CH700073A2 - Zellulosehaltige Masse. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zellulosehaltigen Masse, die ein organisches Material umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen eines Inputs umfassend zumindest ein organisches Material und einen Flüssigkeits-Bestandteil; und b) Aussetzen dieses Inputs einer aktiven Zone eines elektromagnetischen Felds. Zudem werden ein Verfahren zum Herstellen eines Komposit-Materials, das auf dieser zellulosehaltigen Masse aufbaut, und ein Produkt, hergestellt aus diesem Komposit-Material, offenbart.

Description

  Feld der Erfindung

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zellulosehaltigen Masse gemäss Anspruch 1, eine zellulosehaltige Masse gemäss Anspruch 15, ein Verfahren zum Herstellen eines Komposit-Materials gemäss Anspruch 16, ein Komposit-Material gemäss Anspruch 21 und ein Produkt gemäss Anspruch 22.

  

[0002]    Das Verfahren lässt sich für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen einsetzen. Zum Beispiel für die Produktion neuer Baumaterialien, verschiedener Halbzeuge, Verzierungen, Gegenstände für den Innenausbau, verschiedener Deckschichten mit hoher Widerstandskraft und Festigkeit etc. aus Landwirtschaftsabfällen von Getreiden (zum Beispiel Mais, Roggen, Weizen, Hafer, Gerste, Hirse, Raps, Reis etc. und Kombinationen davon) oder pflanzlichen Fasern (Baumwolle, Flachs, Hanf, etc.). Der niedrige Preis der Ausgangsmaterialien macht die Produktion wirtschaftlich interessant.

Hintergrund der Erfindung

  

[0003]    Derzeit sind mehrere Komposit-Materialien organischen Ursprungs bekannt, die sich zum Beispiel für Verpackungs-oder Bau-Anwendungen eignen.

  

[0004]    Die US 2006 043 629A schlägt vor ein verstärktes Bio-Komposit herzustellen, durch das Verarbeiten von natürlichen Fasern (wie zum Beispiel Kraus, Reisstroh, Weizenstroh, Industrie Hanf, Fasern von Ananasblättern) mit einer Bio-Plastik-Matrix auf Sojabasis unter Verwendung eines Haftvermittlers, insbesondere eines funktionellen Monomer-modifizierten Polymers. Im Kontext industrieller Anwendungen, wie zum Beispiel der reaktiven Extrusion und dem Spritzgiessen, ist der Gebrauch von modifiziertem Sojamehl mit funktionellen Monomeren erklärt.

  

[0005]    Die US 2008/181 969A adressiert die Entfärbung und die strukturelle, das heisst chemische oder mechanische, Degradation von Komposit-Materialien die Zellulosekomponenten umfassen, wie zum Beispiel Holzfasern, Stroh, Gräser und andere organische Materialien die mittels Haftvermittlern mit Polymerkomponenten quervernetzt sind. Die Haftvermittler, wie zum Beispiel gepfropfte Maleinsäureanhydrid Polymere oder Copolymere umfassen funktionelle Eigenschaften, die sie befähigen kovalente Bindungen innerhalb oder zwischen dem Polymer und den Zellulosekomponenten auszubilden.

Zu lösendes Problem

  

[0006]    Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von zellulosehaltigen Massen, solche zellulosehaltige Massen, Verfahren zum Herstellen von hochfesten Komposit-Materialien umfassend Originalstrukturen von organischen Materialien, vorzugsweise von höheren Pflanzen stammend, zur Verfügung zu stellen, wobei diese höheren Pflanzen ihre natürliche Erscheinungsform (zum Beispiel Halme) durch intrazelluläre und interzelluläre strukturelle Verbindungen zwischen verschiedenen Polymeren und/ oder ihren Resten von verschiedenen Substanzen, funktionellen Gruppen, Seitenketten und/oder Resten entwickelt haben.

Zusammenfassung der Erfindung

  

[0007]    Die Erfindung betrifft die Herstellung von hochfesten Komposit-Materialien und verschiedenen Gegenständen hergestellt aus billigen organischen Rohmaterialien, vorzugsweise aus Teilen der Stängel von höheren Pflanzen, Zellwänden oder Membranen die ausreichende Quantitäten von Zellulose, das heisst einem hochmolekularen Polysaccarid oder Glucan bestehend aus [beta]-1,4-verknüpfter D-Glukose, oder Ghitin, einem Glycan bestehend aus [beta]-1,4-verknüpftem N-Acetyl-D-Glucosamin, aufweisen. In der vorliegenden Anmeldung sollen die Begriffe zellulosehaltige Masse, zellulosehaltiger Input und/oder zellulosehaltige Komposite auch chitinhaltige Massen, chitinhaltige Inputs und/oder chitinhaltige Komposite oder Gemische von Zellulose- und chitinhaltigen Massen, Inputs und/oder Kompositen umfassen.

