit um wenigstens etwa 5%, bevorzugter um etwa 20%, und/oder erhöht die Belastbarkeit um mehr als etwa 5% und/oder erhöht die Zugfestigkeit in z-Richtung um wenigstens etwa 5%, bevorzugter um mehr als etwa 10% im Vergleich zu einem Baumaterial, das mit einer äquivalenten Formulierung ohne die chemisch behandelten Fasern hergestellt wurde. Darüber hinaus sind möglicherweise weniger Zellulosefasern zur Herstellung von Verbundstoffmaterialien mit im wesentlichen den gleichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften erforderlich, da chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit die Notwendigkeit der Hinzufügung zusätzlicher Fasern zu dem zementartigen Gemisch, um die Bildung von Faserklumpen oder -clustern zu kompensieren, umgeht. Diese und weitere Vorteile werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß einer Ausführungsform zur Behandlung von Fasern mit Dispergiermitteln in Lösung,
2 veranschaulicht beispielhafte Verfahrensabläufe gemäß mehreren Ausführungsformen zur Behandlung von Fasern mit Dispergiermitteln unter Verwendung eines Trockensprühverfahrens,
3 veranschaulicht einen beispielhaften Verfahrensablauf gemäß einer Ausführungsform zur Herstellung faserverstärkter Zementverbundstoffmaterialien, in die chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit aufgenommen sind,
4 ist ein Diagramm, welches wichtige mechanische und physikalische Eigenschaften von Faserzementbaumaterialien, die mit chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ausgestaltet sind, und Faserzementmaterialien, die mit konventionellen unbehandelten Fasern hergestellt sind, veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die chemische Behandlung von Zellulosefasern, um ihnen eine verbesserte Dispergierbarkeit zu verleihen, und die Verwendung dieser chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in zementartigen faserverstärkten Verbundstoffbaumaterialien. Die Verarbeitungsverfahren zur chemischen Behandlung der Fasern, um sie leichter dispergierbar zu machen, Formulierungen von Verbundstoffmaterialien unter Verwendung dieser chemisch behandelten Fasern und Verbesserungen der mechanischen und physikalischen Eigenschaften des abschließenden Verbundstoffmaterials werden ebenfalls beschrieben.
Chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit sind allgemein so definiert, daß sie Fasern beinhalten, die sich in einem Gemisch, wie einer zementartigen Matrix, leichter verteilen lassen und selbst nach Beendigung mechanischer Mischvorgänge im wesentlichen dispergiert bleiben. Im Gegensatz zu Fasern, die primär durch mechanische Mittel dispergiert werden, bleiben diese chemisch behandelten Fasern, wenn sie in ein Gemisch aufgenommen sind, in dem Gemisch im wesentlichen dispergiert, ohne daß es zu einer erneuten Cluster- oder Klumpenbildung kommt, sobald der Mischvorgang beendet wird.
Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit
In einer Ausführungsform betrifft diese Erfindung die Verwendung chemisch behandelter Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in zementartigen zellulosefaserverstärkten Baumaterialien. Die chemisch behandelten Fasern umfassen im allgemeinen Fasern, die mit einer oder mehreren chemischen Verbindungen (Dispergiermittel) behandelt wurden, die die Fasern daran hindern, Bindungen zwischen den Fasern auszubilden. In einer bevorzugten Ausführungsform binden die Dispergiermittel die funktionellen Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche entweder durch physikalisches Blockieren der Stelle oder durch chemische Bindung an die Hydroxylgruppen, so daß die Hydroxylgruppen im wesentlichen daran gehindert werden, Wasserstoffbindungen mit Hydroxylgruppen auf benachbarten Fasern zu bilden. Die Dispergiermittel können sowohl auf lange als auch auf kurze Zellulosefasern aufgebracht werden, um den Fasern eine verbesserte Dispergierbarkeit zu verleihen. Lange Fasern werden hier als Fasern definiert, die eine auf den Längenmittelwert bezogene mittlere Länge von mehr als etwa 1 mm haben, und kurze Fasern werden als Fasern definiert, die eine auf den Längenmittelwert bezogene mittlere Länge von weniger als etwa 1 mm haben. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf Fasern mit einer auf den Längenmittelwert bezogenen mittleren Länge von etwa 0,01 bis 7,0 mm angewandt werden, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.
Chemische Dispergiermittel und Zellulosefasern für die Faserbehandlung
Die zur Verbesserung der Dispergierbarkeit von Fasern ausgewählten Chemikalien sind vorzugsweise Chemikalien, die die Faseroberfläche hydrophober machen und/oder die das Auftreten von Bindungen zwischen Fasern signifikant reduzieren können, wodurch die Fasern wesentlich leichter dispergierbar gemacht werden. In einer Ausführungsform haften die Dispergiermittel in einer solchen Weise an der Faseroberfläche an, daß die Dispergiermittel die Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche physikalisch daran hindern, mit benachbarten Fasern in Kontakt zu treten, wodurch die Effekte der Wasserstoffbindung zwischen Hydroxylgruppen auf benachbarten Fasern signifikant abgeschwächt werden. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Dispergiermittel funktionelle Gruppen, die chemisch an Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche binden, so daß die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen Hydroxylgruppen verschiedener Fasern gehemmt wird. Chemikalien, die in dem Faserbehandlungsverfahren ge mäß den bevorzugten Ausführungsformen als Dispergiermittel verwendet werden können, umfassen die folgenden, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein:

• Polyaminverbindungen,
• kationische quaternäre Aminverbindungen, einschließlich Alkyltrimethylquaternäre Ammoniumsalze, Dialkyldimethyl-quaternäre Ammoniumsalze, Benzylalkylchloride, ethoxylierte quaternäre Ammoniumsalze, propoxylierte quaternäre Ammoniumsalze usw.,
• kationische, anionische und nichtionische oberflächenaktive Stoffe,
• Kombinationen von kationischen und nichtionischen oberflächenaktiven Stoffen oder von anionischen und nichtionischen oberflächenaktiven Stoffen,
• kommerziell erhältliche Chemikalien, die in der Papierindustrie allgemein bekannt sind, wie Papierstaubbrei-Auflösemittel, wie: Berocell 587K, 584, 509, 509HA und 614 von EKA Chemicals Inc., Marietta, GA; EMCOL CC-42 von Witco Chemicals Inc., Greenwich, Connecticut; und Quaker 3190 und 2028 von Hercules Inc., Kalamazoo, Michigan,
• Alkylalkoxysilan, Alkoxylsilan und Halogenidorganosilan.

Zusätzlich können in dem bevorzugten Faserbehandlungsverfahren auch andere kommerziell erhältliche Chemikalien, wie oberflächenaktive Stoffe und Auflösemittel, als Dispergiermittel auf die Fasern aufgebracht werden. Es versteht sich, daß die obige Auflistung chemischer Verbindungen lediglich Beispiele von Substanzen veranschaulicht, die zur Behandlung der Fasern verwendet werden können, um ihnen eine verbesserte Dispergierbarkeit zu verleihen. Das Dispergiermittel kann auch jede andere geeignete organische oder anorganische Verbindung oder Kombinationen davon sein, je nach den bestimmten Merkmalen, die für die spezifische Anwendungsform des Faserzementmaterials benötigt werden.
