-
Die Erfindung betrifft ein verfestigbares Papier enthaltend wenigstens einen Faserstoff und wenigstens einen Füllstoff, ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Verfahren zu dessen Verfestigung. Die Erfindung betrifft ferner einen verfestigbaren mehrschichtigen Werkstoff mit wenigstens einer Papierschicht und wenigstens einer auf der Papierschicht laminierten, verfestigbaren zweiten Schicht, ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Verfahren zu dessen Verfestigung.
-
Papiere mit einem hohen Anteil an Füllstoffen werden durch die Eigenschaften des eingesetzten Füllstoffes geprägt. In diesem Zusammenhang sind Papiere mit einem Füllstoffgehalt von bis zu 90 Gew.-% Stand der Technik. Allerdings weisen derartige Materialien aufgrund des geringen Anteils verfestigend wirkender Komponenten zahlreiche Nachteile auf. Beispielsweise zu nennen sind hierbei schlechte mechanische Eigenschaften, vollkommener Festigkeitsverlust bei Temperatureinwirkung oberhalb des Zersetzungspunktes der enthaltenen organischen Komponenten (z. B. Zellstoff) sowie eine geringe Feuchteresistenz aufgrund feuchteempfindlicher organischer Komponenten (z. B. Zellstoff). Um diese Nachtteil zu überwinden können hochgefüllte Papiere, welche mit sinterfähigen Füllstoffen angereichert sind, über einen Sinterbrand verfestigt werden. In diesem Prozess werden die organischen Komponenten entfernt, und die Füllstoffe versintert. Dieser Prozess erfordert einen hohen Energieaufwand und führt in der Regel zu einem nachteiligen Sinterschwund. Alternativ können hochgefüllte Papiere mit flüssigen organischen oder anorganischen Bindersystemen infiltriert werden, um eine Bindermatrix in der Mikrostruktur zur Festigkeitssteigerung auszubilden. Hierbei ist nachtteilig, dass das Porensystem des hochgefüllten Papiers für einen Infiltrationsprozess wenig geeignet oder sogar ungeeignet ist (zu geringe Porosität, zu kleine Porendurchmesser), so dass oft eine gleichmäßige Infiltration nicht gewährleistet werden kann.
-
Vor diesem Hintergrund ist es Ziel der Erfindung, einen Werkstoff bereitzustellen, der ohne zusätzlichen Verfahrensschritt während der Herstellung wie Papier geformt bzw. verarbeitet werden kann, und der anschließend ohne Sinterschwund bzw. hohen Energieaufwand verfestigt werden kann.
-
Erfindungsgemäß ist ein verfestigbares Papier vorgesehen, das wenigstens einen Faserstoff und wenigstens einen Füllstoff enthält. Das Papier weist ferner ein dispergiertes Bindemittel auf.
-
Im erfindungsgemäßen Papier bildet der Faserstoff ein dreidimensionales Netzwerk aus, die auch als Papiermatrix bezeichnet werden kann. Das dispergierte Bindemittel und/oder der Füllstoff sind vorzugsweise gleichmäßig in der Papiermatrix verteilt.
-
In einer Ausführungsform ist der Füllstoffanteil des Papiers größer 5 Gew.-%, vorzugsweise größer 20 Gew.-% und weiter vorzugsweise größer 50 Gew.-%. Das obere Limit für den Füllstoffanteil kann in einer Ausführungsform bei 90 Gew.-% und vorzugsweise bei 80 Gew.-% liegen. Dieser Füllstoffanteil kann in einem aus dem erfindungsgemäßen Papier gebildeten verfestigten Werkstoff zu besonders vorteilhaften Eigenschaften führen.
-
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem dispergierten Bindemittel um ein pulverförmiges Bindemittel aus einen Material, das bei einer Temperatur von 21°C ein Feststoff ist. Vorzugsweise ist das Material dabei bei Temperaturen von bis zu 100°C ein Feststoff. Ein pulverförmiges Bindemittel kann in der Verarbeitung besonders vorteilhaft sein.