  

[0008]    Zellulose - das häufigste organische Material auf Erden - ist ein hochmolekulares Polysaccharid mit der Formel [C6H7O2(OH)3]naufgebaut aus [beta]-Glukose-Einheiten, wobei n im Bereich von hunderten bis einigen tausenden liegt. Die Erfindung erlaubt es Komposit-Materialien herzustellen ohne das exogene polymere Komponenten zum Verbinden der organischen Materialien, zum Beispiel der Pflanzenpartikel zueinander, benötigt werden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung zeigt der Begriff "exogen" an, dass die Polymerkomponenten nicht vom organischen Rohmaterial stammen, das verarbeitet wird. Es ist ein wesentliches Merkmal des neuen Verfahrens zum Herstellen von zellulosehaltigen Massen, dass das organische Material einer aktiven Zone eines künstlichen elektromagnetischen Felds ausgesetzt wird.

  

[0009]    Das neue Verfahren zum Herstellen von zellulosehaltigen Massen, das eingesetzt werden kann für die Herstellung von Komposit-Material das geeignet ist für hochfeste Produkte, umfasst zumindest folgende Schritte:
a) das Herstellen eines Inputs umfassend organisches Material und einen Flüssigkeits-Bestandteil; und
b) das Aussetzen dieses Inputs einer aktiven Zone eines künstlichen elektromagnetischen Feldes.

  

[0010]    Gemäss bevorzugter Ausführungsformen werden während der Herstellung natürliche Formen von Inputs zerstört, ebenso wie ihre organischen Verknüpfungen von intrazellulären und interzellulären Strukturen, bis eine flüssige und/oder pastöse Masse hergestellt ist. Diese Masse wird im Weiteren als Formmasse genutzt: Sie wird in eine neue geometrische Form gebracht und strukturelle Verbindungen werden wieder hergestellt während die Masse aushärtet. Die aus gehärtete Paste wird zum Endanwendungs-Gegenstand.

  

[0011]    Nachfolgend wird der Begriff Input verwendet um die Ausgangssubstanz oder Mischungen von Substanzen zu bezeichnen, die dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt werden, während der Begriff zellulosehaltige Masse das Produkt, das gemäss dem vorgängig genannten Verfahren gemäss der Erfindung hergestellt ist, bezeichnet. Dieses Produkt wird als ein Zwischenprodukt (auch Output genannt) verstanden, da es im Weiteren für die Produktion einer breiten Vielfalt von Produkten genutzt wird.

  

[0012]    Die zu Grunde liegende Idee des Verfahrens liegt in der Tatsache begründet, dass während der Herstellung natürliche Formen von Inputs zerstört werden, genauso wie ihre organischen Verknüpfungen von intrazellulären und interzellulären Strukturen, bis eine homogene flüssige und/oder pastöse Masse hergestellt ist. Diese Masse wird im Weiteren als Formmasse genutzt: Sie wird in eine neue geometrische Form gebracht und strukturelle Verbindungen werden wieder hergestellt während die Masse aushärtet. Die ausgehärtete Paste wird zum Endanwendungs-Gegenstand.

  

[0013]    In der vorliegenden Patentanmeldung wird der Begriff organisches Material so verstanden, dass er jedes zellulosehaltige Material umfasst. Vorzugsweise umfasst das organische Input-Material Fasern vermischt mit Zellulosemolekülen, Vorteilhafterweise stammt das organische Material von höheren Pflanzen bevorzugt aus der Gruppe der echten Gräser aus der Familie Gramineae (Poaceae) wie zum Beispiel Getreide oder von Baumwolle, Hanf oder Flax oder Gemischen davon. Gute Ergebnisse wurden in Tests erhalten beim Gebrauch von wenigstens einem Getreidestroh oder Reisstroh oder Gemischen davon als organischem Material.

  

[0014]    Vorzugsweise wird das organische Material in einem Vor-Bearbeitungs-Schritt zu kleinen Partikeln oder sogar zu Brei zerkleinert, bevor es dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Das organische Material des Inputs ist vorzugsweise vorbearbeitet/vorbehandelt in Abhängigkeit von der Art und dem Zustand des Materials. Solche Zustände sind Feuchtigkeit, Sauberkeit, Anwesenheit von unnützen natürlichen oder künstlichen Elementen, deren Mikrobenpopulation, dem Prozentsatz von [beta]-Zellulose im reinen Input-Material verantwortlich für die Ausbildung von Mizellenbündeln in Form von super feinen Fibrillen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen vorgängig den Gehalt an organischen Basen zwischen den Fibrillen und der Zellulose, die diese Fibrillen zu beständigem Fasern verklebt, zu bestimmen.

   Grundsätzlich findet organische Materialien, die klebende oder gelierende Substanzen, wie zum Beispiel Pektin, enthalten, geeignet, aber organische Materialien die Substanzen enthalten wie zum Beispiel Suberine oder Gutin, die von Natur aus stärker hydrophob sind, sind ebenfalls geeignet. Alternativ können organische Materialien verwendet werden die Lignin enthalten. Grundsätzliche Merkmale und Eigenschaften der Produkte oder hergestellten Gegenstände können durch das Verändern der Verhältnisse von diesen und anderen sekundären Substanzen in der zellulosehaltigen Masse voreingestellt werden.