Zellulosefasern, die für die chemische Behandlung mit einem Dispergiermittel verwendet werden, können durch verschiedene Aufschlußverfahren hergestellt werden. In dem Aufschlußverfahren werden Holz oder andere lignozellulose Rohmaterialien, wie Kenaf, Stroh und Bambus usw., auf eine faserige Masse reduziert, indem die Bindungen innerhalb der Strukturen der lignozellulosen Materialien aufgebrochen werden. Dies kann chemisch, mechanisch, thermisch, biologisch oder durch Kombinationen dieser Behandlungen bewerkstelligt werden. Auf Basis der in dem Verfahren verwendeten Chemikalien werden die chemischen Aufschlußverfahren als Soda-, Kraft-, Kraft-AQ-, Soda-AQ-, Sauerstoff-Delignifizierungs-, Kraft-Sauerstoff-, Lösungsmittelverfahren und Sulfitaufschluß-, Dampfexplosions- oder irgendwelche anderen Aufschlußtechniken klassifiziert. In einigen Ausführungsformen werden Zellulosefasern in einzelne Fasern getrennt, indem die Bindungen zwischen Lignin und zellulosen Komponenten aufgebrochen werden. Lignin, welches als Klebstoff dient, der Zellulose und Hemizellulose zusammenhält, um mechanische Festigkeit in dem Holz bereitzustellen, wird durch chemische Reaktionen aufgebrochen und gelöst. Diese chemischen Reaktionen zum Vereinzeln der Fasern können in einem Reaktor, oft bezeichnet als Aufschlußreaktor, bei einer hohen Temperatur von etwa 150 bis 250°C für etwa 30 Minuten bis 3 Stunden durchgeführt werden.
Die für die Dispergiermittelbehandlung verwendeten Zellulosefasern können nicht-feingemahlene/nicht-fibrillierte oder feingemahlene/fibrillierte Zellulosefaserstoffbreie aus Quellen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf gebleichten, ungebleichten, halb-gebleichten Zellulosebrei, hergestellt durch verschiedene Aufschlußtechniken, sein. Die Zellulosebreie können aus Weichholz, Hartholz, landwirtschaftlichen Rohmaterialien, recyceltem Abfallpapier oder irgendeiner anderen Form von lignozellulosen Materialien hergestellt sein.
Des weiteren können die verwendeten Zellulosefasern technische Zellulosefasern sein, wie z.B. beladene Fasern, wie sie beschrieben sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel FIBER CEMENT COMPOSITE MATERIALS USING CELLULOSE FIBERS LOADED WITH INORGANIC AND/OR ORGANIC SUBSTANCES, Veröffentlichungsnr. US 20020088584 , eingereicht am 2. Oktober 2001, und/oder geleimte Fasern, wie sie beschrieben sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel FIBER CEMENT COMPOSITE MATERIALS USING SIZED CELLULOSE FIBERS, Veröffentlichungsnr. US 20020059886 , eingereicht am 2. Oktober 2001, und/oder mit Biozid behandelte Fasern, wie sie beschrieben sind in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel FIBER CEMENT COMPOSITE MATERIALS USING BIOCIDE TREATED DURABLE CELLULOSE FIBERS, Veröffentlichungsnr. 20020069791, eingereicht am 2. Oktober 2001.
Faserbehandlung
Es können verschiedene Verfahren verwendet werden, um Zellulosefasern mit einem oder mehreren Dispergiermitteln zu behandeln. Ein bevorzugtes Faserbehandlungsverfahren umfaßt im allgemeinen die folgenden Stufen, die in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden:

• Faserdispersion/-zerfaserung,
• Fibrillierung (mechanisches Mittel zum Vergrößern der Faseroberfläche),
• Faserkonditionierung (Entwässern, Trocknen oder Verdünnen),
• Behandlung mit einem oder mehreren Dispergiermitteln,
• Entfernen von restlichen/überschüssigen Dispergiermitteln und
• Konditionieren der chemisch behandelten Fasern (Trocknen, Anfeuchten oder Dispergieren).

Einige dieser Stufen können ausgelassen werden, oder es können einige andere Stufen wünschenswert sein.
Das Faserbehandlungsverfahren kann auf verschiedene Weisen ausgeführt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Behandlungen in wäßrigen oder organischen Lösungsmittellösungen und/oder Behandlungen durch Vakuum- oder Drucksprühen des Dispergiermittels auf getrocknete oder nasse Zellulosefasern.
Faserbehandlung in Lösung
1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines bevorzugten Faserbehandlungsverfahrens 100, das in Lösung durchgeführt wird. Das Verfahren 100 beginnt mit Stufe 102, in der unbehandelte Zellulosefasern dispergiert, zerfasert (vereinzelt) und/oder fibrilliert werden. Die Fasern werden in dieser Stufe durch mechanisches Aufbrechen wenigstens einiger der Bindungen zwischen den Fasern, um die Fasern voneinander zu trennen, dispergiert. Diese Stufe 102 des Dispergierens verleiht den Fasern jedoch typischerweise keine ausreichende Dispergierbarkeit, so daß die Fasern im wesentlichen einheitlich verteilt bleiben, wenn sie in eine zementartige Matrix aufgenommen werden. Wenigstens einige der Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern, die während dieser Dispersionsstufe 102 durch mechanische Wirkung aufgebrochen werden, bilden sich in einem Gemisch tendenziell neu, sobald der mechanische Mischvorgang endet, was dazu führt, daß die Fasern in dem Gemisch wieder Cluster bilden oder zusammenklumpen.
Weiterhin kann das Vereinzeln von Fasern in einem chemischen Aufschlußverfahren stattfinden. Alternativ dazu versteht es sich, daß beim Ausführen dieses bevorzugten Herstellungsverfahrens der Schritt des chemischen Aufschließens möglicherweise nicht notwendig ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die chemische Vereinzelung von Fasern oft durch den Faserhersteller vorgenommen wird, der dann die Fasern dem Käufer auf standardmäßigen Zellstoffbahnen oder -rollen liefert. Das Verfahren 100 kann auch auf Fasern angewandt werden, die nicht chemisch vereinzelt wurden. So umfaßt in einer Ausführungsform die Vereinzelung solcher Fasern lediglich das mechanische Trennen der Fasern von den Bahnen oder Rollen, wie z.B. durch Hammermahlen oder andere Verfahren.
In einer Ausführungsform werden die unbehandelten Zellulosefasern in trockener Form (Platten und Rollen) oder in nasser Form (nasse Platten und in Behältern) aufgenommen. Vorzugsweise werden die unbehandelten Fasern in einer Konsistenz von etwa 1%-6% unter Bildung einer Faserbreiaufschlämmung in einem Hydrapulper mechanisch dispergiert, wodurch es auch zu etwas Fibrillierung kommt. Eine weitere Fibrillierung kann unter Verwendung eines Refiners oder einer Reihe von Refinern erzielt werden. Sobald sie dispergiert sind, werden die Fasern dann auf einen Entwässerungsgrad von etwa 0 bis 800 Grad Canadian Standard Freeness (CSF), bevorzugter etwa 100 bis 700 Grad CSF fibrilliert. Die Dispersion und die Fibrillierung können auch durch andere Techniken, wie beispielsweise durch Entstippen, Mahlen und Zerfasern, erzielt werden. Die Verwendung chemisch behandelter Fasern ohne extensives Fibrillieren ist für einige Produkte und Verfahren jedoch ebenfalls akzeptabel oder wird sogar bevorzugt.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform setzt das Verfahren 100 im Anschluß an das Dispergieren der Fasern in Stufe 102 mit Stufe 104 fort, bei der fibrillierte oder nicht-fibrillierte Fasern in Form von Aufschlämmungen dann unter Verwendung von Preßfiltration, Vakuumfiltration oder kontinuierlicher Zentrifugation auf einen gesamten Feststoffgehalt von etwa 2% bis 50% entwässert werden. Weiteres Entwässern der Fasern kann durch Verdampfungs trocknen im Vakuum, Flash-Trocknen, Gefriertrocknen, Ofentrocknen bei niedrigen Temperaturen und andere Trocknungstechniken, die die Integrität der Fasern nicht signifikant beschädigen, erfolgen. In einer Ausführungsform werden die entwässerten Fasern in einem Reaktorgefäß unter Verwendung von Verteilern, Mischern oder Hydrapulpern jeglicher Art gründlich gemischt. Wie es in 1 gezeigt ist, kann das Wasser aus der Entwässerungsstufe 104 wieder zu der Wasseranlage 104a zurückgeleitet und zu Stufe 102 zurückgeführt werden.