-
In einer Ausführungsform besteht das dispergierte Bindemittel aus einem thermoplastischen Material, beispielsweise Polyamid, einem phosphorhaltigen Material, beispielsweise Aluminiumphosphat oder Borphosphat, aus Lignin, aus Tetraethylorthosilicat, aus einem Phenolharz oder aus einem Epoxidharz. Diese Bindemittel werden als besonders geeignet angesehen, um bei einer beispielsweise thermischen Aktivierung unter moderaten Bedingungen ein stabiles Netzwerk auszubilden.
-
In einer Ausführungsform beträgt der Anteil des dispergierten Bindemittels im Papier mehr als 1 Gew.-%, vorzugsweise mehr 3 Gew.-% und weiter vorzugsweise mehr als 5 Gew.-%. Das obere Limit für den Anteil des dispergierten Bindemittels im Papier kann in einer Ausführungsform bei 80 Gew.-%, vorzugsweise bei 20 Gew.-% und weiter vorzugsweise bei 10 Gew.-% liegen. Diese Mengen werden als besonders geeignet erachtet, um ein stabiles Netzwerk auszubilden und die vom Füllstoff geprägten Eigenschaften nach einer Verfestigung nicht maßgeblich zu beeinträchtigen.
-
Bei dem Füllstoff kann es sich um einen anorganischen Füllstoff handeln. Beispiele für einen anorganischen Füllstoff umfassen Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Kaolin, Kalziumkarbonat, Alumosilikat, Quartz, Titandioxid, Siliziumnitrid, Cordierit, Mullit, Schamott, Zeolit oder Kohlenstoff. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein organischer Füllstoff verwendet werden. Kombinationen von mehreren der genannten Füllstoffe sind selbstverständlich denkbar. Für derartige Kombinationen kann in einer Ausführungsform eine homogene Verteilung jedes einzelnen Füllstoffes für sich gelten. Im Falle einer Kombination gelten die oben genannten oberen und unteren Limits für den gesamten Füllstoffanteil.
-
Bei dem Faserstoff kann es sich um Naturstofffasern handeln. Beispiele umfassen Zellstofffasern, Flachsfasern oder Hanffasern. Ferner kann es sich um anorganische Synthesefasern handeln. Beispiele umfassen Kohlenstoffasern, Glasfasern, Basaltfasern, oder Keramikfasern. Des Weiteren kann es sich um Kunststofffasern handeln. Beispiele umfassen Aramidfasern, Polyolefinfasern, Polyethylenfasern oder Polypropylenfasern. Es können auch heterogene Fasern wie beispielsweise Bikofasern (z. B. PP/PE Bikofasern) zum Einsatz kommen. Die Verwendung von Zellstofffasern kann in einer Ausführungsform bevorzugt sein. Kombinationen von mehreren der genannten Fasern sind selbstverständlich denkbar.
-
In einer Ausführungsform ist der Anteil an Faserstoff im Papier größer 5 Gew.-%, vorzugsweise größer 20 Gew.-% und weiter vorzugsweise größer 50 Gew.-%. Das obere Limit für den Anteil an Faserstoff im Papier kann in einer Ausführungsform bei 90 Gew.-% und vorzugsweise bei 80 Gew.-% liegen. Dieser Anteil kann zu bevorzugten Verarbeitungs- und Festigkeitscharakteristiken führen.
-
Das Papier kann ein oder mehrere Additive umfassen. Denkbar ist die Zugabe von Flockungsmitteln, Fixierungsmitteln, Retentionsmitteln, Nassfestmitteln, Flammschutzmitteln, Dispergiermitteln und antimikrobiell wirkenden Substanzen. Eine Zugabe von mehreren der genannten Additive ist selbstverständlich denkbar.
