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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 einen Materialverbund, vorzugsweise als verdichteter Formkörper ausgebildet und/oder zur Herstellung von Formkörpern geeignet, welcher mindestens ein Hydrogel bildendes natürliches und/oder synthetisches Superabsorberpolymer (SAP) und offenporigen Coir Fibre Pith (CFP) enthält, wobei unter Materialverbund und/oder Formkörper nicht nur Fertigprodukte, sondern auch Zwischenprodukte verstanden werden, wie beispielsweise Materialverbunde enthaltend mindestes ein Hydrogel bildendes Polymer und Coir Fibre Pith (CFP), welche zur Herstellung von Fertigprodukten vorgesehen sind und/oder vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, zur Behandlung und/oder Einbringung in natürliche Boden- und Erdsubstrate und/oder Boden- und Erdestrukturen und zur Verbesserung von unbepflanzbaren Bodenstrukturen und der Erhöhung des Wasserspeichervermögens von trockenen Böden über einen langen Zeitraum dient.
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Es ist bekannt, dass vernetzte und/oder teilvernetzte Polyacrylsäuren und/oder Copolymere auf der Basis von Polyacrylsäure und Polyacrylamid, insbesondere in ihrer Salzform, in der Lage sind, ein Vielfaches ihres Eigengewichtes an Wasser, wässrigen Flüssigkeiten und auch Oel-Wasser-Dispersionen und/oder -Suspensionen aufzunehmen und unter Ausbildung von Hydrogelen zu binden und wieder abzugeben.
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Erläuternd ist dazu am Beispiel von auf Polyacrylsäure basierten SAP auszuführen: Polyacrylsäure ist eine farblose Substanz, die sich gut in Wasser löst. Die Glasübergangstemperatur liegt bei > 100 Grad Celsius. Oberhalb von 200 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius verliert das Polymer Wasser, wobei unlösliche vernetzte Anhydride entstehen. Ab ca. 350 Grad Celsius kommt es zur Zersetzung zu Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen. Für die Herstellung von Polyacrylsäure können verschiedene Verfahren genutzt werden, meist die Lösungspolymerisation in Wasser, die Fällungs- oder die Emulsionspolymerisation, aber auch die Hydrolyse von Acrylsäure-Derivaten (Ester, Nitrile, Amide) hat eine größere Bedeutung erlangt. Ein besonders großes Eigenschaftsspektrum ist durch Copolymerisation mit anderen Comonomeren möglich. Polyacrylsäure wird als Handelsprodukt in der Säure- oder Salzform angeboten.
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Vernetzte oder teilvernetzte Polyacrylsäure als Kalium- oder Natriumsalz der Polyacrylsäure wird vorzugsweise als extrem Flüssigkeit aufsaugender, so genannter Superabsorber (SAP) eingesetzt, beispielsweise in Babywindeln oder Damenbinden. Weitere Anwendungen liegen in der Verpackung feuchtigkeitsempfindlicher oder Flüssigkeit absondernder Lebensmittel oder als Gel-Bildner in der Arzneimittelherstellung. Das Polymer liegt für alle genannten Verwendungen in vernetzter und/oder teilvernetzter Form vor. Die Vernetzung ist notwendig, um die Unlöslichkeit des Polymers in Wasser zu gewährleisten. Die Lücken und Hohlräume des Netzwerkes werden durch Wasser ausgefüllt, dadurch entsteht ein Hydrogel.
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Superabsorber (SAP) können ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser absorbieren, wobei sie zu einem Hydrogel aufquellen. Polymerketten, vor allem von Polyacrylsäure, werden durch vereinzelte kovalente Bindungen untereinander verknüpft. Diese leichte Vernetzung ist notwendig, um die Unlöslichkeit des Polymers in Wasser zu gewährleisten.
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Ein Hydrogel ist ein in Wasser oder in wässrigen Flüssigkeiten gequollenes hydrophiles polymeres Netzwerk. Die Eigenschaften dieser Gele sind abhängig von der Wechselwirkung zwischen Netzwerk und umgebender Flüssigkeit.