Das Verfahren 100 setzt dann mit Stufe 106 fort, wobei Behandlungsreaktionen mit Dispergiermittel durchgeführt werden. Vorzugsweise werden vorbereitete Dispergiermittel unter konstantem Schütteln und Mischen zu dem Reaktor zugegeben. In einer Ausführungsform umfassen die Dispergiermittel oberflächenaktive Stoffe, wie quaternäres Amin, Polyamin und Kombinationen davon. Vorzugsweise beträgt die Menge an Dispergiermitteln bis zu etwa 20% der ofengetrockneten Masse des Zellulosebreis. Vorzugsweise binden die Dispergiermittel die Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche, so daß die Hydroxylgruppen daran gehindert werden, Wasserstoffbindungen mit Hydroxylgruppen auf benachbarten Fasern zu bilden. Die Schwächung von Wasserstoffbindungen zwischen Fasern und/oder die Bildung einer hydrophoben Wolke, welche die mit oberflächenaktivem Stoff behandelten Fasern umgibt, machen die Fasern in Lösung leichter dispergierbar, und es wird verhindert, daß die Fasern Cluster bilden, sobald der mechanische Mischvorgang beendet wird. Die Reaktorsysteme sind jedoch vorzugsweise mit einigen Arten von Schüttelvorrichtungen ausgestattet, um ein gutes Mischen sicherzustellen.
Die Behandlungsreaktionen mit Dispergiermitteln können bei Umgebungstemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur von bis zu etwa 250°C, bevorzugter unterhalb von 150°C, durchgeführt werden. Die Retentionszeit variiert in Abhängigkeit von dem bestimmten Dispergiermittel, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von etwa 30 Sekunden bis 24 Stunden. Diskontinuierliche oder kontinuierliche Reaktoren jeder Art können verwendet werden, jedoch sind kontinuierliche oder halb-kontinuierliche Tankreaktoren oder Pfropfenströmungsreaktoren für die Faserbehandlung in dieser Ausführungsform bevorzugt.
Nachdem eine vorbestimmte Retentionszeit erreicht wurde, können in Stufe 108 des Verfahrens 100 die Dispergiermittelreste mittels Zentrifugation oder Filtration abgetrennt und entfernt werden. In einer Ausführungsform werden die Dispergiermittelreste rezykliert und erneut verwendet. Nach der Reaktion werden die Fasern vorzugsweise in einem Ofen bei niedriger Temperatur, durch Vakuumverdampfung und andere nicht-destruktive Trocknungstechniken getrocknet. Die behandelten Fasern werden dann in Stufe 110 in Faserzementverbundstoffmaterialien aufgenommen.
Tabelle 1: Bedingungen der Dispergiermittelbehandlung einiger Ausführungsformen
Tabelle 1 liefert Beispiele von Reaktionsbedingungen des oben beschriebenen Faserbehandlungsverfahrens 100. An den hier dargestellten Ausführungsformen können jedoch verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.
Faserbehandlung durch Trockensprühen
2 veranschaulicht verschiedene Ausführungsformen der Faserbehandlung durch Trockensprühen. Das Verfahren 200 beginnt mit Stufe 202, bei der Rohmaterialien auf die Behandlung vorbereitet werden. Die unbehandelten Fasern können in verschiedenen Formen bezogen werden, wie beispielsweise als Faserstoffbreibahnen (Platten) in Ballen 202a, Faserstoffbreiplatten in Rollen 202b, (durch Hammermahlen oder Zerfasern) zerfaserte Fasern in Ballen, Behältern oder Silos 202c, fibrillierte (feingemahlene) trockene oder halb-trockene Fasern in Ballen, Silos oder Behältern 202d und anderen trockenen Formen von Zellulosefasern.
Wie es in 2 gezeigt ist, werden in der Stufe der Behandlung von Faserstoffbreien in Form von Rollen oder Bahnen/Platten 202a und 202b Dispergiermittel auf Zellulosefasern gesprüht, wie es in den Stufen 204a und 204b gezeigt ist. Die Dispergiermittel können vor, während oder nach dem Zerfaserungsvorgang mit Molekülen auf der Faseroberfläche reagieren. Bei diesen Sprühsystemen können die Dispergiermittel verdampft werden, und die verdampften Chemikalien können unter Druck gesetzt werden, so daß ausreichende Sprühgeschwindigkeiten bereitgestellt werden. Einige Trägergase können zum Sprühen der Dispergiermittel in Latexemulsionen verwendet werden. Vorzugsweise werden die Düsen so ausgewählt, daß sie die feinstmöglichen Sprühteilchen erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Behandlung werden Dispergiermittel auf Faserstoffbreibahnen, -rollen oder -platten aufgebracht, indem die Faserstoffbreibahnen in Lösungen der Dispergiermittel eingetaucht werden. Nach einer vorbestimmten Retentionszeit, um die Dispergiermittel mit den Fasern reagieren zu lassen, werden die Faserstoffbreie dann unter Verwendung von Techniken, wie Hammermahlen, Zerfasern, Walzenmahlen, Entstippen oder Feinmahlen, vereinzelt oder zerfasert. Dispergiermittelreaktionen und Zerfaserung können auch gleichzeitig erfolgen, indem die Chemikalien während der Zerfaserungsprozesse auf die Fasern gesprüht werden. Wie aus 2 weiterhin ersichtlich ist, werden bei der Behandlung von zerfaserten Fasern 202c Dispergiermittel auf die zerfaserten Fasern gesprüht, wie es in Stufe 204c gezeigt ist. Die Dispergiermittelreaktionen laufen in einem Reaktor unter kräftigem Schütteln/Mischen ab. Die Dispergiermittelbehandlung kann auch in Systemen wie Flash-Trocknern, Hammermühlen, konventionellen Harzaufbringungskammern oder Reaktoren mit geschlossenen Mischtanks durchgeführt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform können fibrillierte Zellulosefasern in trockener Form in der Faserbehandlung 204d verwendet werden. Bei der Herstellung trockener fibrillierter Fasern wird Zellulosebrei unter Verwendung konventioneller Hydrapulper, Faserstoffbreirefiner oder Entstipper verfeinert. Die fibrillierten Fasern werden dann unter Verwendung von Techniken wie Flash-Trocknen und Lufttrocknen entwässert und/oder getrocknet. Die nassen oder trockenen fibrillierten Fasern werden dann mit gewünschten Dispergiermitteln in einem Reaktor in Kontakt gebracht. Die Dispergiermittelbehandlung dieser Ausführungsformen kann bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur unter Atmosphären- oder erhöhtem Druck erfolgen. Die Retentionszeit für die Behandlung kann variieren, um dem Prozeß und der Ausrüstung Rechnung zu tragen, und beträgt bevorzugt 30 Sekunden bis 24 Stunden. Die Menge der Dispergiermittel liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,001% bis 20% von ofengetrockneten Fasern. Die Reaktionstemperatur kann bis zu 250°C betragen und liegt vorzugsweise unterhalb von etwa 150°C.
Wie es in 2 gezeigt ist, werden die behandelten Fasern anschließend in Stufe 206 konditioniert. Die behandelten Fasern können unter Verwendung von Techniken wie Trocknen, Befeuchten und Dispergieren konditioniert werden. Nach dem Konditionieren der Fasern werden die Fasern weiter verarbeitet. Die mit einem Dispergiermittel chemisch behandelten Fasern werden dispergiert oder fibrilliert. In einigen Fällen ist eine Fibrillierung möglicherweise nicht erforderlich. Die chemisch behandelten Fasern werden dann bei der Herstellung von Faserzementverbundstoffmaterialien in Stufe 208 mit aufgenommen.