-
In einer Ausführungsform ist es denkbar, dem verfestigbaren Papier ein Additiv ausgewählt aus der Gruppe Stärke, Latex und Guar enthält, wobei die Stärke, der Latex und/oder der Guar gegebenenfalls eine Ladung tragen. Diese Additive können die mechanischen Eigenschaften des Papiers positiv beeinflussen.
-
Es ist denkbar, dass das verfestigbare Papier aus wenigstens einem Faserstoff, wenigstens einem Füllstoff, wenigstens einem Bindemittel und ggf. einem oder mehreren Additiven besteht.
-
In einer Ausführungsform nimmt das verfestigbare Papier eine flächige Gestalt an. Es kann beispielsweise eine Dicke von zwischen 100 und 10000 μm, vorzugsweise zwischen 200 und 1000 μm und weiter vorzugsweise von zwischen 200 und 500 μm aufweisen. Ferner ist denkbar, dass das Papier eine dreidimensionale Gestalt aufweist.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen verfestigbaren Papiers, wobei das dispergierte Bindemittel im Rahmen der Stoffaufbereitung oder im Konstantteil einer zur Herstellung verwandten Papiermaschine eingebracht bzw. eingemischt wird.
-
In einer Ausführungsform erfolgt das Einbringen bzw. -mischen gemeinsam mit wenigstens einem weiteren Bestandteil des verfestigbaren Papiers, beispielsweise dem Füllstoff. Das Bindemittel und der Füllstoff können also als homogene Mischung in die wässrige Ausgangssuspension zur Papierherstellung eingebracht werden.
-
In einer Ausführungsform wird das Papier im Rahmen eines Nasslegeprozesses hergestellt. Zur Durchführung dieses Prozesses kann eine Papiermaschine verwandt werden. Vorzugsweise wird eine wässrige Suspension der Materialien Faser, Binder, Füllstoff und ggf. Additive bahnförmig auf ein Auflageband aufgetragen und gepresst/getrocknet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die Verarbeitung des Papiers mittels papiertechnologischer Formgebungsverfahren umfassen. Beispiele für derartige Formgebungsverfahren umfassen ein Rollen, Wickeln, Riffeln, Stapeln und/oder Laminieren des Papiers.
-
In einer Ausführungsform ist es denkbar, das Papier mit Hilfe eines Fasergussprozesses herzustellen, beispielsweise um dreidimensionale Formen zu erhalten.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verfestigung eines erfindungsgemäßen verfestigbaren Papiers, wobei das dispergierte Bindemittel durch Temperaturerhöhung, Einwirkung von Feuchtigkeit und/oder Bestrahlung aktiviert wird. Eine thermische Aktivierung kann in einer Ausführungsform besonders vorteilhaft sein.
-
Im Rahmen der Aktivierung kann sich das dispergierte Bindemittel mit weiteren dispergierten Binderpartikeln und/oder anderen Komponenten des Papiers verbinden. Durch Verbindung mit weiteren dispergierten Binderpartikeln wird eine Bindermatrix ausgebildet. Die Bildung einer Bindermatrix kann also durch schonende Methoden erreicht werden.
-
In einer Ausführungsform liegt die Temperatur bei der thermischen Aktivierung des Bindemittels bei mehr als 100°C. Bevorzugte Temperaturuntergrenzen umfassen 120°C oder 150°C. Die Temperaturobergrenze kann in einer Ausführungsform bei 1000°C liegen. Bevorzugte Temperaturobergrenzen umfassen 500°C oder 300°C. Diese Temperaturbehandlung beeinflusst die auf dem Füllstoff beruhenden Eigenschaften nicht. Es wird kein Sinterschwund beobachtet, und der Energieaufwand ist moderat.
-
In einer Ausführungsform wird der Faserstoff im Rahmen der Temperaturbehandlung zersetzt. Das verfestigte Verfahrensprodukt kann in dieser Ausführungsform ausschließlich durch die Bindermatrix gehalten werden.
