DE102014013505A1

DE102014013505A1 - Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Naturfasern

Info

Publication number: DE102014013505A1
Application number: DE102014013505.5A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellen eines Formkörpers aus Naturfasern umfasst die Schritte, Bereitstellen von Naturfasern, Bereitstellen von Isocyanatverbindungen, Bereitstellen von Katalysatoren und Bereitstellen einer Presseinrichtung zum Pressen von Formkörpern, wobei aus den bereitgestellten Isocyanatverbindungen eine flüssige, organische Isocyanatverbindung ausgewählt wird und die bereitgestellten Naturfasern mit dieser Isocyanatverbindung intensiv durchmischt werden und die mit der flüssigen, organischen Isocyanatverbindung durchmischten Naturfasern mechanisch in eine gewünschte Form gepresst werden und die in die gewünschte Form gepressten Naturfasern auf eine solche Temperatur erwärmt werden, die eine dann exotherme verlaufende Härtungsreaktion auslöst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus Naturfasern mit den Schritten, Bereitstellen von Naturfasern, Bereitstellen von Isocyanatverbindungen, Bereitstellen von Katalysatoren und Bereitstellen einer Presseeinrichtung zum Pressen von Formkörpern, in der eine Mischung aus Naturfasern, Isocyanatverbindungen und Katalysatoren zu Formkörpern gepresst werden kann.
Ein solches Verfahren ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. So ist zum Beispiel die Herstellung von Formkörpern, insbesondere Platten aus Fasermaterialien, wie zum Beispiel Holz-, Stroh-, Hanf- oder sonstigen Pflanzenfasern oder organischen Bindemitteln, wie zum Beispiel Phenolharzen, Harnstoff-Formaldehydharzen, Polyurethanen etc., oder anorganischen Bindemitteln, wie zum Beispiel Portland- bzw. Aluminatzement, Gips, Alkalisilikat/Härter-Kombinationen etc., ist seit langem bekannt.
Auch bekannt ist die Kombination reaktionsfähiger organischer und anorganischer Bindemittel zur Herstellung von Kompositmaterialien oder zur Reduzierung der Entflammbarkeit von organischen Polymerschäumen bzw. Kunststoffen. So beschreiben US 5,622,999 bzw. DE 41 21 153 A1 die Kombination von organischen Isocyanatverbindungen und Alkalipolysilikaten zur Herstellung von Bindemitteln, Beschichtungen oder Schäumen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und erhöhter Hitze- und Chemikalienresistenz.
Durch einen Kontakt vom polymerisierbaren, organischen Isocyanaten mit Wasser in Gegenwart alkalisch regierender Substanzen, wie zum Beispiel Alkalisilikaten, können unterschiedliche Reaktionen bewirkt werden. Eine erste Möglichkeit einer Reaktion besteht darin, Polyharnstoffverbindungen über die Zwischenstufe einer instabilen Carbaminsäure zu bilden. Die Reaktion läuft wir folgt ab:

a) R-N=C=O + H-O-H → R-NH-COOH → R-NH₂ + CO₂
b) R-NH₂ + R-N=C=O → R-NH-CO-NH-R

Bei Einsatz von zwei- oder mehrfunktionalen Isocyanaten entstehen vernetzte Polyharnstoffe. Das gemäß a) abgespaltene Kohlendioxid (CO₂) bewirkt entweder eine Schaumbildung („Polyurethanschäume”) oder es kann, falls eine Schaumbildung unerwünscht sein sollte, durch eine entsprechend bemessene Zusatzmenge von Alkalien (zum Beispiel Alkalisilikaten) in Alkalikarbonate umgesetzt werden, ohne dass eine Gasbildung auftritt. Dabei entstehen in der Regel feste aber noch flexible Polymerisate.
Sind aber in der ursprünglichen Reaktionsmischung Verbindungen mit einer oder mehreren Hydroxylgruppe (Alkohole bzw. Polyole) zugegen, so entstehen mehr oder weniger vernetzte Polyurethane. Auch die an der Oberfläche von Naturfasern vorhandenen Hydroxylgruppen können eine derartige Reaktion mit Isocyanatgruppen eingehen und so zu einem besonders festen Verbund zwischen der einzelnen Faser und dem Isocyanatbindemittel führen.
Schließlich können besonders harte und starre Polymere durch die Trimerisierung von jeweils drei Isocyanatgruppen zu Isocyanurat-Ringstrukturen (Polymerisation) entstehen, wobei ebenfalls der Einsatz bis- oder mehrfunktionaler Isocyanate zu räumlich vernetzten Polymermolekülen führt.
Welche der vorstehend genannten Reaktionen in einem Reaktionsgemisch bevorzugt abläuft, kann zum Beispiel durch Art und Menge der eingesetzten Isocyanate, durch den Wassergehalt im Reaktionsgemisch, durch die Alkalität, durch Zusatz bestimmter Katalysatoren, wie zum Beispiel organischer Aminverbindungen, und durch die Reaktionstemperatur gesteuert werden.
All diese Verfahren des Standes der Technik haben den Nachteil, dass eine einmal hergestellte Reaktionsmischung nur eine sehr begrenzte Stabilität aufweist und somit in der Verarbeitbarkeit stark beschränkt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein eingangs genanntes Verfahren derart weiterzubilden, dass die Stabilität und Verarbeitbarkeit der Naturfasern, Isocyanatverbindungen und Katalysatoren deutlich verbessert wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus den bereitgestellten Isocyanatverbindungen eine flüssige, organische Isocyanatverbindung ausgewählt wird und die bereitgestellten Naturfasern mit dieser Isocyanatverbindung intensiv durchmischt werden, dass die mit der flüssigen, organischen Isocyanatverbindung durchmischten Naturfasern mechanisch in eine gewünschte Form gepresst werden, und dass die in die gewünschte Form gepressten Naturfasern auf eine solche Temperatur erwärmt werden, die eine dann exotherme verlaufende Härtungsreaktion auslöst.
Überraschend wurde gefunden, dass eine gezielte und gesteuerte Herstellung geformter Körper, insbesondere von Plattenmaterialien aus Naturfasern, möglich ist, wenn man die an sich nicht lagerstabil kompatiblen Einzelkomponenten bei Raumtemperatur in einem Mischbehälter intensiv bis zur Homogenität durchmischt, in die gewünschte Form bringt und auf eine solche Temperatur erwärmt, bei welcher ein dann exotherm verlaufender Polymerisationsprozess der Isocyanatbindemittel in gewünschter und zeitgesteuerter Weise ausgelöst wird.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die bereitgestellten Naturfasern vor dem Schritt des Durchmischens mit der ausgewählten flüssigen, organischen Cyanatverbindung besprüht werden. Dadurch ist die feine Verteilung der Isocyanatverbindung auf den Naturfasern besonders gut zu erreichen, was der intensiven Durchmischung förderlich ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die bereitgestellten Naturfasern der ausgewählten, flüssigen, organischen Isocyanatverbindung während des Durchmischens besprüht werden. Auch dadurch ist gewährleistet, dass die gleichmäßige Verteilung der Isocyanatverbindung auf den Oberflächen der Naturfasern erreicht wird und bei der Durchmischung eine ausgezeichnete Homogenität erreicht wird.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt:
Es wird eine handelsübliche Presseinrichtung verwendet, mit der auch Spanplatten unter mechanischem Druck in die gewünschte Form gebracht werden können. Solche Pressen sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und können auch für das Verfahren der vorliegenden Erfindung unmittelbar oder leicht verändert eingesetzt werden.
Die für die vorliegende Erfindung bereitgestellten Naturfasern sind im Grunde beliebige Fasern von Ein- und Mehrjahrespflanzen, die vor dem Einsatz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zerkleinert werden und eine Gleichgewichtsfeuchte aufweisen. Solche Fasern sind zum Beispiel Getreidestroh, Hanf, Flachs, Miscanthus oder Reisstroh.