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Ein bekanntes natürliches Hydrogel, auf der Basis von natürlichen Rohstoffen ist zum Beispiel die Götterspeise, in der das Polymer aus Gelatine aufgebaut ist. Die Gelatine macht nur etwa 3% des Volumens der Götterspeise aus, der Rest ist gesüßtes, mit Aroma und Farbstoffen angereichertes Wasser.
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In ionischen Gelen muss der osmotische Beitrag der ionischen Gruppen berücksichtigt werden, der großen Einfluss auf die Quelleigenschaften der Gele hat. Zum Beispiel sind in einem Polyacrylsäure-Gel die Acrylsäure-Gruppen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet. Die gleichen Ladungen der dissoziierten Carboxylat-Gruppen stoßen sich ab, die polymeren Ketten strecken sich und das Gel quillt in extremer Weise an. Solche Netzwerke können bis zu 1000 g Wasser pro Gramm Polymer aufnehmen.
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Aufgrund dieser Produkteigenschaften werden vernetzte und/oder teilvernetzte synthetische Polyacrylsäuren als Superabsorber, in der Kurzform mit SAP bezeichnet, genannt. Dies gilt auch für die natürlichen Superabsorberpolymere, die ebenfalls nach der Lehre der Erfindung verwendet werden können.
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Stand der Technik
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Es war nun nahe liegend das Wasserbindevermögen der so genannten Superabsorber (SAP) dazu zu nutzen, dass diese als Wasserspeicher bei trockenen Böden zum Einsatz kommen, insbesondere dann, wenn es darum geht, in heißen Klimazonen den Wasserhaushalt zu regulieren und sicherzustellen, dass das für das Pflanzenwachstum erforderliche Wasser nicht schnell verdunstet und über einen längeren Zeitraum gebunden ist und an die Pflanzen abgegeben werden kann. Hier sind in der einschlägigen Fach- und Patentliteratur vielfältige Anwendungsbeispiele und Studien, gerade in den letzten zehn Jahren, veröffentlicht worden.
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Grundsätzlich wird immer empfohlen, dass der Superabsorber (SAP) mittels geeigneten mechanischen Vorrichtungen in die Bodenstruktur eingearbeitet wird. Nachteilig ist allerdings, da die Superabsorber (SAP) bei Wassereinwirkung zum Verkleben neigen und selbst keine Pflanzerdestruktur aufweisen, so dass damit zum Beispiel bei Anwendung in Wüstenbereichen, zwar Wasser in den Wüstensandböden gebunden wird aber keine Struktur gegeben ist bzw. erzielt wird, die ein erfolgreiches Bepflanzen und Wachstum ermöglicht.
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Bedingt und mit ausreichender Wirkung können die Superabsorber (SAP) nur dann angewendet werden, wenn diese bereits in Bodensubstraten eingearbeitet werden, deren Struktur zur Bepflanzung mit Nutzpflanzen geeignet ist. Hinzu kommt, dass die Superabsorber (SAP) das gebundene Wasser zum Teil nur sehr schwer abgeben und damit für das Pflanzenwachstum nicht, wie gewünscht, zur Verfügung stehen. Weiterhin ist nachteilig, dass zur Erzielung eines Effektes relativ große Beimengungen von Superabsorber (SAP) erforderlich sind und damit die Anwendung von Superabsorber (SAP) sehr teuer ist. Aufgrund dieser Nachteile hat sich die Anwendung von Superabsorbern auf der Basis von Acrylsäurepolymeren und anderen SAP in diesem Bereich bisher nicht durchgesetzt.
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In neuerer Zeit wurden Produkte bekannt, die hier Abhilfe schaffen sollen. Diese Produkte bestehen aus gemahlenem Lavagestein, in das Superabsorber (SAP) eingearbeitet wurde oder an dieses gebunden ist. Solche Superabsorber (SAP) und deren Herstellung und Anwendung werden beispielsweise in der PCT-Anmeldung mit dem internationalen Aktenzeichen
PCT/DE02/03159 beschrieben.