Die Dispergiermittel können auch direkt im Verfahren zur Herstellung von Faserzementverbundstoffmaterialien verwendet werden, wie es unten ausführlicher beschrieben wird. Vorzugsweise werden die Dispergiermittel vor dem Mischen mit anderen Inhaltsstoffen zu den Fasern zugegeben. In einigen Ausführungsformen sind die Zellulosefasern, die zur Herstellung chemisch behandelter Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit verwendet werden, vereinzelte Zellulosefasern mit teilweiser oder vollständiger Entfernung von Ligninkomponenten aus den Zellwänden der Fasern. In anderen Ausführungsformen sind die verwendeten Zellulosefasern keine vereinzelten Zellulosefasern, in denen die Ligninkomponenten intakt bleiben.
Alternativ zur Behandlung der Fasern unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren, um ihnen eine verbesserte Dispergierbarkeit zu verleihen, können auch einige kommerziell erhältliche behandelte Zellstoffaserbreie, die zur Verwendung in der Papierindustrie für die Anwendung in Windeln, Monatsbinden, Krankenhausunterlagen und Einweg-Zellstoffprodukten bestimmt sind, als Fasern in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwen det werden. Diese behandelten Faserstoffbreie, die in der Papierindustrie verwendet werden und typischerweise als behandelte Zellstoffaserbreie bekannt sind, enthalten Auflösemittel, die die Bindungen zwischen den Fasern und innerhalb der Fasern schwächen, so daß eine bessere Zerfaserung des Faserstoffbreis mit weniger Energie bewerkstelligt werden kann. Obwohl diese behandelten Zellstoffaserbreiprodukte ausschließlich in der Papierindustrie verwendet wurden, um die Zerfaserungsenergie zu reduzieren, hat die Anmelderin herausgefunden, daß einige dieser Faserstoffbreie zur Verwendung in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgestaltet werden können, um die Dispergierbarkeit und die Verstärkungseffizienz der Fasern in einer zementartigen Matrix zu verbessern. Diese kommerziellen Faserstoffbreiprodukte umfassen die folgenden, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein:

• Golden Isles EE-100 Grad 4822, 4825, 4839 von Georgia Pacific Co., Atlanta, Georgia,
• NF401, NF405 und CF405 von Weyerhauser Co., Tacoma, Washington,
• Rayfloc-J-MX-E von Raynoier, Jesup, Florida, und
• Georgetown Supersoft Plus von International Paper Co., Tuxedo, New York.

Formulierung zur Herstellung von faserverstärkten Zementmaterialien unter Verwendung von chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit
Mehrere der hier beschriebenen Ausführungsformen können von der folgenden Formulierung umfaßt sein:

• etwa 10-80 Gewichts-% Zement (hydraulisches Bindemittel)
• etwa 20-80 Gewichts-% Quarz (Aggregat)
• etwa 0-50 Gewichts-% Dichtemodifizierer
• etwa 0-10 Gewichts-% Additive und
• etwa 0,5-20, bevorzugter etwa 4-12 Gewichts-%, chemisch behandelte Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit oder eine Kombination aus chemisch behandelten Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit und/oder regulären Fasern und/oder natürlichen anorganischen Fasern und/oder synthetischen Fasern.

Das zementartige Bindemittel ist vorzugsweise Portland-Zement, kann jedoch auch Tonerdezement, Kalk, Zement mit hohem Phosphatgehalt und gemahlener, granulierter Hochofenzement oder Gemische davon sein, ohne hierauf beschränkt zu sein. Das Aggregat ist vorzugsweise gemahlener Quarzsand, kann aber auch amorpher Quarz, Mikroquarz, Quarzstaub, Kieselgur, Flugasche und Bodenasche der Kohleverbrennung, Reisschalenasche, Hochofenschlacke, granulierte Schlacke, Stahlschlacke, Mineraloxide, Mineralhydroxide, Tone, Magnasit oder Dolomit, Metalloxide und -hydroxide und Polymerkügelchen oder Gemische davon sein, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Die Dichtemodifizierer können organische und/oder anorganische leichtgewichtige Materialien sein. Die Dichtemodifizierer können Kunststoffmaterialien mit Hohlräumen, Glas- und Keramikmaterialien, Calciumsilikathydrate, Mikrokügelchen und Vulkanaschen, einschließlich Perlit, Bimsstein, Shirasu-Ballone und Zeolithe in expandierter Form sein. Die Dichtemodifizierer können natürliche oder synthetische Materialien sein. Die Additive können die folgenden umfassen, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein: Viskositätsmodifizierer, feuerhemmende Stoffe, Wasserdichtmacher, Quarzstaub, geothermischer Quarz, Verdickungsmittel, Pigmente, Farbstoffe, Weichmacher, Formungsmittel, Flockungsmittel, Drainagehilfen, nasse und trockene Verstärkungsmittel, Silikonmaterialien, Aluminiumpulver, Ton, Kaolin, Aluminiumoxidtrihydrat, Glimmer, Metakaolin, Calciumcarbonat, Wollastonit und Polymerharzemulsion oder Gemische davon.
Chemisch behandelte Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit können in einer Vielzahl von Verbundstoffmaterialien verwendet werden, die alle verschiedene Anteile an zementartigen Bindemitteln, Aggregaten, Fasern (chemisch behandelte und/oder konventionelle) und Additiven enthalten, um optimale Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung zu erzielen. In einer Ausführungsform enthält die Verbundstofformulierung etwa 0,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit. Weiterhin können die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit mit konventionellen nicht chemisch behandelten Fasern und/oder synthetischen Polymerfasern in verschiedenen Anteilen gemischt werden. Es versteht sich, daß der Prozentanteil an chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und/oder dem Verfahren variiert werden kann. Weiterhin kann auch der Anteil an zementartigem Bindemittel, Aggregat, Dichtemodifizierern und Additiven variiert werden, um optimale Eigenschaften für verschiedene Anwendungen zu erhalten, wie beispielsweise Bedachungen, Bodenplatten, Zäune, Straßenpflaster, Rohre, Verkleidungen, Zierleisten, Leibungen, Fliesenuntergrundplatten.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Baumaterial autoklaviert werden soll, eine geringere Menge an Zement in der Formulierung verwendet, in dem chemisch behandelte, leichter dispergierbare Zellulosefasern aufgenommen sind. Die Formulierung für die autoklavierten Faserzementverbundstoffmaterialien umfaßt in einer Ausführungsform folgendes:

• etwa 20-50 Gewichts-%, bevorzugter etwa 35 Gewichts-%, Zement,
• etwa 30-70 Gewichts-%, bevorzugter etwa 60 Gewichts-%, fein gemahlenen Quarz,
• etwa 0-50 Gewichts-% Dichtemodifizierer,
• etwa 0-10 Gewichts-%, bevorzugter etwa 5 Gewichts-%, Additive und
• etwa 0,5-20 Gewichts-% Fasern, bevorzugter etwa 4-12 Gewichts-%, Fasern, wobei ein bestimmter Prozentanteil, bis zu 100%, der Fasern Zellulosefasern sind, die mit Dispergiermitteln behandelt wurden, um die Hydrophobizität und damit die Dispergierbarkeit der Fasern zu steigern.

Alternativ kann für ein luftgehärtetes Produkt ein größerer Prozentanteil Zement verwendet werden, bevorzugter etwa 60-90%. In einer luftgehärteten Ausführungsform wird kein fein gemahlener Quarz verwendet, obwohl Quarz als Füllstoff verwendet werden kann.