  

[0015]    Vorbehandlungen des organischen Materials umfassen Mazerieren, unterstützt durch elektromechanische, hydrodynamische und Ultraschall-Einwirkung, ebenso wie Kochen, Dämpfen oder andere bekannte Verfahren zum Bearbeiten von rohem Pflanzenmaterial. Zellulosefasern weisen bekanntlich eine hohe Zugfestigkeit auf, die derer von Stahl nahe kommt. Sie weisen auch hohe Beständigkeit gegen eine Vielzahl von mechanischen und physikalischen Belastungen auf. Für den Fall dass das organische Material Stroh ist, zum Beispiel Reis- oder Weizen- oder Roggen- Stroh, kann eine Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 8 oder höher, besonders bevorzugt von etwa 8.4 oder höher zum Zwecke des Mazerierens verwendet werden gefolgt und/oder begleitet von elektromechanischer, hydrodynamischer und Ultraschall-Einwirkung, Kochen, Dämpfen oder einer Kombination davon.

  

[0016]    Je nach gewünschten Eigenschaften der zellulosehaltige Masse (das heisst des Outputs) und/oder der Vorbehandlung, kann der endogene Flüssigkeitsgehalt, das heisst der Flüssigkeitsgehalt der vom rohem organischen Materials selbst stammt, ausreichend seien, so dass keine exogene oder zusätzliche Flüssigkeit zugegeben werden muss. Im einfachsten Fall ist der Flüssigkeitsbestandteil Wasser. Es können jedoch auch andere Flüssigkeiten, wie organische Lösungsmittel oder Gase oder andere Fluide geeignete Flüssigkeitsbestandteile sein. Dies hängt ab von den Anforderungen an die Hersteller und an andere Charakteristika der Gegenstände die später aus dem Komposit-Material geformt werden sollen. Es ist jedoch wichtig, dass mit eine ausreichende Funktion des Flüssigkeitsbestandteils mit dem organischen Material erzielt werden kann.

   In Fällen in denen die Flüssigkeit nicht Wasser ist, ist es wesentlich gemäss bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung das einen Überschuss an Flüssigkeit - wenn nötig - auf geeignete Weise nach der Herstellung der zellulosehaltigen Masse extrahiert werden kann.

  

[0017]    In Abhängigkeit vom beabsichtigten Gebrauch und dem beabsichtigten Herstellungsverfahren umfasst der Flüssigkeitsbestandteil vorzugsweise ein Lösungsmittel, zum Beispiel zum Erweichen des organischen Materials.

  

[0018]    Prozesse der Wiederausbildung von strukturellen Verbindungen laufen während dem Aushärten der homogenen Masse in neuen Formen ab. Solche Prozesse umfassen tatsächlich die Integration von Resten der [beta]-Glucose n-Moleküle in molekulare Verbindungen mit der allgemeinen Formel [C6H7O2(OH)3]n. Die bekannte Anwesenheit von Glukosemolekülen mit 3 Hydroxylgruppen [(OH)3 Gruppen] in jedem Rest machen es deutlich, dass die Verbindung von jedem verbleibenden Paare von Glukosemolekülen untereinander durch seitliche Hydroxylgruppen unter Entfernen von Wassermolekülen geschieht. Die Regenerierung struktureller Verbindungen in der homogenen Masse läuft zwangsläufig ab wenn die Masse getrocknet wird und resultiert in deren Aushärtung.

  

[0019]    Tests haben gezeigt dass die Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse, die im Folgenden auch Output genannt wird, verbessert werden wenn der Input, der einer aktiven Zone eines Elektromagnetfeldes ausgesetzt wird, einen Anteil von ferromagnetischen Partikeln umfasst.

  

[0020]    Gemäss bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben die ferromagnetischen Partikel eine durchschnittliche Länge im Bereich von 0,3 bis zu 25 mm, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 3-5 mm und Durchmesser von etwa 0.1 bis etwa 5 mm, vorzugsweise von etwa 0.1 bis etwa 2.5 mm. Ein Verhältnis von 1:3 bis 1:5 zwischen Durchmesser und Länge der Partikeln hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Partikel sind gemäss bevorzugter Ausführungsformen zylindrisch. Basierend auf der Lehre der vorliegenden Erfindung erkennt der Fachmann, dass die Grösse der ferromagnetischen Partikel abhängig ist vom Inputmaterial und auf das Inputmaterial hin optimiert werden kann, wobei die Grössen dabei auch ausserhalb der oben genannten Bereiche liegen können.

  

[0021]    Die Grösse und Form der ferromagnetischen Partikel kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse und ihrer Verarbeitbarkeit gewählt werden. Daher können auch andere Grössen der ferromagnetischen Partikel brauchbar sein um die vorliegende Erfindung auszuführen.

  

[0022]    Tests haben gezeigt, dass qualitativ hochwertige zellulosehaltige Massen erhalten werden, wenn das Verhältnis zwischen den ferromagnetischen Partikeln und dem Input in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 20 Gewichtsprozent lag. Ein Flüssigkeitsbestandteil des Inputs im Bereich von 0 bis etwa 40 Prozent. In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können jedoch andere Verhältnisse gewählt werden, in Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse und ihrer Verarbeitbarkeit. Diese sind abhängig von der Art des Verfahrens (periodisch oder konstant) und vom Volumen des Behälters in dem das Verfahren ausgeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform mit Stroh als Inputmaterial war das Arbeitsvolumen eines Zwei-Zonen-Behälters 180 ml und die Menge an ferromagnetischen Partikeln war 14 g pro Zone.

