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Verfahren zur Herstellung von druckfesten Werkstoffen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von druckfesten Werkstoffen aus Zerkleinerungsprodukten pflanzlicher Faserstoffe und Bindemitteln, in denen die Zerkleinerungsprodukte pflanzlicher Faserstoffe mit Hilfe des Bindemittels unter Druck miteinander verleimt sind.
Es ist bekannt, Spanplatten unter Verwendung verschäumter Bindemittel herzustellen. Hiedurch wird eine Bindemittelersparnis erzielt. Das Bindemittel lässt sich in verschäumtem Zustand besser verteilen und dringt weniger tief in die Holzspäne ein. Beim Pressen werden die im verschäumten Bindemittel enthaltenen Luftblasen zerstört.
Die Erfindung besteht demgegenüber im Wesen darin, dass man trocken aufbereitete Zerkleinerungsprodukte pflanzlicher Faserstoffe mit Bindemitteln und mit festen Teilchen aus expandierbaren oder teilweise oder völlig expandierten Kunststoffen mischt und das erhaltene Gemisch in bekannter Weise formt und bei erhöhter Temperatur presst.
Die vorliegende Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Herstellung besonders leichter und gleichzeitig druckfester Spanholzkörper (Spanplatten), deren Porengefüge durch druckfeste poröse Kunststoffe ausgefüllt und damit abgestützt ist. Der erwähnte Kunststoff wird ausschliesslich oder vorwiegend für die Ausfüllung und Abstützung der Hohlräume verwendet und die Verleimung der Späne, Fasern oder sonstigel Zerkleinerungsprodukte pflanzlicher Rohstoffe untereinander sowie mit dem Kunststoff wird durch ein eigens hiezu eingebrachtes Bindemittel bewirkt.
Unter teilweise expandierten Kunststoffen werden solche Kunststoffe verstanden, die durch Expandieren eines in ihnen enthaltenen Treibmittels bereits porös gemacht sind, aber noch soviel Treibmittel enthalten, dass der Porositätsgrad durch weiteres Expandieren erhöht werden kann.
Die technische und wirtschaftliche Bedeutung der Erfindung li egt darin, dass es auf diese Weise möglich ist, Spanholzplattenund Spanholzformkörper auch mit sehr niedrigem spezifischem Gewicht und damit geringem
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bei technisch brauchbaren Festigkeitseigenschaften herzustellen. Die VerwendungHolzspanwerkstoffen von niedrigem spezifischem Gewicht scheiterte bisher in erster Linie an der zugeringen Druckfestigkeit. während dieBiegefestigkeitfürzahlreiche Verwendungszweckenoch durchaus genügen würde.
Das Verfahren kann in einfacher Weise wie folgt ausgeübt werden : Holzspäne werden in an sich bekannter Weise in einer Mischvorrichtung mit einem bekannten Bindemittel gemischt. Die Einbringung des Bindemittels erfolgt in bekannter Weise beispielsweise durch Eindüsen des flüssigen Kunstharzes oder durch dosierte Zuteilung von pulverförmigen Kunstharzen. Vor, während oder nach der Einbringung des Bindemittels wird ein verschäumungsfähiger Kunststoff, beispielsweise in Form kleiner Perlen, zugegeben, die während des anschliessenden Verpressungsvorganges des Spanholzkörpers aufschäumen, wobei sie als räumliche Waben oder Brücken die Hohlräume zwischen den Spänen ausfüllen und sowohl untereinander als auch mit dem eingebrachten Bindemittel verkleben.
Je nach dem Mengenverhältnis von Spänen zu verschäumtem Kunststoff erhält man einen Körper, der mehr einen Spanwerkstoff mit durch Schaumstoff ausgefällten und abgestützten Hohlräumen darstellt oder einen Kunstharzschaumstoi mit eingelagerten. gerüstbildenden Spänen. Zwischen den beiden Extremen sind alle denkbaren Zwischenfälle möglich.