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Die Anwendung solcher an Lavagestein oder ähnliche, poröse Gesteine und/oder Gesteinsmehl gebundene Superabsorber (SAP), bringt zwar wesentliche Verbesserungen in der Anwendung aber auch dadurch entsteht keine Bodenstruktur, die ohne zusätzliche Substraterden mit Erfolg bepflanzt werden kann. Produkte aus Lavagestein kombiniert mit Superabsorber (SAP) werden derzeit weltweit unter der Markenbezeichnung Geohumus getestet und bestehen aus etwa achtzig Gewichtsprozent Lavagesteinsmehl und zwanzig Gewichtsprozent Superabsorber. Diese Produkte sind, durch den sehr aufwändigen Herstellungsprozess, sehr teuer. Damit ist deren Einsatz in Trocken- und Wüstengebieten nur mit sehr großem Kostenaufwand möglich.
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Des Weiteren wird in der Offenlegungsschrift
DE 100 28 990 A1 ein Verfahren zur Bindung von Kondenswasser vorgeschlagen bei dem das in die Lagerbehälter einzubringende Material neben den Hydrogel bildenden Polymeren auch Kokosfasern enthalten kann. Dieser Zuschlag dient aber nur der mechanischen Verfestigung des Materials.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2006 038 901 A1 beschreibt Substrate und Verbundwerkstoffe mit fasrigen, mineralischen und Düngemittel-Zuschlägen und wasserspeichernden Stoffen, die allerdings nicht als die Bodenstrukturen verbessernde Langzeit-Wasserspeicher geeignet sind, da die vorgeschlagenen organischen Zuschlagstoffe keine offenporige Struktur und keine nennenswerte Wasserspeicherkapazität ausweisen.
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In der UK Patent Application
GB 2 269 378 A wird ein fasriger Materialverbund zur Kultivierung von Pflanzen, zur Anzucht und Keimung von Pflanzensaaten, der Polymere enthalten kann, die allerdings vornehmlich als Bindemittel dienen, beschrieben. Der Zuschlag von offenporigen, organischen Zuschlagstoffen mit einem hohen natürlichen Ligningehalt ist nicht vorgesehen.
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In der PATENT ABSTRACTS OF
JAPAN 09009810 A wird der Zusatz von getrocknetem „coconut powder”, also Pulver aus der inneren Schale der Kokosnuss gewonnen, in Verbindung mit Wasser speichernden Polymeren und anderen Zuschlagstoffen empfohlen. Getrocknetes „coconut-powder” nimmt fast kein Wasser auf und verbessert damit nicht das Wasseraufnahmevermögen dieser Komposite.
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Die Offenlegungsschrift
DE 3031 304 A1 beschreibt die Herstellung und Zusammensetzung spezieller Hydrogele mit hoher Wasserabsorption und geringer Wasserlöslichkeit aber ohne Zusatz von nicht fasrigen, offenporigen organischen und anorganischen Zuschlagstoffen.
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In der Ofenlegungsschrift
DE 39 04642 A1 wird ein Bindemittel für Flüssigkeiten offenbart, das neben den Hydrogel bildenden Polymeren, vornehmlich anorganische Zuschlagstoffe mit großer Oberflächenstruktur enthält und/oder mit fasrigem Aufbau aber keine Zuschlagstoffe, die offenporig sind und sich durch einen hohen Gehalt an natürlichen Ligninverbindungen auszeichnen.
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In der PCT-Anmeldung
WO 92/19095 wird vorgeschlagen, kompostierte Reisschalen mit Superabsorber-Polymeren zu kombinieren. Solche haben zwar ein sehr gutes Wasserspeichervermögen aber nicht die Eigenschaft bei der Einarbeitung zum Beispiel in sandigem Wüstenboden diesem eine bepflanzbare Struktur zu geben.