   Die Partikel hatten einen Durchmesser von durchschnittlich 250 [micro]m und eine Länge durchschnittlich von 1500 [micro]m. Das Verhältnis von Flüssigkeit zu Input war eins zu drei. Der Container war vom kontinuierlichen Typ. Die Zeit des Ausgesetztseins betrug bis zu 20 s.

  

[0023]    Die ferromagnetischen Partikel unterstützen die Desintegration des organischen Materials auf supra- und subzellulärer Ebene, genauso wie das Aufbrechen von organischen Verbindungen von intrazellulären und/oder interzellulären Strukturen. Die gerührte Wirbelschicht der ferromagnetischen Partikel ist energetisch geladen und hat, im Vergleich zu bekannten Mitteln aus dem Stand der Technik, erhöhte Fähigkeiten einen breiten Bereich von organischen Materialien zu zerstören. Durch mechanisches Quetschen, Brechen und/oder Mahlen wird eine homogenere zellulosehaltige Masse hergestellt. Die Desintegration des organischen Materials stellt einen zentralen Punkt der Erfindung dar.

  

[0024]    Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht im mechanischen Rühreffekt der ferromagnetischen Partikel. Diese ferromagnetischen Partikel tragen zu einem Mischeffekt des Flüssigkeits-Bestandteils, des Lösungsmittels (falls ein solches vorliegt), und des organischen Materials in einer Weise bei, dass die Qualität der zellulosehaltigen Masse weiter gesteigert wird.

  

[0025]    Die zellulosehaltige Masse stellt das Ausgangsmaterial für ein breites Spektrum von Kompositprodukten mit einem breiten Spektrum von Gestalten, Formen und Designs dar. Solche Komposite können durch direkte formgebende Verfahren, wie Giessen, Spritzgiessen, Pressen oder Extrudieren oder durch das nachträgliche maschinelle Bearbeiten der vorgenannten hergestellt werden.

  

[0026]    Die aktive Zone des elektromagnetischen Felds ist zwischen mindestens zwei linearen elektromagnetischen Induktoren angeordnet, welche durch einen Spalt voneinander beanstandet sind, der zwischen 1 mm und bis zu 5 m, vorzugsweise von etwa 50 mm bis etwa 1 m breit ist.

  

[0027]    In Abhängigkeit von den Erfordernissen die von der zellulosehaltigen Masse und/oder von den daraus hergestellten Komposit-Gegenständen erfüllt werden müssen, wird die Menge von ferromagnetischen Partikeln aus nicht-remanenten Materialien, das heisst Materialien mit einer niedrigen Koerzitivfeldstärke zum Input gegeben bevor und/oder während der Input dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt ist.

  

[0028]    Gemäss bevorzugter Ausführungsformen, in welchen die Produktion in einem chargenweisen Modus durchgeführt wird, dient ein nicht-ferromagnetischer Behälter als Aufnahme während dem der Input dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. In Abhängigkeit von den Bedürfnissen kann sich dieser Behälter über die ganze Breite des Sportes zwischen den beiden Induktoren erstrecken, so dass eine gerührte Wirbelschicht im gesamten Raum der aktiven Zone erzeugt wird. Andere Behältnisse oder ein Kanal für einen kontinuierlichen Produktionsmodus sind ebenfalls geeignet um die vorliegende Erfindung auszuführen.

  

[0029]    Das Vorhandensein von der magnetischen Partikeln aus nicht-remanenten Materialien, das heisst Materialien mit einer niedrigen Koerzitivfeldstärke, im Input, der in der aktiven Zone bearbeitet wird, ist besonders vorteilhaft im grosstechnischen Betrieb, wo der Abstand zwischen den Induktoren bis zu 1 m oder sogar mehreren Metern betragen kann. Bei solchen grossen Distanzen zwischen den Induktoren wird die Menge an ferromagnetischen Partikeln vorzugsweise entsprechend erhöht.

  

[0030]    Die linearen elektromagnetischen Induktoren generieren alternierende elektromagnetische Felder, die aus entgegengesetzten Richtungen aufeinander zu laufen. Die Induktoren regen an jedem Punkt in der aktiven Zone ein gemeinsames elektromagnetisches Wechselfeld mit einem kreisförmigen oder elliptischen Hodographen der Intensität der magnetischen Vekrotkomponenten an, das sich um eine gemeinsame Achse dreht, die zwischen den Induktoren angeordnet ist.