-
Die Erfindung betrifft ferner einen verfestigbaren mehrschichtigen Werkstoff mit wenigstens einer Papierschicht und wenigstens einer auf der Papierschicht laminierten, verfestigbaren zweiten Schicht. Die zweite Schicht weist einen Füllstoff und ein dispergiertes Bindemittel auf.
-
Innerhalb der Papierschicht bildet der Faserstoff ein dreidimensionales Netzwerk aus, die Papiermatrix. Die zweite Schicht ist auf dieser Papierschicht laminiert. Sie ist selbsthaltend oder wird durch einen Zusatzstoff an der zweiten Schicht und/oder in sich gehalten. Das dispergierte Bindemittel und/oder der Füllstoff können gleichmäßig in der zweiten Schicht verteilt sein.
-
In einer Ausführungsform ist der Füllstoffanteil in der zweiten Schicht größer 5 Gew.-%, vorzugsweise größer 20 Gew.-% und weiter vorzugsweise größer 50 Gew.-%. Das obere Limit für den Füllstoffanteil in der zweiten Schicht kann in einer Ausführungsform bei 90 Gew.-% und vorzugsweise bei 80 Gew.-% liegen. Dieser Füllstoffanteil kann in einem aus der zweiten Schicht resultierenden verfestigten Werkstoff zu besonders vorteilhaften Eigenschaften führen.
-
Das dispergierte Bindemittel kann in einer Ausführungsform die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen verfestigbaren Papier diskutierten Eigenschaften und Zusammensetzung haben. Auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen verfestigbaren mehrschichtigen Werkstoff kann ein pulverförmiges Bindemittel ist in der Verarbeitung besonders vorteilhaft sein, und die oben diskutierten Bindemittel werden als besonders geeignet angesehen, um bei einer beispielsweise thermischen Aktivierung unter moderaten Bedingungen ein stabiles Netzwerk auszubilden.
-
In einer Ausführungsform beträgt der Anteil des dispergierten Bindemittels in der zweiten Schicht mehr als 1 Gew.-%, vorzugsweise mehr 3 Gew.-% und weiter vorzugsweise mehr als 5 Gew.-%. Das obere Limit für den Anteil des dispergierten Bindemittels in der zweiten Schicht kann in einer Ausführungsform bei 80 Gew.-%, vorzugsweise bei 20 Gew.-% und weiter vorzugsweise bei 10 Gew.-% liegen. Diese Mengen werden als besonders geeignet erachtet, ein stabiles Netzwerk auszubilden und die vom Füllstoff geprägten Eigenschaften nach einer Verfestigung nicht maßgeblich zu beeinträchtigen.
-
Der Füllstoff der zweiten Schicht und/oder der Faserstoff der Papierschicht können in einer Ausführungsform die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen verfestigbaren Papier diskutierten Eigenschaften und Zusammensetzung haben.
-
In einer Ausführungsform ist es denkbar, der Papierschicht ein Additiv ausgewählt aus der Gruppe Stärke, Latex und Guar enthält, wobei die Stärke, der Latex und/oder der Guar gegebenenfalls elektrostatisch geladen sind. Diese Additive können die mechanischen Eigenschaften der Papierschicht positiv beeinflussen.
-
In einer Ausführungsform nimmt der verfestigbare mehrschichtige Werkstoff eine flächige Gestalt an. Er kann beispielsweise eine Dicke von zwischen 100 und 10000 μm, vorzugsweise zwischen 200 und 1000 μm und weiter vorzugsweise von zwischen 200 und 500 μm aufweisen. Ferner ist denkbar, dass der Werkstoff eine dreidimensionale Gestalt aufweist.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen, verfestigbaren mehrschichtigen Werkstoffs, wobei das Bindemittel und der Füllstoff im Rahmen der Stoffaufbereitung vermischt werden, und wobei die so erhaltene Mischung auf die als Träger wirkende Papierschicht aufgetragen wird.