Vorzugsweise haben die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit für die Naßverfahren einen Entwässerungsgrad von etwa 100-700 Grad Canadian Standard Freeness (CSF) mit Feuchtigkeitsgehalten von 0% bis 99%, basierend auf dem ofentrockenen Gewicht, gemessen nach TAPPI-Verfahren T227 om-99. Für trockene oder halbtrockene Verfahren sind zerfaserte Fasern bevorzugt. Das zementartige Bindemittel und das Aggregat haben Oberflächen von etwa 150 bis 400 m²/kg bzw. etwa 300 bis 450 m²/kg. Die Oberfläche für sowohl Zement als auch Aggregate wird gemäß ASTM C204-96a getestet.
Verfahren zur Herstellung von Faserzementbaumaterialien unter Verwendung von chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit
Ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffbaumaterials unter Verwendung der beschriebenen Formulierungen stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten zementartigen Verbundstoffmaterials, in dem chemisch behandelte Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit aufgenommen sind, beginnt mit der Behandlung der Zellulosefasern mit einem oder mehreren Dispergiermitteln, wobei die Faseroberfläche im wesentlichen hydrophob gemacht wird. Vorzugsweise werden die funktionellen Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche daran gehindert, Wasserstoffbindungen mit anderen Hydroxylgruppen auszubilden, wodurch das Auftreten von Bindungen zwischen Fasern wesentlich reduziert wird. In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren weiterhin das mechanische Dispergieren der unbehandelten Fasern mit einer zuvor ausgewählten Konsistenz, um die Fasern abzutrennen und so die chemische Behandlung der Faseroberfläche zu erleichtern, und das Fibrillieren der unbehandelten Fasern auf einen zuvor ausgewählten Entwässerungsgrad. Nach dem chemischen Behandeln der Fasern mit einem Dispergiermittel umfaßt das bevorzugte Verfahren das Mischen der chemisch behandelten Fasern mit Inhaltsstoffen unter Bildung eines Faserzementgemischs gemäß bevorzugten Formulierungen, das Formen des Faserzementgemischs zu einem Faserzementgegenstand mit zuvor ausgewählter Form und Größe, und das Härten des Faserzementgegenstands unter Bildung des faserverstärkten Verbundstoffbaumaterials.
Die Dispergiermittel können auf irgendeine der obigen Stufen vor dem Formen des Faserzementgemischs zu einem Faserzementgegenstand und dem Härten des Faserzementgegenstands angewandt werden. Vorzugsweise werden die Chemikalien zuerst zu den Fasern zugegeben, um ausreichend Zeit für das Ablaufen der chemischen Reaktionen bereitzustellen, ehe die Fasern mit anderen Inhaltsstoffen gemischt werden, um das Faserzementgemisch zu bilden. In einigen Ausführungsformen können jedoch Dispergiermittel zu dem Faserzementgemisch zugegeben werden, während die Fasern mit anderen Inhaltsstoffen gemischt werden. In vorteilhafter Weise bleiben mit Dispergiermitteln behandelte Fasern selbst dann in einem Zementgemisch im wesentlichen dispergiert, wenn das mechanische Mischen beendet wird, wodurch das Auftreten einer erneuten Cluster- oder Klumpenbildung der Fasern in dem Zementgemisch wesentlich reduziert wird. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, verleihen die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit dem endgültigen Verbundstoffmaterial eine einheitlichere Faserverteilung und verhindern die Bildung von Faserklumpen oder -clustern, von denen bekannt ist, daß sie die faserverstärkende Wirkung des Produkts reduzieren.
Vorzugsweise umfaßt die Stufe des Mischens der chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit mit anderen Inhaltsstoffen unter Bildung eines Faserzementgemischs das Mischen der chemisch behandelten Fasern mit nicht-zellulosen Materialien, wie hydraulischem Bindemittel, Aggregat, Dichtemodifizierern und Additiven gemäß den bevorzugten Formulierungen dieser Erfindung. In einigen Ausführungsformen können die chemisch behandelten Fasern auch mit synthetischen Fasern sowie mit anderen Inhaltsstoffen gemischt werden. Die Herstellungsprozesse können jede der bestehenden Techniken verwenden, wie beispielsweise Extrusion, Preßformen, Spritzgießen, Gießen und Hatschek-Verfahren usw.
3 veranschaulicht ein bevorzugtes Verfahren 300 zur Herstellung eines faserverstärkten zementartigen Verbundstoffmaterials, in welchem die chemisch behandelten Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit aufgenommen sind. Wie in 3 zu sehen ist, beginnt das Verfahren mit Stufe 302, in welcher die Zellulosefasern mit Dispergiermitteln behandelt werden, um den Fasern Hydrophobizität zu verleihen. Es kann auch eine zuvor vorbereitete chemisch behandelte Faser mit verbesserter Dispergierbarkeit verwendet werden.
Die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit werden anschließend in Stufe 304 verarbeitet. Die Stufe 304 der Faserverarbeitung umfaßt typischerweise das Dispergieren und Fibrillieren der Fasern. In einer Ausführungsform werden die Fasern bei einer Konsistenz von etwa 1% bis 6% in einem Hydrapulper dispergiert, der auch eine gewisse Fibrillierung bewirkt. Weitere Fibrillierung kann unter Verwendung eines Refiners oder einer Serie von Refinern erzielt werden. Sobald sie dispergiert wurden, werden die Fasern auf einen Entwässerungsgrad von etwa 0 bis 800 Grad CSF (Canadian Standard Freeness), bevorzugter zwischen etwa 100 und 700 Grad CSF, fibrilliert. Das Dispergieren und das Fibrillieren können auch mittels anderer Techniken, wie Hammermahlen, Entstippen, Zerfasern und dergleichen, erzielt werden. Weiterhin ist auch die Verwendung von Fasern, die mit einem Dispergiermittel chemisch behandelt wurden, ohne Fibrillieren für einige Produkte und Prozesse akzeptabel.
Wie aus 3 zu erkennen ist, werden in Stufe 306 die chemisch behandelten Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit anteilig mit anderen Inhaltsstoffen gemischt, wodurch ein Gemisch, eine Aufschlämmung oder eine Paste auf Wasserbasis gebildet wird. Vorzugsweise werden die Fasern mit Zement, Quarz, einem Dichtemodifizierer und anderen Additiven in einem gut bekannten Mischvorgang gemischt, um eine Aufschlämmung oder eine Paste zu bilden. Die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit lassen sich leichter dispergieren und verteilen sich einheitlich in dem ganzen Gemisch. Weiterhin bleiben die Fasern im wesentlichen dispergiert, selbst wenn das mechanische Mischen beendet wird, wodurch das Auftreten einer erneuten Cluster- oder Klumpenbildung der Fasern reduziert wird. In dem Mischer können auch synthetische Fasern mit den chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit vermischt werden.
Das Verfahren 300 setzt mit Stufe 308 fort, in der das Gemisch unter Verwendung einer Anzahl konventioneller Herstellungstechniken, die einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, zu einem "rohen" oder ungehärteten geformten Gegenstand geformt werden kann, wie beispielsweise durch:

• Extrusion,
• Hatschek-Bahnverfahren,
• Mazza-Rohrverfahren,
• Magnani-Verfahren,
• Spritzgießen,
• Kontaktpreßverfahren,
• Preßformen,
• Gießen,
• Filterpressen,
• Langsiebformen,
• Mehrdrahtformen,
• Spaltmesserformen,
• Spaltwalz-/-messerformen,
• Bel-Form-Verfahren,
• andere.