   Die Grösse der magnetischen Vektorkomponente ist an jedem Punkt der Achse gleich Null, aber sie steigt in jede andere Richtung/an jedem anderen Punkt bis zu einem in den Induktoren vorgegebenen Amplitudenwert an, Tests haben gezeigt dass gute Resultate mit Amplitudenwerten von etwa 0.2 Tesla (Sl-Einheit; T) bis zu 0.25 T im Zentrum eines 50 Millimeter Spaltes zwischen den Induktoren mit 14 g ferromagnetischen Partikeln in einem 180 ml Behälter und einer aktiven Zone zwischen den Induktoren von 50 * 165 * 80 mm und einer Magnetkraft von etwa 0,03 T erzielt werden können. Der Input wurde dabei dem elektromagnetischen Feld für eine Dauer von etwa 20 s ausgesetzt.

  

[0031]    Der destruktive Einfluss der ferromagnetischen Partikel auf das organische Material in der aktiven Zone wird im Folgenden genauer erklärt. Der Einfluss dieser ferromagnetischen Partikel auf die intrazellulären und die interzellulären Strukturen mittels ihrer magnetischen Komponenten A (A ist das Vektorpotenzial des magnetischen Felds), und B (B ist die Magnetische Induktion oder die Induktion des magnetischen Feldes; A und B sind verbunden über die Formel B=rotA) wird verstärkt durch die Reduktion der Reluktanz / des magnetischen Widerstands R innerhalb der aktiven Zone, was wiederum in einer erhöhten magnetischen Flussdichte in dieser aktiven Zone resultiert. Der Begriff rotA steht für die Rotation des Vektorpotenzials.

  

[0032]    Die ferromagnetischen Partikel verstärken die Grösse Biunter Hi = konstant an jedem Punkt i so dass der wirksame Wert von gradA erhöht ist. GradA steht für Gradient A.

  

[0033]    In Abhängigkeit vom Input und den gewünschten Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse, hat das elektromagnetische Feld, das von den mindestens zwei elektromagnetischen Induktoren erzeugt wird, eine Stärke von etwa 0.01 bis etwa 20 T, vorzugsweise von etwa 0.03 bis etwa 1.2 T.

  

[0034]    Die Zeit in der der Input dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird hängt von der Magnetkraft ab, die angelegt wird und vom Material das bearbeitet wird. Gute Ergebnisse, das bedeutet zellulosehaltige Massen mit überragenden Eigenschaften, wurden erhalten wenn die Dauer des Aussetzens des zwischen 1 s und 3 h, vorzugsweise von etwa 5 s bis 5 min, besonders bevorzugt etwa 20 s betrug. Der Grad der Homogenität der zellulosehaltigen Masse kann mittels der elektrischen Parameter des Induktors eingestellt werden.

  

[0035]    Nach Abschluss der elektromagnetischen Bearbeitung des Inputs ist die zellulosehaltige Masse fertig um für die Herstellung eines Komposit-Materials und für die Produktion der gewünschten Produkte aus der besagten zellulosehaltigen Masse verwendet zu werden. Daher umfasst die Technologie und Technik der Produktherstellung gemäss der vorliegenden Erfindung zumindest die folgenden grundlegenden Schritte:
<tb>1.<sep>einleitendes Vorbereiten von Input und Additiven/Hilfsstoffen, falls nötig einschliesslich zusätzlicher Techniken der Herstellung;


  <tb>2.<sep>elektromagnetische Aussetzung;


  <tb>3.<sep>Nachbearbeiten durch mindestens einen Prozess ausgewählt aus der Gruppe von Härten oder Spritzgiessen der zellulosehaltigen Masse bis ein Produkt (Endprodukt) hergestellt ist.

  

[0036]    Der Begriff Produkt umfasst Endprodukte, wie zum Beispiel Paneele, ebenso wie halbfertige Produkte oder Halbzeuge, zum Beispiel ein Kernmaterial einer Laminat-Konstruktion wie zum Beispiel einer Sandwichkonstruktion. Im letzten Fall können bestimmte Eigenschaften des Produkts verbessert werden indem zum Beispiel wenigstens eine Deckschicht adhäsiv an das Halbzeug gebunden wird. Ein Vorteil solcher Sandwichkonstruktionen besteht darin, dass einem Produkt verschiedenste Eigenschaften wie zum Beispiel strukturelle Stärke, eine leichte Konstruktion, schwere Entflammbarkeit oder eine Kombination davon verliehen werden können. In Abhängigkeit von der Ausführungsform des Produkts können eine oder mehrere Lagen aus Metall-, Glas- oder Kohlefasern oder Geweben hergestellt sein.

  

[0037]    Solche nicht-organischen Fasern können sogar dem Input oder später der zellulosehaltigen Masse gemäss der vorliegenden Erfindung zugegeben werden.

  

[0038]    Alternativ und/oder zusätzlich kann das ausgehärtete Komposit-Material Gegenstand geeigneter Oberflächenbearbeitungen sein, wie es im Folgenden in dieser Beschreibung noch diskutiert wird.

  

[0039]    Der Vorgang des Trocknens und/oder des Aushärtens steht für ein Entziehen von überflüssiger Flüssigkeit aus der zellulosehaltigen Masse. Prozesse der Wiederausbildung von strukturellen Verbindungen laufen ab während die zellulosehaltige Masse in Form gebracht wird, zum Beispiel durch Aushärten in Formen, Giessformen oder Spritzgiessen. Solche Prozesse umfassen tatsächlich die Integration von Resten der [beta]-Glucose n-Moleküle in molekulare Verbindungen mit der allgemeinen Formel [C6H7O2(OH)3]n. Die Anwesenheit von Glukosemolekülen mit Hydroxylgruppen [(OH) Gruppen] in jedem Rest ermöglichen, dass die Verbindung dieser Reste untereinander durch seitliche Hydroxylgruppen unter Entfernen von Wassermolekülen geschieht.