Die Naturfasern werden in einen Mischbehälter gegeben und dann mit einer organischen, flüssigen Isocyanatverbindung besprüht. In der Regel erfolgt dies aus voneinander getrennten Beleimungssystemen, die auf die Fasermaterialien gerichtet sind und diese während des Mischvorgangs besprühen. Die mit der organischen, flüssigen Isocyanatverbindung imprägnierten Naturfasern werden intensiv durchmischt, so dass die organische, flüssige Isocyanatverbindung mit den Naturfasern homogen verteilt ist. Zusätzlich zu der eingesprühten organischen, flüssigen Isocyanatverbindung wird auch ein Katalysator hinzugefügt und gemischt. Der Katalysator liegt in einer Menge von 0,01 bis 2,0, vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 Gew.%, bezogen auf den Isocyanatwirkstoff, vor.
Das Isocyanatbindemittel liegt in einer Menge von 1 bis 30 Gew.%, vorzugsweise 3 bis 6 Gew.%, bezogen auf die Trockenmasse der Naturfasern, vor. Die intensiv, bis zur Homogenität, gemischte Zusammensetzung wird dann in eine Pressform gegeben und unter Pressdrücken von 2 bis 12 Pa in Form gebracht. Sobald die gewünschte Form erzielt ist, wird das in der Form befindliche Material auf eine Reaktionstemperatur erwärmt, die zwischen 70 und 140°C, vorzugsweise zwischen 80 und 110°C liegt.
Auf diese Weise können Formteile von etwa 6500 mm Länge und Stärken bis 450 mm und 2600 mm Höhe und mit Dichten von 200 kg/m³ bis 350 kg/m³ standardmäßig hergestellt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, Sandwichmodule mit Deckschichten aus Holz-, Gips- und Furnierplatten in einem Arbeitsgang herzustellen.
Nach einer individuellen Aushärtungszeit kann der gepresste Formkörper aus der Form entnommen werden. Die hergestellten Formkörper finden Verwendung für Konstruktion und Isolierung im Bereich von Gebäuden, auf dem Möbelsektor, im Fahrzeugbau und anderen Anwendungsbereichen. Als Katalysatoren können im Grunde alle solche Stoffe verwendet werden, die dem Strukturtyp der Polyoxyalkylengruppe angehören.
Eine Verarbeitung der Naturfasern bei einer Grundfeuchte von bis zu 18% ist möglich.
Die Eigenschaften des Systems werden über eine Präpolymerbildung des Isocyanats eingestellt. Dies bedeutet, dass eine Polyol-Isocyanatreaktion bereits im Binder vorweg genommen wird. Aufgrund seiner hydrophilen Eigenschaften kann dann der Binder mit den natürlichen verwendeten Fasermaterialien im Produktionsprozess unter Kohlendioxidentwicklung ausreagieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5622999 [0003]
DE 4121153 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellen eines Formkörpers aus Naturfasern, mit den Schritten: – Bereitstellen von Naturfasern; – Bereitstellen von Isocyanatverbindungen; – Bereitstellen von Katalysatoren; und – Bereitstellen einer Presseinrichtung zum Pressen von Formkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass aus den bereitgestellten Isocyanatverbindungen eine flüssige, organische Isocyanatverbindung ausgewählt wird und die bereitgestellten Naturfasern mit dieser Isocyanatverbindung intensiv durchmischt werden, dass die mit der flüssigen, organischen Isocyanatverbindung durchmischten Naturfasern mechanisch in eine gewünschte Form gepresst werden, und dass die in die gewünschte Form gepressten Naturfasern auf eine solche Temperatur erwärmt werden, die eine dann exotherme verlaufende Härtungsreaktion auslöst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellten Naturfasern vor dem Schritt des Durchmischens mit der ausgewählten flüssigen, organischen Isocyanatverbindung besprüht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellten Naturfasern mit der ausgewählten, flüssigen, organischen Isocyanatverbindung während des Durchmischens besprüht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählte flüssige, organische Isocyanatverbindung ein Diphenylmethandiisocyanat, ein Isomer oder ein Homolog aus der Gruppe der aliphatischen oder aromatischen Isocyanate mit zwei oder mehreren Isocyanatgruppen pro Molekül ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Durchmischens der bereitgestellten Naturfasern mit der ausgewählten flüssigen, organischen Isocyanatverbindung in diese Isocyanatverbindung mit den Isocyanaten lagerstabil verträglicher Katalysator in einer Länge von 0,01 bis 2,5 Gew.% in Bezug auf den Isocyanatwirkstoff homogen eingemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in einer Menge von 0,1 bis 0,8 Gew.% in Bezug auf den Isocyanatwirkstoff enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Katalysator ein Vernetzungsmittel aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern, die Isocyanatverbindung und der Katalysator bezogen auf die Trockenmasse in einem Mengenverhältnis gemischt werden, bei dem Naturfasern 1 bis 30 Gew.%, die Isocyanatverbindung 3 bis 6 Gew.%, der Katalysator 0,5 bis 6 Gew.%, vorzugsweise 1 bis 3 Gew.%, und Wasser 0,5 bis 5 Gew.%, vorzugsweise 1 bis 15 Gew.% enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Gemisch aus Naturfasern, Isocyanatverbindung und Katalysator bei einer Temperatur zwischen 5°C und 40°C, vorzugsweise zwischen 15°C und 30°C hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Gemisch aus Naturfasern, Isocyanatverbindung und Katalysator unter Anwendung eines Pressdrucks zwischen 2 Pa und 12 Pa in Form gepresst wird und anschließend auf eine Reaktionsausgangstemperatur zwischen 70°C und 140°C, vorzugsweise zwischen 80°C und 110°C erwärmt wird.