Diese Verfahren können auch einen Preß- oder Stanzvorgang umfassen, nachdem der Gegenstand geformt wurde. Bevorzugter wird kein Pressen verwendet. Die Verfahrensstufen und -parameter, die verwendet werden, um das Endprodukt unter Verwendung eines Hatschek-Verfahrens zu erzielen, sind ähnlich dem, was in dem australischen Patent Nr. 515151 beschrieben wird.
Nach Stufe 308 wird der "rohe" oder ungehärtete geformte Gegenstand in Stufe 310 gehärtet. Der Gegenstand wird vorzugsweise für bis zu 80 Stunden, am meisten bevorzugt etwa 24 Stunden oder weniger, vorgehärtet. Der Gegenstand wird dann für ungefähr 30 Tage luftgehärtet. Bevorzugter wird der vorgehärtete Gegenstand bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einer dampfgesättigten Umgebung bei etwa 60 bis 200°C für etwa 3 bis 30 Stunden, bevorzugter etwa 24 Stunden oder weniger, autoklaviert. Die Zeit und die Temperatur, die für die Vorhärtungs- und Härtungsverfahren ausgewählt werden, sind abhängig von der Formulierung, dem Herstellungsverfahren, den Verfahrensparametern und der endgültigen Form des Produkts.
Faserverstärkte Zementverbundstoffmaterialien unter Verwendung von chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit
Anwendungsformen von chemisch behandelten Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in faserverstärkten Verbundstoffmaterialien können die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des endgültigen Bauprodukts verbessern. Faserzementprodukte unter Verwendung dieser chemisch behandelten Fasern weisen eine bessere Dispersion der Fasern, eine verbesserte Faserverstärkungseffizienz, eine verbesserte Zähigkeit und Belastbarkeit auf. Die Verwendung chemisch behandelter Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit umgeht die Notwendigkeit der Hinzufügung zusätzlicher Fasern zu dem Verbundstoffmaterial, um eine mangelhafte Verteilung der Fasern zu kompensieren. Somit sind weniger Fasern erforderlich, um die gleichen, wenn nicht sogar bessere physikalische und mechanische Eigenschaften in dem Endprodukt zu erzielen, was zu einer signifikanten Reduktion der Kosten führen kann. Weitere wünschenswerte Charakteristika von Faserzementmaterialien unter Verwendung der chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit umfassen eine bessere Wasserbeständigkeit und eine glattere Oberflächenbeschaffenheit, wenn Extrusions-, Preßformungs- oder Gießverfahren verwendet werden. Darüber hinaus können auch lange Fasern, die im allgemeinen schwieriger zu dispergieren sind als kurze Fasern und die deshalb manchmal vermieden werden, behandelt werden, um ihnen eine verbesserte Dispergierbarkeit zu verleihen. Chemisch behandelte lange Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit können in der Formulierung verwendet werden, um zusätzliche Vorteile bereitzustellen, wie sie durch die Verwendung langer Zellulosefasern als Verstärkungsmittel ermöglicht werden.
Die nachfolgenden Beispiele zeigen einige der wünschenswerten Charakteristika, die die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in den Formulierungen der faserverstärkten Zement-Verbundstoffmaterialien bereitstellen. Es versteht sich, daß die Faserzementformulierungen lediglich zu Vergleichszwecken ausgewählt werden und daß auch eine Vielzahl anderer Formulierungen verwendet werden kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich auch, daß zusätzlich zu Faserzementprodukten auch andere zementartige und nicht-zementartige Materialien, wie Polymer-, Holz- und andere Materialien, chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in der Formulierung verwenden können, um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Materials zu verbessern. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf zementartige Verbundstoff-Baumaterialien noch auf Baumaterialien im allgemeinen beschränkt.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wurden zwei Typen von Zellulosefasern in trockener Form mit einer Hammermühle zerfasert. Bei der einen handelte es sich um den mit Auflösemittel behandelten Faserstoffbrei von Weyerhaeuser, Faserstoffbrei Grad NF401, bei dem anderen handelte es sich um die Kontrollfasern, die gleichen Fasern ohne Behandlung mit Auflösemittel (Weyerhaeuser Faserstoffbrei Grad NF416). Faserzementverbundstoffmuster wurden unter Verwendung eines Extrusionsverfahrens hergestellt. Die Formulierung für die Proben A und B war die gleiche, mit der Ausnahme, daß verschiedene Fasern verwendet wurden. Die Formulierung enthielt 10% Fasern (chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit für Formulierung A und konventionelle unbehandelte Fasern für Formulierung B), 10% Calciumsilikathydrat, 1,5% Methylzellulose, 39,25% Portland-Zement und 39,25% gemahlenen Quarz. Die extrudierten Proben wurden bei 150°C für 12 Stunden vorgehärtet und dann durch Autoklavieren bei 185°C für 12 Stunden gehärtet. Die Dichten der Proben A und B betrugen etwa 0,9 Gramm pro Kubikzentimeter. Einige wichtige physikalische und mechanische Eigenschaften der Proben A und B sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2: Vergleich von wichtigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von extrudierten Faserzementmaterialien unter Verwendung von chemisch behandelten und leicht dispergierbaren Fasern (A) und konventionellen unbehandelten Zellulosefasern (B)
Die obige Tabelle 2 liefert einen veranschaulichenden Vergleich verschiedener mechanischer und physikalischer Eigenschaften von Faserzementprodukten, die mit Formulierungen hergestellt wurden, in welchen chemisch behandelte Zellulosefasern aufgenommen wurden, um eine verbesserte Dispergierbarkeit bereitzustellen, mit solchen, die konventionelle unbehandelte Fasern verwenden. Der Bruchmodul (MOR), die Zugfestigkeit in Z-Richtung und die Zähigkeit wurden gemäß 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" getestet. Für einen Fachmann auf dem Gebiet versteht es sich, daß die spezifischen Werte für bestimmte mechanische Eigenschaften sich durch Veränderungen der Dichte nach Ofentrocknung unterscheiden.
Wie es in Tabelle 2 gezeigt ist, sind der MOR, die Zugfestigkeit in Z-Richtung und die Zähigkeit für Faserzementmaterialien, die mit den chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt wurden, allesamt größer. Insbesondere sind Zähigkeit und Belastbarkeit physikalische Eigenschaften, die durch den Grad der Dispersion der Fasern stark beeinflußt werden können. Daher kann der Grad der Faserdispersion indirekt gemessen werden durch Vergleichen der Werte von Verbundstoffen, die mit den und ohne die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt wurden, für Belastbarkeit und Zähigkeit.
Fasern, die besser dispergiert sind, führen zu einem höheren Wert für Verformung und Zähigkeit pro Masseeinheit der zu dem Endprodukt zugegebenen Fasern. Wie es in Tabelle 2 gezeigt ist, erhöht diese Ausführungsform der Erfindung den MOR um ungefähr 12%, die Zugfestigkeit in Z-Richtung um ungefähr 28% und die Zähigkeit um ungefähr 144% im Vergleich zu einer äquivalenten Formulierung, die ohne chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt wurde. Eine äquivalente Formulierung wird hier als eine Formulierung definiert, in der die bevorzugten, chemisch behandelten Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit durch einen äquivalenten Prozentanteil an Zellulosefasern, die nicht mit einem Dispergiermittel gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung behandelt wurden, ersetzt sind. Tabelle 2 zeigt, daß Faserzementmaterialien, die mit chemisch behandelten Fasern hergestellt werden, bessere physikalische und mechanische Eigenschaften besitzen als Faserzementmaterialien äquivalenter Formulierungen, die mit konventionellen unbehandelten Fasern hergestellt wurden.