Bei Spanholzkörpem hat das eingebrachte Bindemittel einen umso schlechteren Wirkungsgrad, je niedriger das spezifische Gewicht des Körpers, d. h. je porenreicher sein Gefüge ist. Das Bindemittel wirkt
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nur dort, wo es zwischen den Berührungsstellen zweier Späne eingelagert ist, während es an den Wandungen der Hohlräume ohne verleimende Wirkung bleibt und diese Hohlräume lediglich mehr oder weniger auskleidet. Wenn nun diese Hohlräume durch einen Kunststoffschaum ausgefüllt sind, der sich während des Aufschäumens mit einem gewissen Druck an die Wandungen anlegt, so verleimt dort Kunststoffschaum mit Bindemittel, wodurch eine hervorragende Festigkeitssteigerung des Gesamtgefügeszustandekommt.
Der an sich aus drei Komponenten bestehende Körper bildet dann ein im ganzen geschlossenes und einheitliches Gefüge und benötigt nicht nur in der Volumeneinheit - absolut gerechnet - weniger Rohstoffe als ein normaler Spanholzkörper gleicher Festigkeit, der nur aus den zwei Komponenten Span und Bindemittel besteht, sondern es kann auch der proportionale Anteil an Bindemittel im Gemisch von Bindemittel und Spänen gesenkt werden, wobei trotzdem hochwertige mechanische Eigenschaften erzielt werden.
In der Praxis empfiehlt es sich, folgendermassen zu verfahren : Als Holzspäne lassen sich Späne jeder beliebigen Holzart verwenden, z. B. aus Fichte, Buche, Linde, Pappel, Esche, Kiefer, Kastanie, Gaboon oder Limba. Die Länge dieser Späne kann etwa 4-20 mm betragen, ihre Breite etwa 1-20 mm und ihre Dicke etwa 0, 1-1, 2 mm und insbesondere 0, 4-0, 7 mm.
Als Bindemittel sind alle für die Verleimung von Holz geeigneten üblichen Bindemittel brauchbar.
In erster Linie kommen Polykondensationsprodukte und unter diesen wiederumCarbamidharze, z. B. Hamstoff-Formaldehyd-Harze, in Frage. Sie werden in üblicher Weise gewonnen, indem 1 Mol Harnstoff mit etwa 1, 5-3 Mol Formaldehyd umgesetzt wird. Es lassen sich sowohl die primären Anlagerungsprodukte verwenden als auch unter Bildung von Äther- und gegebenenfalls Methylenbrücken erhaltene Kondensationsprodukte, sofern sie noch im wesentlichen wasserlöslich sind. Im allgemeinen soll 1 Teil des festen Kondensationsproduktes noch mit einem Teil Wasser gut verträglich sein und eine Lösung ergeben. Aber auch andere Carbamidharze, also Polykondensationsprodukte aus Verbindungen mit wenigstens einer Carbamidgruppe im Molekül und Aldehyden, sind gut geeignet. Solche Carbamidharze bildende Verbin-
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N-substituierte Harnstoffe, z.B.
N-Alkyl- oder N-Arylharnstoffe,Urethane. Schliesslich können mit sehr gutem Erfolg auch Polykondensationsprodukte aus andern aminoplastharzbildenden Verbindungen und Aldehyden verwendet werden, z. B. solche aus Aminotriazinen, insbesondere Triaminotriazinen (Melamin), oder weniger als drei Aminogruppen enthaltenden Triazinen, z. B. Diaminotriazinen. Als Aldehyd verwendet man im allgemeinen Formaldehyd oder seine Polymere, z. B. Paraformaldehyd, aber auch höhermolekulare Aldehyde, z. B. Acetataldehyd, Furfurol und gegebe- nenfalls auch Propionaldehyd und Butyraldehyd können in bekannter Weise für die aminoplastbildende Reaktion herangezogen werden. Diese Polykondensationsprodukte aus Aminoplaste bildenden Verbindungen und Aldehyden werden im allgemeinen mit sauren Verbindungen als Härtungsmittel versetzt.