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Soweit in der einschlägigen Nicht- und auch Patentliteratur die Verwendung von CFP und/oder Kokosfasern vorgeschlagen und beschrieben wird, sind dies nur beispielhafte allgemeine Hinweise, dass es möglich ist, solche Stoffe zu Materialkombinationen, die SAP enthalten können, zuzusetzen aber es wird nicht offenbart und beschrieben, dass neue Material-Verbunde und/oder Formkörper aus einem innigen Verbund aus speziell aufbereitetem und klassiertem CFP und SAP für die erfindungsgemäßen Einsatz- und Anwendungsbereiche resultieren oder dies als Aufgabe für Erfindungen und/oder Vorschläge zugrunde liegt.
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Aufgabenstellung
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, einen Materialverbund und/oder Formkörper zu schaffen, der preiswert herzustellen ist und die aufgezeigten Nachteile behebt und universell gemäß dem beschreibenden Teil des Schutzrechtsanspruchs 1 angewendet werden kann.
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Idealerweise sollte ein solcher Materialverbund und/oder Formkörper, unter Nutzung der Wasser speichernden Eigenschaften der Superabsorber (SAP), unter Einwirkung von Wasser und/oder Flüssigkeiten expandieren und unter Bindung des Wassers, ein fertiges bepflanzbares Bodensubstrat bilden oder bei Untermengung in nicht bepflanzbare Bodenstrukturen, diese so umformen und auflockern, dass diese nach Einarbeiten dieses Materialverbundes und/oder Formkörpers und anschließender Beregnung sich zu einem bepflanzbaren Bodensubstrat umformt, das über ein das Pflanzenwachstum förderndes Wasserspeichervermögen verfügt und in der Lage ist, ein Vielfaches des Eigengewichtes an Wasser zu binden und dieses aber auch wieder verfügbar an die Pflanzen abgibt.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt aus den beschreibenden und kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung aus den Unteransprüchen 2 bis 18 und den nachfolgenden erfindunsgemäßen Offenbarungen.
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Es wurde überraschend gefunden, dass die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst wird, dass homogene Materialverbunde und/oder Formkörper ausgebildet und angewendet werden, die mindestens ein natürliches und/oder synthetisches mit Wasser ein Hydrogel bildendes Superabsorberpolymer (SAP) und/oder -Copolymer und/oder einen Materialverbund mit einem SAP-Anteil von mindestens 20 Gew.-% ausweisen, also einen Superabsorber (SAP) und offenporigen Coir Fibre Pith (CFP) enthalten.
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Nach der Lehre der Erfindung können damit auch Materialverbunde und/oder Superabsorberkomposite und/oder Superabsorberhybridmaterialen eingesetzt werden, bei denen das SAP bereits an andere organische und/oder anorganische Stoffe gebunden und/oder diese als Zuschlagstoffe im SAP einpolymerisiert sind.
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Coir Fibre Pith (CFP), auch „coconut coir dust” genannt, ist ein Abfallprodukt, das in sehr großen Mengen, die jährlich bei über 20 Millionen Tonnen liegen dürfte, anfällt. Dieses Abfallprodukt steht als nachwachsender Rohstoff damit preisgünstig zur Verfügung.
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Erläuternd ist zur Definition von Coir Fibre Pith (CFP) nachfolgendes auszuführen, da auch in Fachkreisen sehr oft, die allgemein bekannten Kokosfasern und der offenporige, Kork ähnliche Coir Fibre Pith gleich gesetzt werden.
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Die Kokosnuss (Cocos nucifera) ist von außen nach innen folgendermaßen aufgebaut:
Dünne, gelbbraune, wasserdichte Außenhaut (Exokarp), dicke fasrige Mittelschicht (Mesokarp), gefolgt von der steinharten Innenschicht also dem eigentlichen Kokosnusskern (Endokarp), der eine 1 bis 2 cm dicke, weiße, ölhaltige Kopraschicht (festes Endosperm) enthält und diese Hohlkugel ist gefüllt mit der Kokosmilch (flüssiges Endosperm).
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Zur Gewinnung von Kokosfasern, die in der dicken, fasrigen Mittelschicht (Mesokarp) eingelagert sind, wird dieser Teil der Kokosnuss, im englischen Sprachraum „coconut husk” genannt, über einen längeren Zeitraum in Wasser gelagert und dann die Koskosfasern mechanisch aus dieser dicken, fasrigen Mittelschicht entfernt. Dabei fällt Coir Fibre Pith (CFP) an, und zwar beträgt der Anfall an Coir Fibre Pith (CFP) pro Kilogramm Kokosfasern etwa zwei Kilogramm Coir Fibre Pith (CFP).