Beispiel 2
4 veranschaulicht einen Vergleich von wichtigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften von extrudierten faserverstärkten Zementverbundstoffmaterialien, die mit den und ohne die chemisch behandelten Fasern hergestellt wurden. Probe C wurde mit chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit (Grad NF405 von Weyerhaeuser, mit einem Auflösemittel behandelte Fasern) hergestellt, wohingegen Probe D regulären Faserstoffbrei enthält (Grad CF416 von Weyerhaeuser). Die Proben haben die gleiche Formulierung, mit Ausnahme der verwendeten Fasern: 10% behandelte Fasern (NF405), 10% CF416. Die Fasern wurden durch Hammermahlen zerfasert. Die Proben wurden durch Extrusion hergestellt und hinsichtlich MOR, Zugfestigkeit in Z-Richtung und Zähigkeitsenergie gemäß 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" getestet. Wie es in 4 gezeigt ist, zeigen extrudierte faserverstärkte Verbundstoffmaterialien, die mit chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt wurden, eine etwa 18%-ige Verbesserung des MOR, eine etwa 7%-ige Verbesserung der Zugfestigkeit in Z-Richtung und eine etwa 200%-ige Verbesserung der Zähigkeit im Vergleich zu extrudierten faserverstärkten Verbundstoffmaterialien mit äquivalenter Formulierung, jedoch ohne die chemisch behandelten Fasern.
Beispiel 3
In diesem Beispiel waren die Formulierungen der Proben E und F im wesentlichen gleich, mit der Ausnahme, daß verschiedene Fasern verwendet wurden: etwa 9 Gewichts-% Fasern (chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit oder reguläre unbehandelte Fasern), etwa 10% Calciumsilikathydrat, welches in einer Ausführungsform als Dichtemodifizierer verwendet wird, etwa 1,5% Methylzellulose, die in einer Ausführungsform als die Viskosität modifizierendes Additiv verwendet wird, etwa 39,75% Portland-Zement und etwa 39,75% gemahlenen Quarz. Die in Probe E verwendeten Fasern waren mit einer oberflächenaktiven Emulsion, einem Gemisch von etwa 50:50 aus Di(hydrierter Talg)dimethylammoniumchlorid (CAS-Nummer 61789-80-8) und Alkyl-benzyl-dimethylammoniumchlorid (CAS-Nummer 61789-72-8) unter Verwendung der Trockensprühtechnik chemisch behandelt worden. Die Gesamtmenge an Dispergiermittel betrug etwa 0,06% der ofengetrockneten Fasermasse. Die Behandlung erfolgte bei Umgebungstemperatur vor der Zerfaserung. Die in Probe F verwendeten Fasern waren reguläre unbehandelte Fasern. Muster des Faserzementverbundstoffmaterials wurden dann mittels Extrusion gebildet. Die extrudierten Proben wurden bei etwa 150°C für etwa 12 Stunden vorgehärtet und dann durch Autoklavieren bei etwa 185°C für etwa 12 Stunden gehärtet. Einige wichtige physikalische und mechanische Eigenschaften sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3: Vergleich wichtiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften von extrudierten Faserzementmaterialien unter Verwendung chemisch behandelter Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit und regulärer Zellulosefasern
Die obige Tabelle 3 liefert einen veranschaulichenden Vergleich wichtiger mechanischer und physikalischer Eigenschaften von Faserzementprodukten, in welche chemisch behandelte Zellulosefasern mit verbesserter Dispergierbarkeit aufgenommen sind, mit solchen, die aus konventionellen unbehandelten Fasern bestehen. Die Proben wurden mit Ausnahme des verwendeten Fasertyps mit äquivalenten Formulierungen hergestellt. Mittlere Zähigkeits- und Belastbarkeitswerte wurden unter Verwendung eines Dreipunkt-Biegetests gemäß 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" bestimmt. Diese Ausführungsform der Erfindung steigert den MOR pro Kilogramm der verwendeten Fasern um ungefähr 11%, die Belastbarkeit pro Kilogramm der verwendeten Fasern um ungefähr 7%, und die Zähigkeit pro Kilogramm der verwendeten Fasern um ungefähr 100%. Die Werte für Belastbarkeit und Zähigkeit pro Kilogramm der verwendeten Fasern zeigen den Grad der Faserverstärkungseffizienz an. Verbesserungen der Faserverstärkungseffizienz spiegeln sich typischerweise in höheren Belastbarkeits- und Zähigkeitswerten pro Kilogramm an zugegebenen Fasern wider. So zeigen die Ergebnisse in Tabelle 3, daß die Zugabe von chemisch behandelten Fasern die Faserverstärkungseffizienz des Materials verbesserte, da die Werte für Belastbarkeits- und Zähigkeitsenergie pro Kilogramm an zugegebenen Fasern, hergestellt mit chemisch behandelten Fasern, höher sind als diejenigen von Materialien mit einer äquivalenten Formulierung ohne chemisch behandelte Fasern.
Schlußfolgerung
Im allgemeinen versteht es sich, daß bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere eine chemisch behandelte Zellulosefaser, die in ein Faserzementbaumaterial aufgenommen ist, verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik haben. Diese Materialien, die gemäß den bevorzugten Verfahren und Formulierungen hergestellt wurden, weisen eine bessere Dispersion der Fasern und eine größere Faserverstärkungseffizienz auf, was somit eine geringere Menge an Fasern erfordert, um die erforderlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Weiterhin führt eine verbesserte Faserverstärkungseffizienz auch zu verbesserten physikalischen und mechanischen Eigenschaften, wie z.B. einem größeren Bruchmodul, einer größeren Zugfestigkeit in Z-Richtung, einer größeren Zähigkeit, einer größeren Belastbarkeit und einer größeren Bindungsfestigkeit zwischen den Schichten. Die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit verbessern auch die Wasserbeständigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit der Endprodukte und reduzieren die Kosten für die Verwendung von Fasern.
Bei den chemisch behandelten Fasern der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden die Wasserstoffbindungen zwischen den Fasern und innerhalb der Fasern reduziert, so daß sie in einem Gemisch leichter dispergiert werden können. Sobald sie in einem Gemisch dispergiert wurden, bleiben die chemisch behandelten Fasern tendenziell dispergiert und es ist weniger wahrscheinlich, daß es zu einer erneuten Clusterbildung und zur Bildung von Klumpen kommt, wenn das mechanische Mischen beendet wird. Die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit können leicht und einheitlich innerhalb einer zementartigen Matrix verteilt werden, wodurch die Notwendigkeit der Zugabe einer größeren Menge an Fasern, um die mangelhafte Dispersion von Fasern zu kompensieren, beseitigt wird. In einer Ausführungsform führt die Verwendung von chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit zu einer etwa 5%-igen Reduzierung der Menge an Fasern, die zu dem Baumaterial zugegeben werden, und gleichzeitig werden die gleichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften erzielt. Die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit besitzen auch eine bessere Dispergierbarkeit in allen Typen von wäßrigen Lösungen. Weiterhin gestattet die Behandlung von Zellulosefasern mit Dispergiermitteln die Verwendung sowohl langer als auch kurzer Fasern in den nassen und halb-nassen Verfahren zur Herstellung von Faserzementverbundstoffmaterialien.
Es versteht sich, daß die Faserzementformulierungen lediglich zu Vergleichszwecken ausgewählt wurden und daß auch eine Vielzahl anderer Formulierungen verwendet werden kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zusätzlich zu Faserzementprodukten können auch andere Materialien chemisch behandelte Fasern mit Dispergierbarkeit in der Formulierung verwendet werden, um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Materials zu verbessern. Es versteht sich weiterhin, daß verschiedene Faserbehandlungen, wie Größenbemessung der Fasern, Biozidbehandlung und Faserbeladung, mit der Behandlung mit Dispergiermitteln kombiniert werden können, um die behandelte Faser und das Faserzementverbundstoffmaterial mit noch wünschenswerteren Eigenschaften bereitzustellen.