Hiefür kommen Säuren in Frage, insbesondere organische Carbonsäuren oder auch anorganische Säuren, beispielsweise Maleinsäure, Milchsäure, Phthalsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Phosphorsäure, Schwefelsäure, Salzsäure. Besonders vorteilhafte Härtungsmittel sind die Salze von starken anorganischen Säuren, insbeson- dere deren wasserlösliche Salze, z. B. Alkali-und besonders zweckmässig Ammoniumsalze, z. B. der Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure oder Phosphorsäure. Wie in der Verleimungstechnik üblich, wendet man zweckmässig ungefähr 0, 3-5% eines sauren Härtungsmittels, bezogen auf das feste Harz, an.
Neben dem eigentlichen Härtungsmittel können Stoffe dem Härter bzw. der Leimflotte zugegeben werden, die zur Regulierung der Härtungsgeschwindigkeit dienen, vorwiegend diese verzögem, wie z. B. Harnstoff, Ammoniak, Urotropin, Guanidin.
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aus Phenolauch. aus mehrwertigen Phenolen mit Aldehyden, insbesondere Formaldehyd, aber auch höhermolekularen Fettaldehyden gewonnen, z. B. aus Kresol, Xylenol oder Resorcin. Ebenso wie die Aminoplastharze können die Phenolharze aus Gemischen verschiedener Aminoplaste bzw. Phenolplaste bildenden Verbindun - gen und verschiedenen Aldehyden hergestellt sein. Auch Gemische verschiedener Polykondensationsprodukte sind als Bindemittel verwendbar.
Die Phenolharze können ohne Härtungsmittel verwendet werden, doch lassen sie sich auch, wie üblich, mit sauren, neutralen oder unter Umständen auch alkalischen Verbindungen härten. Als Beispiel für ein neutrales Härtungsmittel sei der Paraformaldehyd genannt, ferner kommen anorganische Salze in Betracht, z. B. Aluminiumsulfat, oder auch organische Säuren, z. B. y-Oxybuttersäure. Lactone sind oft sehr gut geeignet, beispielsweise Butyrolacton. Wie auch bei den Aminoplastharzen können Gemische von Härtungsmitteln verwendet werden. Im allgemeinen wird man sowohl die Aminoplastharze als auch die Phenolharze in wässeriger Lösung anwenden, doch kann man grundsätzlich auch mit organischen Lösungsmitteln arbeiten, z. B. mit alkoholischen Lösungen.
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Ausser den genannten Polykondensationsprodukten können auch bekannte Klebemittel auf anderer Ba- sis Verwendung finden. Erwähnt seien beispielsweise die ungesättigten Polyesterharze, also Polykondensa- tionsprodukte aus mehrwertigen äthylenisch-ungesättigten Carbonsäuren, insbesondere vi, ss-äthylenisch- ungesättigtea. ss-Dicarbonsäuren, z. B. Maleinsäure, und mehrwertigen Alkoholen, insbesondere Glyko- len. Ferner können Polyglycidylather, also sogenannte Äthoxylin- oder Epoxyharze, angewandt werden, die in üblicher Weise mit Polyaminen oder Polycarbonsäuren gehärtet werden.
Für die Ausfüllung der in der Spanplatte enthaltenen Hohlräume dienen erfindungsgemäss verschäumte poröse Kunststoffe. Zu diesem Zwecke vermischt man die Holzspäne mit dem Bindemittel und ausserdem mit kleinen Teilchen eines entweder noch nicht verschäumten und infolgedessen kompakten, nicht porö- sen Kunststoffes oder aber mit den bereits verschäumten Kunststoffteilchen. Es können aber auch Kunst- stoffteilchen verwendet werden, die sich in einem beliebigen Zwischenstadium befinden. Im folgenden werden diese als vorgeschäumte Kunststoffe bezeichnet. Zur Gruppe der geeigneten Kunststoffe zählen besonders expandierbare Thermoplaste und unter diesen wiederum besonders verschäumbare Styrolpoly- merisate, z. B.
Polystyrol, oder Mischpolymerisate aus überwiegenden Mengen Styrol und geringen Men- gen einer andern mit Styrol mischpolymerisierbaren mono- oder polyäthylenisch-ungesättigten Verbin- dung, beispielsweise Acrylnitril, Vinylchlorid, Vinylcarbazol, Divinylbenzol oder Isobutylen. Im allge- meinen wird das verwendete Styrolpolymerisat mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 80% Styrol enthalten, doch können auch andere Thermoplaste verwendet werden, die nicht auf Basis von Styrol auf- gebaut sind, z. B. verschäumtes Polyvinylchlorid, Polyvinylcarbazol oder Polyäthylen.