-
Die Papierschicht kann in einer Ausführungsform im Rahmen eines Nasslegeprozesses hergestellt werden. Dabei kann beispielsweise eine Papiermaschine verwandt werden. Vorzugsweise erfolgt die bahnförmige Auftragung einer wässrigen Suspension der Fasern auf ein Auflageband. Die Mischung des Bindemittels und des Füllstoffes kann während oder nach der Fertigstellung der Papierschicht aufgetragen werden. Beispielsweise kann einer Auftragung im Nassteil einer zur Herstellung der Papierschicht verwandten Papiermaschine erfolgen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die Verarbeitung der Papierschicht und/oder des mehrschichtigen Werkstoffes mittels papiertechnologischer Formgebungsverfahren umfassen. Beispiele für derartige Formgebungsverfahren umfassen ein Rollen, Wickeln, Riffeln, Stapeln und/oder Laminieren.
-
In einer Ausführungsform ist es denkbar, die Papierschicht mit Hilfe eines Fasergussprozesses herzustellen, beispielsweise um dreidimensionale Formen zu erhalten. Die zweite Schicht kann im Rahmen des Fasergusses oder nach der Fertigstellung aufgetragen werden.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verfestigung eines erfindungsgemäßen, verfestigbaren mehrschichtigen Werkstoffs, wobei das dispergierte Bindemittel durch Temperaturerhöhung, Einwirkung von Feuchtigkeit und/oder Bestrahlung aktiviert wird. Eine thermische Aktivierung kann in einer Ausführungsform besonders vorteilhaft sein.
-
Im Rahmen der Aktivierung kann sich das dispergierte Bindemittel mit weiteren dispergierten Binderpartikeln und/oder anderen Komponenten der zweiten Schicht verbinden. Durch Verbindung mit weiteren dispergierten Binderpartikeln wird eine Bindermatrix ausgebildet. Die Bildung einer Bindermatrix kann also durch schonende Methoden erreicht werden. Verfestigt wird im Rahmen dieses Verfahrens also die zweite Schicht.
-
In einer Ausführungsform liegt die Temperatur bei der thermischen Aktivierung des Bindemittels bei mehr als 100°C. Bevorzugte Temperaturuntergrenzen umfassen 120°C oder 150°C. Die Temperaturobergrenze kann in einer Ausführungsform bei 1000°C liegen. Bevorzugte Temperaturobergrenzen umfassen 500°C oder 300°C. Diese Temperaturbehandlung beeinflusst die auf dem Füllstoff beruhenden Eigenschaften nicht. Es wird kein Sinterschwund beobachtet, und der Energieaufwand ist moderat.
-
In einer Ausführungsform wird die Papierschicht im Rahmen der Temperaturbehandlung zersetzt.
-
Das erfindungsgemäße Papier bzw. der erfindungsgemäße mehrschichtige Werkstoff bzw. die unter Verwendung erfindungsgemäßer Verfahren erhaltenen verfestigten Werkstoffe sind vielseitig einsetzbar. Denkbar ist eine Verwendung als Baumaterial, Konstruktionsmaterial oder Isoliermaterial (insbesondere bezüglich Temperatur oder Elektrizität). Weitere Möglichkeiten umfassen einen Einsatz als Filter, als Wärmetauscher oder Heatpipe, als Elektrode oder Batteriekomponente, als Komponente eines Energiespeichers, als Friktionsmaterial, als Katalysator, als Brennhilfsmittel, als Feuerfestmaterial, als Gasspeicher, als Flüssigspeicher oder als Ionenaustauscher.