   Die Regenerierung struktureller Verbindungen in der homogenen Masse läuft zwangsläufig ab wenn überschüssige Flüssigkeit aus der zellulosehaltigen Masse extrahiert wird, zum Beispiel durch Trocknen oder Dehydrieren im Fall von Wasser, was wiederum in einem Härteprozess resultiert.

  

[0040]    Wenn Wasser als Flüssigkeits-Bestandteil benutzt wird, wird der Dehydrierungsvorgang (die Trocknung) bei einer vorgegebenen Temperatur mit einer geeigneten Technik, ausgewählt aus einer ganzen Reihe von bekannten Techniken, durchgeführt. Solche Techniken umfassen und/oder kombinieren Pressen, Extrudieren und Filtration genauso wie Absorption, Vakuumtrockenen, Heisslufttrocknen, Heizen, Bestrahlen, Tupfen, Verdampfen unter Gebläsen oder anderen Verfahren des Trocknens, wie zum Beispiel dem Lufttrocknen. Die Auswahl einer spezifischen Methode zum Trocknen hängt von den spezifischen Anforderungen, die an das Verfahren und/oder an die Produkte die geformt werden müssen, ab.

  

[0041]    In Abhängigkeit von den Eigenschaften der zellulosehaltigen Masse und/oder den Anforderungen an das Komposit-Material oder das Produkt das daraus hergestellt wird, umfasst die Nachbearbeitung der zellulosehaltigen Masse zumindest einen der folgenden Schritte: Formen, Formpressen, Spritzgiessen. Es können jedoch auch andere geeignete Verfahren zur Formgebung zur Herstellung der Produkte gewählt werden.

  

[0042]    Im Falle der Nachbearbeitung durch Formpressen ist es vorstellbar dass der Mischbehälter oder einen Teil davon gleichzeitig eine Hälfte der Form bildet. Da der Fachmann die gängigen Herstellungsverfahren im Feld der Ciesserei kennt, kann hier auf eine detaillierte Beschreibung derselben verzichtet werden.

  

[0043]    In Abhängigkeit von den Bedürfnissen und der Verarbeitbarkeit, werden die Giess- und Aus-härte-Schritte zusammen oder nacheinander ausgeführt.

  

[0044]    Eine weitere Nachbearbeitung kann ausgeführt werden, zum Beispiel um die Widerstandsfähigkeit der aus dem Komposit-Material hergestellten Artikel gegen Feuchtigkeit oder Wasser zu erhöhen, oder um ihre Beständigkeit gegen chemisch aggressive Umgebungen zu verbessern, um die mikrobiologische Beständigkeit zu verbessern, um dem Komposit-Material und/oder den Produkten verlangte Eigenschaften in Hinblick auf einen bestimmten Typ von Widerstandsfähigkeit, einer bestimmten Farbe, einen bestimmten Geruch oder einer Kombination derselben zu verleihen. Zu diesem Zweck können spezifische Modifiziermittel und/oder Additive dem Input und/oder der zellulosehaltigen Masse vor dem Trocknen, respektive vor der Extraktion eines überflüssigen Flüssigkeitsgehalts, zugegeben werden.

  

[0045]    In Abhängigkeit von den Voraussetzungen können diese spezifischen Zuschlagstoffe und/oder Additive genutzt werden um eine bestimmte Homogenität der zellulosehaltigen Masse und/oder des Komposit-Materials zu erreichen.

  

[0046]    Besondere Aufmerksamkeit soll der Tatsache geschenkt werden, dass verschiedene Arten von Pflanzenzellen von anorganischen Mineralien eingeschlossen sind oder solche anorganischen Mineralien enthalten. Solche Materialien sind zum Beispiel Silikate oder organische Mineralien wie Oxalate. Die gezielte Auswahl von organischem Material das bestimmte Mengen von besagten Stoffen - wie zum Beispiel Mineralien - enthält, kann genutzt werden um den zellulosehaltigen Massen und Komposit-Materialien gemäss der vorliegenden Erfindung bestimmte Eigenschaften zu verleihen, die von den Endverbrauchern gewünscht werden.

   So können zum Beispiel durch die Auswahl von Rohmaterialien den Massen und Materialien Eigenschaften verliehen werden oder deren Eigenschaften signifikant verbessert werden, wie zum Beispiel Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, Schalldichtigkeit, Widerstand gegen feuchtigkeitsbedingte Verformung, chemische und mikrobiologische Beständigkeit usw.. Zusätzlich können noch exogene Modifiziermittel zugegeben werden, falls die zellulosehaltige Masse die Anforderungen an das Komposit-Material nicht erfüllt.