Weiterhin sind gut geeignet poröse, gehärtete Poly kondensationsprodukte, beispielsweise poröse Harze aus Aminoplaste bildenden Verbindungen und Aldehyden, wie sie bereits im Absatz über die verwendbaren Bindemittel besprochen wurden. Ferner kommen poröse Phenolharze in Betracht sowie poröse, gehär- tete Massen aus Polyglycidyläthern und den bereits erwähnten Härtungsmitteln hiefür.
Die verwendeten porösen Kunststoffe sollen mit dem Bindemittel untereinander 1. Uldmit denHolzspä- nen verleimbar sein. Sie sind ebenfalls in bekannter und üblicher Weise hergestellt. So können z. B. bei der Polymerisation der zu dem verwendeten Kunststoff führenden monomeren Verbindungen, z. B. bei der
Polymerisation oder Mischpolymerisation von Styrol, als Quellungsmittel wirkende organische Flüssigkeiten mitverwendet werden, die in die entstehenden Polymerisatkügelchen eingeschlossen werden. Hiezu zählen besonders aliphatische, gesättigte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Pentan, Hexan, Heptan, Octan, deren Gemische (Petroläther) oder im besonderen Fall des Polyäthylens das Aceton.
Diese Quellungsmittel können aber auch nach erfolgter Polymerisation der monomeren Verbindung in das Polymerisat eingearbeitet werden. Weitere geeignete Treibmittel sind beispielsweise gasförmige organische Verbindungen, wie niedermolekulare aliphatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, Äthan, Propan oder Butan. Auch völlig indifferente anorganische Gase sind als Treibmittel geeignet, z. B. Stickstoff oder Kohlendioxyd, sowie Treibmittel, die bei erhöhter Temperatur zersetzt werden, z. B. Bicarbonate, wie Natriumbicarbonat, oder unter Bildung von Stickstoff zersetzliche Diazoverbindungen.
Die Teilchengrösse der verwendeten porösen oder in den porösen Zustand überführbaren Kunststoffe kann in weiten Grenzen verändert werden. Sind die Kunststoffteilchen bereits verschäumt, so beträgt ihre Grösse im allgemeinen etwa 0, 9-15 mm. Teilweise vorgeschäumte Teilchen sollen besonders zweckmä- ssig etwa 0, 6-10 mm gross sein und noch nicht vorgeschäumte Teilchen etwa 0, 1-5 mm. Die Grösse der verwendeten Teilchen richtet sich nach den Massen der verwendeten Holzspäne, so dass man an diese genannten Grössen nicht gebunden ist.
Die angewandten Mengenverhältnisse sind etwa folgende : Auf 100 kg Holzspäne wird man je nach dem spezifischen Gewicht und der Beschaffenheit des Holzes sowie nach Grösse und Form der Späne im allgemeinen 5-20 kg feste Bindemittel und insbesondere 7-15 kg verwenden. Das verwendete Bindemittel enthält je nach seiner chemischen Beschaffenheit und der gewünschten Härtungsgeschwindigkeit etwa 0, 01-15ado festes Härtungsmittel (einschliesslich Verzögerungsstoffe), bezogen auf festes Harz. Es ist günstig, das Härtungsmittel gelöst anzuwenden, etwa in 5 bis 40%iger Lösung. Es kann aber auch in fester Form der Leimlösung zugegeben werden.
Die porösen Kunststoffe gibt man zweckmässig in Mengen zwischen etwa 0, 5 und 5 Gew.- , bezogen auf Holzspäne, zu, doch ist man auf dieses Mengenverhältnis nicht angewiesen, weil es sich danach richtet, welches spez. Gewicht und welche Form die Holzspäne und welches Raumgewicht die verwendeten Kunststoffteilchen besitzen. Die Zahlenangabe 0, 5-5 Gew.-% bezieht sich beispielsweise bei der Verwendung von porösen Styrolpolymerisatteilchen auf solche Teilchen, die ein Raumgewicht von etwa 5 bis 40 gA einnehmen.