-
Zusammenfassend betrifft die Erfindung also unter einem Aspekt ein hochgefülltes Papier, das neben einem funktionalen Füllstoff (z. B. einem mineralische Pulver oder Metallpulver) auch einen pulverförmigen Binder enthält. Es kann eine ausreichende Menge an Binderpulver zusammen mit dem funktionalen Füllstoff als homogene Mischung im Papierherstellungsprozess als Füllstoff eingesetzt werden. Der resultierende Werkstoff kann im Anschluss gegebenenfalls papiertechnologisch geformt und dann thermisch verfestigt werden. Hierbei muss beispielsweise lediglich die Temperatur gewählt werden, welche das verwendete Binderpulver zur Aushärtung benötigt. Es ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik unter anderem der Vorteil, dass eine Verfestigung durch einen Sinterbrand bei hohen Temperaturen nicht mehr notwendig ist, was zu den Aufwand und Energiebedarf deutlich reduziert. Ferner treten bei der Verfestigung keine nennenswerten Schwunderscheinungen auf, was für die Maßhaltigkeit komplexer Geometrien von Vorteil ist. Außerdem ist der Binder aufgrund des gleichmäßigen Eintrages beim Papierherstellungsprozess homogen im Werkstoff verteilt. Ein zusätzlicher Prozessschritt, wie er bei der Infiltration zum Eintrag eines flüssigen Bindemittels notwendig wäre, entfällt.
-
Es war vor auffinden der gegenständlichen Lehre nicht zu erwarten, dass Füllstoffe und pulverförmige Binder sich homogen gemischt im Zuge eines gängigen Papierherstellungsprozesses in das Papiergefüge einbringen lassen. Ferner war vorher nicht zu erwarten, dass sich ausreichend pulverförmiger Binder für eine thermische Verfestigung im Zuge eines gängigen Papierherstellungsprozesses in das Papiergefüge einbringen lässt, oder dass eine Pulvermischung aus pulverförmigem Füllstoff pulverförmige Binder ausreichend kompakt im Papier vorliegt, sodass eine thermische Verfestigung möglich ist. Letztlich war nicht zu erwarten, dass geformte Papierstrukturen im Zuge des thermischen Verfestigungsprozesses erhalten bleiben und ausreichend Festigkeiten erzeugt werden können.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus den im Folgenden Diskutierten Figuren und Ausführungsbeispielen. In den Figuren zeigen:
-
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen verfestigbaren Papiers und dessen Verfestigung; und
-
2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen verfestigbaren Werkstoffes und dessen Verfestigung.
-
In 1a wird ein erfindungsgemäßes verfestigbares Papier 1 schematisch dargestellt. Es umfasst eine Papiermatrix, die aus Zellstoffen 2 gebildet ist. Innerhalb der Papiermatrix befinden sich homogen verteilt Füllstoffpartikel 3 und pulverförmiges Bindermaterial 4. Dieses Papier kann durch Temperaturbehandlung verfestigt werden. 1b zeigt das verfestigte Produkt. Die Zellstofffasern 2 wurden durch die Temperaturbehandlung zersetzt, und durch Verbindung der Partikel des pulverförmigen Bindermaterials 4 wurde eine Bindermatrix 5 ausgebildet. Die Füllstoffpartikel 3 werden in der Bindermatrix 5 gehalten.
-
In 2a wird ein erfindungsgemäßer verfestigbarer mehrschichtiger Werkstoff 101 schematisch dargestellt. Es umfasst eine Papierschicht 110, die aus Zellstoffen 102 gebildet ist. Auf die Papierschicht 110 laminiert ist eine zweite Schicht 120, die homogen vermischte Füllstoffpartikel 103 und pulverförmiges Bindermaterial 104 aufweist. Dieser Werkstoff kann durch Temperaturbehandlung verfestigt werden. 2b zeigt das verfestigte Produkt. Die Papierschicht 110 wurde durch die Temperaturbehandlung zersetzt, und durch Verbindung der Partikel des pulverförmigen Bindermaterials 104 wurde in der zweiten Schicht 120 eine Bindermatrix 105 ausgebildet. Die Füllstoffpartikel 103 werden in der Bindermatrix 105 gehalten.