  

[0047]    Die Herstellung von Materialien mit vorgegebenen Eigenschaften (Widerstandsfähigkeit, Hydrophobie, Beständigkeit gegen chemisch aggressive Milieus, Beständigkeit gegen Mikroben, zusätzliche und/oder spezielle Typen von Widerstandsfähigkeit, Farbe, Geruch etc.) einschliesslich derer, die durch die Prioritäten der Verbraucher vorgegeben sind, wird ermöglicht durch die Zugabe spezifischer Modifiziermittel in die homogene Masse vor dem Trocknen und/oder durch den Einsatz spezieller Zugabetechniken während dem Vorbereiten der homogenen Masse für das Aushärten.

  

[0048]    Nun sollen ein paar Möglichkeiten zur Oberflächenbehandlung kurz angesprochen werden. In Abhängigkeit von den Anforderungen an die Produkte die aus dem Komposit-Material hergestellt werden, lassen sich bestimmte Charakteristika erzielen, zum Beispiel durch das Aufbringen einer oder mehrerer Beschichtungen mit einer Imprägnierung zum Beispiel durch Tauchen. Zudem lässt sich eine Beschichtung in einer bestimmten Farbe aufbringen.

  

[0049]    Alle vorgängig gemachten Aussagen in der Beschreibung gelten analog für die zellulosehaltige Masse, das Verfahren zum Herstellen des Komposit-Materials, das Komposit-Material selbst genauso wie für die daraus hergestellten Produkte.

Beispiel

  

[0050]    Als organisches Rohmaterial werden die Stängel eines Getreides ausgewählt. Vorzugsweise fehlt die Ähre. Das Stroh wird vorzugsweise nach der Ernte genommen. Im vorliegenden Beispiel wird Weizenstroh genutzt.

  

[0051]    Das Stroh wurde vorbehandelt durch Häckseln bis die Strohstücke eine durchschnittliche Grösse von etwa 5-7 mm hatten. Danach wurde es mit Wasser vermischt und mazeriert, bis die organischen Partikel im Input eine Grösse von etwa 0.8-1 mm hatten. In diesem Beispiel wurde der pH-Wert der wässrigen Mischung auf einen Wert von mehr als 8.4 gebracht und es wurde für 1.5-2 h mazeriert. In weiteren Versuchen wurde die Mazerationszeit auf 1.5-2 min reduziert. Ein Teil Wasser wurde zu drei Teilen Stroh gegeben (Gewicht/Gewicht).

  

[0052]    Nach dem Mazerieren wurde der, die Strohmasse umfassend Input in einen rostfreien Stahlbehälter gefüllt, der als Mischbehälter dient und in die aktive Zone zwischen zwei Induktoren gebracht wird.

  

[0053]    Eine Menge von 14 g ferromagnetischen Partikeln mit einer zylindrischen Form mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 250 [micro]m, einer durchschnittlichen Länge von 1500 [micro]m wurde in dem Stroh und Wassergemisch im Behälter zugegeben, bevor die zellulosehaltige Masse dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wurde, um Grösse Bi, unter Hi= konstant an jedem Punkt i zu verstärken, so dass der aktive Wert von gradA erhöht ist.

  

[0054]    Ein elektromagnetisches Wechselfeld wurde erzeugt, so dass es die aktive Zone von 80 cm<3> zwischen den Induktoren (80 mm Spaltbreite) im Mischbehälter durchdrang. Das Magnetfeld stellte sicher, dass der Vektor der magnetischen Komponente einen kreisförmigen und/oder einen elliptischen Hodographen an jedem Punkt i innerhalb der Zone - ausser auf den Punkten der zwischen den beiden Induktoren definierten Achse - erzeugte, so dass Bi = [micro]*Hi wobei divBi= O, und daher rotAi=Bi. Die Grösse/Intensität der magnetischen Komponente war an jedem Punkt auf der zentralen Achse gleich Null und die Bedingung Hj=0, Bj=0 und rotAj=0 war erfüllt. Ein wirksames Vektorpotentials A des magnetischen Felds mit Amplitudenwerten von Ai bis Ai wurde innerhalb des elektromagnetischen Wechselfelds generiert, so dass gradA im Zwischenraum zwischen den Induktoren wirksam war.

  

[0055]    Eine gemessene Magnetkraft von etwa 0.3T wurde angelegt. Der Input wurde dem alternierenden magnetischen Feld für 20 s ausgesetzt. Die elektrische Quelle hatte 50 Hz.

  

[0056]    Nach Anlegen des magnetischen Feldes wühlten die ferromagnetischen Partikel den Input im Behälter stark auf. Bei diesem Vorgang übernahm jeder ferromagnetische Partikel die Rolle eines Mikro-Mixers und Mikro-Mahlwerks durch seine Interaktion mit verschiedenen Hodographen/Bewegungsbahnen des Feldvektors Hi an verschiedenen Punkten i innerhalb des Behälters.

  

[0057]    Nach Beendigung der Behandlung des Inputs im elektromagnetischen Feld blieben Partikel mit einer durchschnittlichen Partikel grosse in der zellulosehaltigen Masse zurück die nicht unter 1 [micro]m lag. Die Magnetbehandlung stellte jedoch sicher dass eine ausreichende Desintegration des Inputmaterials gegeben war, so dass eine ausreichende Anzahl von Zellen und intra- und inter-zellulären Strukturen zerstört war.