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Coir Fibre Pith (CFP) fällt bei diesem Gewinnungsprozess als nasses, Kork ähnliches Material an und hat durch die Lagerung in Wasser etwa achtzig Gewichtsprozent Wasser aufgenommen und in den offenporigen Zellen gespeichert und weist einen sehr hohen Salzgehalt, vornehmlich Natriumchlorid und Kaliumchlorid, aus.
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Die Teilchengröße dieses Kork ähnlichen, schwammartigen Materials, liegt vornehmlich im Bereich von einem bis sechs Millimeter. Die Farbe von Coir Fibre Pith (CFP) ist dunkel-braun. Coir Fibre Pith (CFP) von hell brauner Farbe fallt an, wenn frische, nicht im Wasser gelagerte „coconut husk” entfasert werden.
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Coir Fibre Pith (CFP) besteht bis zu fünfzig Prozent aus natürlichem Lignin und enthält zusätzlich Cellulose, Hemicellulose und Pektin. Coir Fibre Pith (CFP) hat eine offene Zellstruktur. Die innere Porosität liegt bei ca. 40 bis 50 Prozent des Volumens, wenn Partikel größer als ein Millimeter vorliegen. Die Porengröße liegt zwischen dreißig bis achtzig Mikrometer. Es handelt sich um ein sehr saugfähiges, schwammartiges Material, das eine ausgezeichnete Kapillarität und ein gutes Wasserspeichervermögen hat.
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Aufgrund dieser Eigenschaften von Coir Fibre Pith (CFP) wird CFP schon seit Jahrzehnten als Bodenverbesserungsmittel anstelle von Torf oder Torf ähnlichen Produkten eingesetzt, denn es kommt hinzu, dass CFP physikalisch äußerst stabil ist und aufgrund des hohen Anteils an Lignin, auch durch Mikroorganismen, nur sehr schwer abgebaut wird und dadurch sehr lange seine lockere, poröse Struktur und Wasserspeichervermögen behält. Das Wasserspeichervermögen von Coir Fibre Pith (CFP) kann, je nach Partikelgröße und dem Porenvolumen, bis zum Zwölffachen des Eigengewichtes betragen.
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Die aufgeführten Materialeigenschaften führen dazu, dass getrockneter Coir Fibre Pith (CFP) in gepresster Form, zum Beispiel bei einer Verdichtung zwischen vier zu eins oder acht zu eins, bei Wassereinwirkung expandiert und ein krümeliges, lockeres und Wasser speicherndes Bodenverbesserungsmittel oder Pflanzsubstrat bildet. Solche Bodenverbesserungsmittel werden aus getrocknetem Coir Fibre Pith (FCP) in Form von gepressten Blöcken vermarktet und angewendet. Getrockneter Coir Fibre Pith (CFP) hat durchschnittlich eine Restfeuchte von fünfzehn bis zwanzig Gewichtsprozent.
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Nachteilig ist, dass vor der Einarbeitung von Coir Fibre Pith (CFP) in verpresster Blockform als Bodenverbesserungsmittel eine Behandlung mit Wasser erfolgen muss, da der Transport von unverpresstem Coir Fibre Pith (CFP) zu teuer ist. Hinzu kommt, dass das Expandieren zu einem krümeligen Substrat bei großen Blöcken sehr zeitaufwändig ist.
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Ein erheblicher anwendungstechnischer Nachteil für den Einsatz von CFP als Langzeitwasserspeicher ist dadurch gegeben, dass das im CFP gespeicherte Wasser sehr schnell abgegeben wird, beziehungsweise verdunstet.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wurde überraschend gefunden, dass die Nachteile, die die Superabsorber (SAP) als Bodenverbesserungsmittel und Langzeitwasserspeicher haben und auch Coir Fibre Pith (CFP) als Bodenverbesserungsmittel und Wasserspeicher, durch einen Materialverbund und/oder Formkörper aus Superabsorber (SAP) und speziell aufbereitetem und klassierten Coir Fibre Pith (CFP) behoben werden können. Diese wesentliche Verbesserung der Produkteigenschaften gilt auch im Vergleich zu den übrigen vorgeschlagenen Materialverbunde nach dem offenbarten und zitierten Stand der Technik.