Das erhaltene Gemisch aus Spänen, Kunststoffteilchen und Bindemitteln wird nun in den für die Fabrikation von Spanplatten üblichen Pressen oder sonstigen maschinellen Anlagen unter Druck und Hitze
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verformt. Bei Verwendung von vorgeschäumten Kunststoffteilchen beträgt die Presstemperatur besonders zweckmässig etwa 70-150 . Sind die verwendeten Kunststoffteilchen noch nicht verschäumt, so presst man vorteilhaft bei Temperaturen, die über 900 liegen. Man muss dafür sorgen, dass bei Verwendung nicht oder nur teilweise geschäumter Kunststoffe die Temperatur in der Presse ausreicht, damit das im Kunststoff enthaltene Treibmittel seine Wirkung entfaltet und der Kunststoff vollkommen aufgeschäumt wird.
Bei Verwendung von noch nicht geschäumten, treibmittelhaltigem Polyvinylcarbazol, als porenfüllendem Kunststoff beispielsweise, sind höhere Presstemperaturen erforderlich, die bei etwa 170-190 liegen. Bei Verwendung von ausgehärteten porösen Polykondensationsprodukten, beispielsweise Harnstoff - Formaldehyd-Harzen, liegt die Presstemperatur etwa zwischen 110 und 1800.
Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele beschrieben : Die Beispiele 1-3 betreffen Spanholzkörper mit einem spez. Gewicht von etwa 0,25, die Beispiele 4-6 Spanholzkörper mit einem spez. Gewicht von etwa 0, 4. Die verwendeten Holzspäne für die Beispiele 1-5 sind nachzerkleinerte Fichtenflachspäne.
Diese Holzspäne sind 4-18 mm lang, 1-4 mm breit und 0, 4-0, 7 mm dick. Für das Beispiel 6 wurden
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nachzerkleinerte,wendet.
Beispiel l: Es werden 1600 g nachzerkleinerte Fichtenflachspäne mit 400 g auf 20. 000 cm3 vor- geschäumten Carbamid-Schaumstoff im Mischwerk gemischt und dann mit 260 g einer 50'%oigen Lösung eines Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsproduktes bedüst, der die entsprechende Menge Härter zuge- setzt ist. 1860 g dieser Mischung werden in einen Formrahmen mit einer Kantenfläche von 60 X 60 cm geschüttet und egalisiert. Im Boden des Formrahmens liegt ein kaltes Zulageblech aus Leichtmetall ; nach dem Egalisieren wird der Spänekuchen im Formrahmen von oben mit einem weiteren kalten Leichtmetall-
Zulageblech abgedeckt. Diese Leichtmetallbleche haben die Aufgabe, den nun hergestellten Spänekuchen bei den darauffolgenden Pressgängen Halt zu geben.
Dieser im Formrahmen befindliche Spänekuchen wird in einer Kaltpresse vorverdichtet, hauptsächlich mit der Absicht, das Volumen des Spänekuchens zu verringern und gleichzeitig ein gutes Stehvermögen der Kanten nach dem Entfernen des Formrahmens zu erzielen. Die so vorgeformte Platte wird nun mit den Zulageblechen in einer hydraulischen Heisspresse, deren Heizplatten eine Temperatur von 1400 C aufweisen, 10 min lang gepresst. Die Presse steht unter
Höchstdruck, bis der Spänekuchen soweit verdichtet ist, dass. die Heizplatten auf den Distanzleisten aufsitzen, welche die Dicke und somit das spez. Gewicht der Platten bestimmen. Danach lässt man den Druck bis zum Ende des Pressvorganges auf etwa 8 kg/cm2 Spanplattenf1äche abfallen.
Mit Beendigung des Pressvorganges wird die Spanplatte samt Zulageblechen der Presse entnommen, welche nach erfolgter Auskühlung wieder zum Abdecken des Spänekuchens verwendet werden.
Auf solche Weise hergestellte Platten weisen bei einem spez. Gewicht von 0, 27. und einer Dicke von 17, 8 mm eine mittlere Biegefestigkeit von 20 kg/cm2 auf.