  

[0058]    Danach wurde das zellulosehaltige Material aus dem Mischbehälter in eine Gussform in Form eines Büchner-Trichters überführt. Saugfiltration wurde genutzt um die Filtrationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Anschliessend liess man die zellulosehaltige Masse trocknen, so dass ein trockenes und festes Stück Komposit-Material zurückblieb. In diesem Beispiel umfasst der Trocknungsprozess ein kombiniertes Verfahren aus Filtraton und Luft trocknen solange bis das Gewicht des Komposit-Materials bei einer Temperatur von 30 [deg.]C konstant blieb. Der Trocknungsvorgang wurde kontrolliert mittels einer gravimetrischen Methode. Anschliessend durchliefen die Testprodukte strukturelle und Belastungs-Tests

Claims (24)

1. Verfahren zur Herstellung einer zellulosehaltigen Masse, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Herstellen eines Inputs umfassend zumindest ein organisches Material und einen Flüssigkeits-Bestandteil; und Aussetzen dieses Inputs einer aktiven Zone eines elektromagnetischen Felds.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, worin der Input eine Vielzahl von ferromagnetischen Partikeln umfasst.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Partikel eine durchschnittliche Länge im Bereich von 0.3 bis zu 25 mm, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 3 bis 5 mm und einen durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von etwa 0.1 bis etwa 5 mm, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0.1 bis etwa 2.5 mm aufweisen.

4. Verfahren gemäss Anspruch-2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Partikel Verhältnis zwischen Durchmesser und Länge von 1:3 bis 1:5 und vorzugsweise eine annähernd zylindrische Form aufweisen.

5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der ferromagnetischen Partikel zum Input von etwa 1 bis etwa 25 Gewichtsprozent beträgt, vorzugsweise von etwa 10 bis 15 Gewichtsprozent.

6. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Zone erzeugt wird zwischen linearen elektromagnetischen Induktoren, die alternierende elektromagnetische Felder generieren, die aus entgegengesetzten Richtungen aufeinander zu laufen, wobei Induktoren vorzugsweise ein gemeinsames elektromagnetisches Wechselfeld anregen mit einem kreisförmigen oder elliptischen Hodographen der Intensität, das sich um eine gemeinsame Achse dreht, die zwischen den Induktoren angeordnet ist.

7. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren durch einen Abstand von 1 mm bis zu 5 m, vorzugsweise von etwa 50 mm bis etwa 1 m beabstandet sind.

8. Verfahren gemäss Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkraft der elektromagnetischen Induktoren eine Stärke von etwa 0.01 bis etwa 20 Tesla, vorzugsweise von etwa 0.01 bis etwa 10 T beträgt.

9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Aussetzens zwischen 1 s und 3 h, vorzugsweise von etwa 5 s bis 5 min, besonders bevorzugt etwa 20 s beträgt.

10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material Fasern umfasst.

11. Verfahren gemäss Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass organische Material von höheren Pflanzen stammt, vorzugsweise aus der Gruppe der echten Gräser aus der Familie Gramineae (Poaceae), wobei Getreide besonders bevorzugt sind, Baumwolle, Hanf oder Flax oder Gemischen davon.

12. Verfahren gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material von wenigstens einem Getreidestroh oder Reisstroh stammt.

13. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeits-Bestandteil zumindest Wasser oder ein Lösungsmittel umfasst.

14. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material vorbehandelt ist zumindest durch eine Vorbehandlung ausgewählt aus der Gruppe: Mazerieren in einer Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 8 oder vorzugsweise höher, besonders bevorzugt von etwa 8.4, elektromechanischer, hydrodynamischer oder Ultraschall-Behandlung, Kochen, Dämpfen.

15. Eine zellulosehaltige Masse, hergestellt nach einem Verfahren gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14.

16. Ein Verfahren zum Herstellen von Komposit-Materialien umfassend eine zellulosehaltige Masse gemäss Anspruch 15.

17. Verfahren gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Additiv oder Modifiziermittel zum Input oder der zellulosehaltigen Masse zugegeben wird.

18. Verfahren gemäss Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulosehaltige Masse homogenisiert ist.

19. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zellulosehaltige Masse zumindest durch Formen, Pressformen oder Spritzgiessen nachbearbeitet ist.

20. Verfahren gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein überflüssiger Anteil des Flüssigkeits-Bestandteils zumindest durch Trocknen oder Aushärten extrahiert wird.

21. Ein Komposit-Material hergestellt gemäss einem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 15 bis 20.

22. Ein Produkt hergestellt aus einem Komposit-Material gemäss Anspruch 21.

23. Ein Produkt gemäss Anspruch 22, das mit einer Imprägnierung, zum Beispiel durch Tauchen, beschichtet ist.

24. Ein Produkt gemäss Anspruch 22 oder 23, umfassend wenigstens eine Deckschicht die adhäsiv mit der nachbearbeiteten zellulosehaltigen Masse verbunden ist.