Die bevorzugten Ausführungsformen finden Anwendung in einer Reihe von Bauproduktanwendungen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Bedachungen, Straßenpflaster, Außen- und Innenpaneelen, Bodenplatten, Fliesenrückseiten, Verkleidungen, Zierleisten, Leibungen und Zäunen. Es versteht sich jedoch, daß der Umfang der Anwendbarkeit der bevorzugten Ausführungsformen auch die folgenden umfassen kann, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein: Nicht-Bauprodukte und/oder Materialien mit nicht-zementartigen Matrizen. Die veranschaulichten und oben beschriebenen Ausführungsformen werden als Beispiele bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angegeben. Verschiedene Veränderungen und Modifikationen können an den hier dargestellten Ausführungsformen von Fachleuten auf dem Gebiet leicht vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen.

Claims

Fasern enthaltender Baustoff, wobei die Fasern Zellulosefasern sind, wobei wenigstens ein Teil der Fasern wenigstens zum Teil mit einem Dispergiermittel behandelt ist, um chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit auszubilden, und wobei das Dispergiermittel Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche bindet, um hierdurch im Wesentlichen eine Bindung zwischen den Hydroxylgruppen verschiedener Fasern zu verhindern, wodurch eine Wasserstoffbindung zwischen Fasern wesentlich verringert wird, so daß die chemisch behandelten Fasern in dem Baustoff leichter dispergiert werden können.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei das Dispergiermittel Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche bindet, um die Bindung zwischen Hydroxylgruppen der gleichen Faser im Wesentlichen zu verhindern, wodurch eine Wasserstoffbindung innerhalb einer Faser wesentlich reduziert wird.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei das Dispergiermittel die Hydroxylgruppen physikalisch daran hindert, mit Hydroxylgruppen von verschiedenen Fasern zu binden.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei das Dispergiermittel wenigstens eine funktionelle Gruppe umfaßt, die an die Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche in einer Weise bindet, in der die Hydroxylgruppen an der Bindung mit Hydroxylgruppen von verschiedenen Fasern im Wesentlichen gehindert werden.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei das Dispergiermittel ein oberflächenaktives Mittel umfaßt, das den Fasern in einer wässerigen Umgebung eine verbesserte Dispergierbarkeit verleiht.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei das Dispergiermittel organische Verbindungen umfaßt, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus Polyaminverbindungen, kationischen Quartäres-Amin-Tensiden, kationischen oberflächenaktiven Mitteln, anionischen oberflächenaktiven Mitteln, nicht ionischen oberflächenaktiven Mitteln, Alkylalkoxysilan, Alkoxylsilan, Halogenorganosilan oder Gemischen davon besteht.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei das Dispergiermittel ungefähr 0,001% – 20% des Ofentrockengewichts der Fasern umfaßt.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei das Dispergiermittel ein Mittel gegen das Ablösen umfaßt.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei der Baustoff eine polymere Matrix umfaßt, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in der polymeren Matrix inkorporiert sind.
Baustoff nach Anspruch 1, wobei der Baustoff eine zementartige Matrix umfaßt, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit in der zementartigen Matrix inkorporiert sind.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die Zellulosefasern individualisierte Fasern sind.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die chemisch behandelten Fasern etwa 0,5% – 20% des Baustoffes bezogen auf das Gewicht umfassen.
Baustoff nach Anspruch 12, wobei die chemisch behandelten Fasern ungefähr 4 – 12% bezogen auf das Gewicht des Baustoffes umfassen.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit die Zähigkeit des Baustoffes um ungefähr 20% im Vergleich zu einem Baustoff, der aus äquivalenten Formulierungen ohne chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt wurde, erhöhen.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit die Belastbarkeit des Baustoffes um mehr als etwa 5% im Vergleich zu einem Baustoff, der aus einer äquivalenten Formulierung ohne chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt ist, erhöhen.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit den Bruchmodul des Baustoffes um mehr als etwa 5% im Vergleich zu einem Baustoff, der aus einer äquivalenten Formulierung ohne chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt wurde, erhöhen.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit die Zugfestigkeit des Baustoffes in Z-Richtung um mehr als etwa 10% im Vergleich zu einem Baustoff, der aus einer äquivalenten Formulierung ohne chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt ist, erhöhen.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit die Faserdosierung des Baustoffes um etwa 5% im Vergleich zu einem Baustoff, der aus einer äquivalenten Formulierung ohne chemisch behandelte Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit hergestellt ist, verringern.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei die chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit Fasern umfassen, die längs gewichtet eine durchschnittliche Länge von mehr als etwa 1 mm aufweisen.
Baustoff nach Anspruch 10, wobei der Baustoff eine Faserzementformulierung umfaßt, die etwa 20% – 80% Zement, etwa 20% – 80% Aggregat, etwa 0,5% – 20% Fasern und etwa 0% – 50% Additive umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines Baustoffes, bei dem man: Fasern, die chemisch mit einem Dispergiermittel behandelt wurden, mit einem Bindemittel und anderen Bestandteilen unter Ausbildung eines Gemisches vermischt, wobei die Fasern Zellulosefasern sind und wobei das Dispergiermittel die Hydroxylgruppen auf der Faseroberfläche bindet, um so die Bindung zwischen den Hydroxylgruppen von verschiedenen Fasern im Wesentlichen zu verhindern, wodurch die Wasserstoffbindung zwischen Fasern wesentlich verringert wird, so das die chemisch behandelten Fasern in dem Baustoff leichter dispergiert werden können, das Gemisch in einen Gegenstand von zuvor ausgewählter Form und Größe formt und den Gegenstand härtet, um so einen faserverstärkten Verbundbaustoff auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Mischen von Fasern, die chemisch mit einem Dispergiermittel behandelt wurden, das Mischen von flockigen Breien mit einem zementartigen Bindemittel und anderen Bestandteilen zur Ausbildung eines Faserzementgemisches umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem man: Fasern bereitstellt, wenigstens einen Teil der Fasern mit dem Dispergiermittel zur Ausbildung von chemisch behandelten Fasern mit verbesserter Dispergierbarkeit behandelt, wobei das Dispergiermittel verbesserte Faserdispergierbarkeit in der wässerigen Phase verleiht, die chemisch behandelten Fasern mit einem Bindemittel und anderen Bestandteilen zur Ausbildung eines Gemisches vermischt, das Gemisch in einen Gegenstand von zuvor ausgewählter Form und Größe formt und den Gegenstand härtet, um so einen faserverstärkten Verbundbaustoff auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Behandeln der Fasern die Behandlung der Fasern in einer Lösung, die oberflächenaktive Mittel enthält, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Behandeln der Fasern die Anwendung von bezogen auf die Fasermasse zwischen etwa 0,001 % – 20% des Dispergiermittels auf die Fasern umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Behandeln der Fasern die Anwendung eines Trockensprühverfahrens zur Ablagerung von Dispergiermitteln auf der Oberfläche umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Mischen der chemisch behandelten Fasern mit einem Bindemittel das Vermischen der chemisch behandelten Fasern mit einem zementartigen Bindemittel umfaßt, um so ein Faserzementgemisch auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Vermischen der chemisch behandelten Fasern mit einem Bindemittel das Vermischen der chemisch behandelten Fasern mit einem polymeren Bindemittel umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Bereitstellen der Fasern das Zerfasern der Fasern umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Bereitstellen der Fasern das chemische Entfernen von Lignin von den Fasern umfaßt, um so die Fasern zu individualisieren.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Formen des Faserzementgemisches in einen Gegenstand die Anwendung von Extrusions-, Hatchek- und anderen Verfahren umfaßt.