Beispiel 2 : Nach dem unter Beispiel 1 beschriebenen Verfahren werden 1600 g Späne derselben Art mit 240 g auf 20.000 cm3 vorgeschäumten Polystyrol-Schaumstoff gemischt und mit 260 g einer 501vingen Lösung eines Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsproduktes bedüst, der die entsprechende Menge Härter zugesetzt ist. Zur Einwaage gelangen 1860 g dieses beleimten Schaumstoff-Spangemischesund werden wie im Beispiel 1 10 min lang bei 1400 C gepresst. Solche Platten haben bei einem spez. Gewicht von 0, 22 und einer Dicke von 21 mm eine mittlere Biegefestigkeit von 37 kg/cm2.
Beispiel 3 : Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren werden Spanplatten hergestellt, bei denen je 500 g nachzerkleinerte Fichtenflachspäne ohne Schaumstoffzusatz für die Aussenflächen verwendet werden ; in die Mittelschicht gibt man 240 g auf 20. 000 cm3 vorgeschäumten Polystyrol-Schaumstoff, der mit 860 g Fichtenspänen gemischt wird. Der so aufgebaute Schaumstoff-Spanholzkörper enthält 260 g einer 501digon Lösung eines Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsproduktes, der die entsprechende Menge Härter zugesetzt ist. Solche dreischichtige Spanplatten weisen ein spez. Gewicht von 0, 26 auf und haben bei einer Dicke von 18. 8 nun eine mittlere Biegefestigkeit von etwa 40 kg/cm2.
. Beispiel 4 : Nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren werden 2600 g nachzerkleinerte Fichtenflachspäne mit 36 g auf 3000 cm3 vorgeschäumten Polystyrol-Schaumstoff vermischt und mit 416 g einer zuigen Lösung eines Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsproduktes bedüst, der die entsprechende Menge Härter zugesetzt ist, und dann zu Spanplatten verpresst Solche Spanplatten weisen. nach einer Presszeit von 15 min und einer Presstemperatur von 140 C bei einem spez. Gewicht von 0, 41 eine Biegefestigkeit von 72 kg/cm auf.
Beispiel 5: 3000 g nachzerkleinerte Fichtenflachspäne werden mit 50 g nicht vorgeschäumtem Polystyrol-Schaumstoff vermengt und dann mit 600 g einer 50% gen Lösung eines Harnstoff-FormaldehydKondensationsproduktes bediist, der die entsprechende Menge Härter zugesetzt ist. Von diesem Gemisch
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werden 2960 g eingewogen und bei 1450 G 18 min lang zu Platten gepresst, wie unter 1 beschrieben wurde. Solche Platten weisen bei einer Dicke von 18 mm und einem spez. Gewicht von 0, 43 eine Biegefestigkeit von etwa 89 kg/cn auf.
Beispiel 6 : Es werden 3000'g nicht nachzerkleinerte Fichtenflachspäne mit 36 g auf 3000cm vorgeschäumten Polystyrol-Schaumstoff im Mischwerk innig vermengt, dann mit 475 g einer 50% igen Lo- sung eines Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsproduktes bedüst, der die entsprechende Menge Härter zugesetzt ist. Im übrigen erfolgt die Herstellung der Spanplatte wie im Beispiel 1 beschrieben, wobei sich lediglich die Presszeit auf 15 min erhöht. Auf diese Weise hergestellte Spanplatten haben bei einer Dicke von 18, 5 mm und einem spez. Gewicht von 0, 43 eine Biegefestigkeit von 180 kg/cm2.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von druckfesten Werkstoffen aus Zerkleinerungsprodukten pflanzlicher Faserstoffe und Bindemitteln, in denen die Zerkleinerungsprodukte pflanzlicher Faserstoffe mit Hilfe des Bindemittels unter Druck miteinander verleimt. sind, dadurch gekennzeichnet, dass man trocken aufbereitete Zerkleinerungsprodukte pfianzlicher Faserstoffe mit Bindemitteln und mit festen Teilchen aus expandierbaren oder teilweise oder völlig expandierten Kunststoffen mischt und das erhaltene Gemisch in bekannter Weise formt und bei erhöhter Temperatur presst.