DE19915154A1

DE19915154A1 - Verfahren zur Herstellung von porösen, schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen durch thermo-mechanische Aufbereitung und hydro-thermale Weiterverarbeitung

Info

Publication number: DE19915154A1
Application number: DE1999115154
Authority: DE
Inventors: Rolf Schneider; Peter Singer
Original assignee: UEC UMWELT ENTSORGUNGS CENTER
Current assignee: SCHNEIDER, ROLF, DR., 99625 BEICHLINGEN, DE
Priority date: 1999-03-27
Filing date: 1999-03-27
Publication date: 2000-09-28

Description

Problem

Dämm- und Leichtbaustoffe aus nachwachsenden Rohstoffen (Holz, Faserpflanzen) haben eine breite Anwendungspalette in der Bau- und Möbelindustrie sowie im Fahrzeugbau. Die Verarbeitung dieser Rohstoffe ist häufig mit dem Problem verbunden, daß einerseits neue Verarbeitungstechnologien zu entwickeln sind, andererseits infolge der oft leichten Entflammbarkeit von biologischen Fasern bzw. deren Empfindlichkeit gegenüber Schädlingen (Pilze, Bakterien, Insekten, Nagetiere) entsprechende chemisch-biologisch wirksame Zusätze erforderlich sind. Um eine entsprechende Schutzwirkung zu erreichen werden meist Imprägnierungen mit Salzlösungen oder anderen Substanzen vorgenommen, die entweder nur an der Faseroberfläche haften, oder durch Naßimprägnierung in die Faser eingebracht werden.

Dem Schutzanspruch für das Verfahren liegt das Ziel zugrunde durch Verknüpfung unterschiedlicher Prozesse über eine thermo-mechanische Aufbereitung und anschließende hydro-thermale Weiterbehandlung von biologischen Faserstoffen, wie Holzteilchen (Schäben), Fasern, Faserstäuben und Spänen, unter Zugabe von organischen und mineralischen Zuschlagstoffen einen druckfesten, formstabilen und schwer entflammbaren Faserverbundwerkstoff herzustellen.

Der Einsatz der Erzeugnisse erfolgt als kombinierter Leichtbau- und Dämmstoff für Holzbauwerke im Landbau (Stallungen, Dachstühle) sowie im Wohnbau (Fachwerkbau, Sanierung, Denkmalschutz. Diese Produkte werden sowohl als Material zur Ausfachung von Hohlräumen als auch in Bausegmenten (Kombination von Holzwerkstoffen und Sandwich- Verbundplatten) eingesetzt. Die Weiterverarbeitung zu Formsteinen und Granulat ermöglicht einen umfassenden Einsatz in Ständerbau- und Fachwerkbausystemen sowie im Innenausbau.

Es sind Verfahren bekannt, z. B. nach DE 29 618 110 oder DE 29 40 623, nach denen faserverstärkte Leichtbauprodukte durch Zugabe von hydraulisch wirkenden Bindemitteln Zement, Schlackenfeinpulver, Gipsfeinpulver sowie Schaummitteln und anschließender Dampfhärtung hergestellt werden.

Ebenso sind Verfahren bekannt, z. B. nach DE 38 07 017 C2, nach denen Pflanzenfasern durch Reibung unter hohem Druck zerfasert werden.

Lösung

Erfindungsgemäß liegt dem zum Schutzanspruch genannten Verfahren eine Verknüpfung unterschiedlicher mechanischer und chemisch-physikalischer Verfahren zugrunde mit dem Ziel, die Pflanzenfasern zunächst durch einen Calzium-Magnesium-Carbonatkomplex zu umhüllen und anschließend die so vorbehandelten Fasern unter Zugabe von Porenbildnern und biogener Kieselsäure durch die bei der anschließenden hydrothermalen Behandlung entstehenden Calciumsilikathydraten in ein mechanisch-druckfestes und wasserunlösliches Materialgefüge zu verbringen.

Die Technologie beinhaltet folgende Verfahrensschritte:

1. Die mittels Schredder zerkleinerten Holzteile werden unter Zugabe eines Magnesium/Calcium-Gemisches und biogener Kieselsäure in einer Doppelschnecken- Extruder-Anlage zerfasert, die Zellstrukturen und Ligninbindungen im Holz mit Hilfe von Druck, Temperatur und mechanischer Bearbeitung aufgebrochen. Nach dem Prinzip des Doppelschnecken-Extruders bilden sich in den Kammern der gegenläufig rotierenden Schneckenwellen stetige Volumenänderungen, die mit pulsierenden Druckzuständen gekoppelt sind. Das Aufgabegut erfährt dadurch beim Passieren der Kammern Gefügelockerungen, die durch gleichzeitige Wärmeentwicklung im Extruder gefördert werden, was am Ende des Arbeitsraumes bereits zum Faseraufschluß führt, der intensiv durch den "Dampfexplosionseffekt" beim Übergang vom hohen Druck im Extruder in den atmosphärischen Druck unterstützt wird. Durch diesen Vorgang erfolgt das "innere Zerreißen" des Holzgefüges in den Zonen geringerer Festigkeit, während die dabei entstehenden Elementarteilchen Zonen höherer Festigkeit bilden. Durch Zuführung von Kohlendioxid erfolgt unter der Temperatureinwirkung eine Karbonatisierung der Zuschlagstoffe und eine Umhüllung der Holzfaser.
Dem Extruder ist lediglich eine Zerkleinerung und Wasserbehandlung (Abtrennung von Schwergut und Schmutz im lnputstrom und Ausschleusung möglicher Störstoffe) vorgeschaltet.
2. Diese aufbereiteten Holzfasern werden gemeinsam mit den Zuschlagstoffen während der Passage durch den Extruder vorbehandelt und danach dem Mischer zugeführt. Durch diese Vorbehandlung wird eine Umhüllung der organischen Faserstoffe vorgenommen, um einerseits das Wasseraufnahmevermögen einzuschränken und dadurch die technologischen Weiterverarbeitungseigenschaften zu verbessern und andererseits eine Verbesserung der Feuerwiderstandsfähigkeit des Endproduktes zu erreichen. Die im Zuschlagstoff enthaltenen Alkalioxide (Kalium- oder Natriumoxid) reagieren zu Karbonaten. Durch diese Behandlung im Extruder werden die Faserstoffe von einem wenige Mikrometer dicken Karbonatfilm vollflächig umhüllt, wodurch die gewünschten Eigenschaften (Brand- und Queilhemmung) erzielt werden.
3. Die mineralischen Bindemittel werden mittels Schneckenförderer dem Silo entnommen und gemeinsam mit den vorbehandelten organischen Ausgangsstoffen dem Mischer zugeführt. Die Zuschlagstoffe (Porenbildner) werden unmittelbar während des Mischvorganges zugesetzt.
4. Nach der Materialaufbereitung wird die fließfähige Masse in eine Form gegeben, in welchem sie bis zum Abschluß der Porenbildung und der Abbindezeit verbleibt.
5. Mit Abschluß der Porenbildung und Abbinden wird der Materialrohling aus der Form entnommen und durch hydro-thermalen Behandlung mit Dampf gehärtet und getrocknet. Danach erfolgt die Zerlegung der getrockneten Blöcke in Platten bzw. Formsteine sowie die Oberflächenbehandlung (Fräsen von Nuten, evtl. Beschichtung).

Die bei der Aufbereitung der Naturfasermaterialien anfallenden Reststoffe, die für die Verbundfaserstoffherstellung nicht verwendbar sind, werden als Brennstoff der Heizanlage zugeführt um die erforderliche Prozeßenergie.

Die bei der Fertigung anfallenden Abfälle werden zerkleinert und wieder dem Mischer zugeführt. Das beim Trocknen entstehende Kondenswasser wird ebenfalls zurückgeführt. Hierdurch können weitestgehend geschlossene Stoffkreisläufe gesichert werden.

Erreichte Vorteile

Das Wesentliche des angegeben Verfahrens ist die chemisch-physikalische Umhüllung der Faser und deren Einbettung in einen wasserunlöslichen, mechanisch belastbares Materialgefüge mit statischen, schwer entflammbaren und wärmedämmenden Eigenschaften. In Ergänzung zu den auf dem Markt befindlichen Dämmstoffen ist die im Schutzanspruch angegebene Entwicklung dadurch gekennzeichnet, daß

- als Ausgangsstoff Fasermaterialien aus unterschiedlichen nachwachsenden Rohstoffen in Kombination mit organischen und mineralischen Zuschlagstoffen verwendet werden,
- durch die Art der Herstellung eine Kombination von thermo-mechanischer Vorbehandlung und eine hydro-thermale Weiterbearbeitung eine Einbettung der Naturfasermaterialien in Calciumsilikathydrate erfolgt,
- durch die chemisch-physikalische Behandlung ein wasserunlöslicher und schwer entflammbarer Faserverbundwerkstoff entsteht und
- infolge seiner Struktur und Materialzusammensetzung ein vollständiges Recycling des Faserverbundwerkstoffes ohne schädliche Nebenprodukte möglich ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von porösen, schwer entflammbaren Verbundwerkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen durch Kombination von thermomechanischer Aufbereitung und hydro-thermaler Behandlung, dadurch gekennzeichnet, daß die pflanzlichen ligninhaltigen Ausgangsstoffe mittels Druck und Temperatur aufgebrochen und die Fasern durch Zusatz eines Gemisches aus Calcium/Magnesiumoxid sowie Silikathydraten unter Zuführung von Kohlendioxid mit einem Calcium/Magnesiumcarbonatfilm umhüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbehandelte Holzfaser zur Herstellung eines gehärteten, faserverstärkten Verbundwerkstoffes verwendet wird, bei dem ein Gemisch aus

- vorbehandelter Holzfaser
- Holzteilchen (Schäben)
- Pflanzenfasern
- Calcium/Magnesiumoxidfeinpulver
- Portlandzement

vorgemischt und unter anschließender Zugabe von

- biogener Kieselsäure
- sowie Mischwasser und Porenbildner

zu einem Brei verrührt in eine Form gebracht,
der Brei innerhalb von 10 bis 15 Minuten porosiert und nach 45 bis 60 Minuten erhärtet,
der entstandene Rohling entformt und
der entformte Rohling mit gespanntem Dampf gehärtet und getrocknet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff faserverstärkt ist und dadurch verbesserte Eigenschaften bezüglich Biegesteifigkeit und Kantenbruchverhalten aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrochenen Faserstoffe unter Zugabe der in 1 und 2 genannten Zuschlagstoffe mittels thermo- mechanische Aufbereitung umhüllt und durch die bei der hydro-thermalen Behandlung entstehenden Calciumsilikathydrate in ein mechanisch druckfestes, wasserunlösliches und schwer entflammbares Materialgefüge verbracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs- und Zuschlagstoffe zu einem Brei verrührt,
dieser Brei unter Zugabe von Porenbildnern porosiert,
nach Abschluß der Porenbildung der Rohling formstabil abbindet
und der Rohling erst nach Aushärtung und Trocknung mit gespanntem Wasserdampf in die gewünschte Form zerschnitten wird.