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Durch die Zusammensetzung, die Art der Herstellung und die Anwendung unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Produkte von allen bekannten Materialkombinationen, die Superabsorber (SAP) enthalten. Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, entsprechende Weiterbildungen, Herstellung und Anwendung wird durch nachstehende Erläuterungen und Beispiele, unter Bezug auf den Hauptanspruch 1 und die weiterbildenden Unteransprüchen, offengelegt und beschrieben.
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Die Beispiele und die Lehre der Erfindung verwendet in dieser Schrift, der besseren Verständlichkeit wegen, wenn nicht gesondert gekennzeichnet, als Hydrogel bildendes Polymer (SAP) ein Kaliumpolyacrylat der Firma BASF, das als Handelsprodukt unter der Marke Lquasorb 1280 RS vertrieben wird. Das zum Einsatz kommende CFP entspricht der in der Folge definierten erfindungsgemäß offenbarten und spezifisierten Qualität und den erfindungsgemäß angepassten und eingestellten Materialeigenschaften.
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Beispiel 1
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Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, unter Bezugnahme auf den Hauptanspruch 1, einen typischen, erfindungsgemäßen Materialverbund der als Bodenverbesserungsmittel und Langzeitwasserspeicher eingesetzt werden kann.
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90 Kilogramm Coir Fibre Pith (CFP), mit einer Restfeuchte von zwanzig Gewichtsprozent und Teilchengrößen des Coir Fibre Pith (CFP) zwischen einem bis fünf Millimeter, werden in einem Zwangsmischer mit 10 Kilogramm Kaliumpolyacrylat der BASF mit der Markenbezeichnung Luquasorb 1280 RS bei einer Temperatur zwischen zwanzig und dreißig Grad Celsius zu einem homogenen Materialverbund gemischt, bis die Kaliumpolyacrylat-Teilchen an den Coir Fibre Pith (CFP) fixiert sind. Dieser Materialverbund kann als Bodenverbesserungsmittel mit ausgezeichneter Wirkung als Langzeitwasserspeicher zum Einsatz kommen, denn dieser erfindungsgemäße Materialverbund expandiert unter Wassereinwirkung und unter Volumenvergrößerung zu einem krümeligen, Humus ähnlichen, lockerem Substrat und ist in der Lage, die dreißigfache Menge seines Eigengewichtes an Wasser zu binden und wieder abzugeben. Nach Abgabe des gebundenen Wassers ist der Reaktivierungsvorgang des Materialverbundes durch Wasser fast beliebig wiederholbar.
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Der Materialverbund gemäß Beispiel 1 lässt sich leicht zu Formkörpern pelletieren und/oder verpressen.
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Anstelle für das im Beispiel 1 und den folgenden Beispielen eingesetzte Kaliumpolyacrylat-Kaliumsalz können, wie offenbart, zum Aufbau der erfindungsgemäßen Materialverbunde und/oder Formkörper grundsätzlich alle Hydrogel bildende Polymere und Copolymere verwendet werden, die zu der Gruppe der Superabsorberpolymere (SAP) gehören.
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Dadurch ist es möglich, für spezifische Anwendungen maßgeschneiderte Materialverbunde herzustellen. Die Auswahl der Hydrogel bildenden Polymere ist abhängig von den angestrebten Produkteigenschaften und Anwendungsbereichen.
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Dies gilt auch entsprechend für den Mengenanteil der im erfindungsgemäßen Materialverbund enthaltenen Hydrogel bildenden Polymere und/oder Copolymere und den Anteil an Coir Fibre Pith (CFP).
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Zur verständlicheren Darstellung in den Beschreibungen wird, soweit zweckmäßig, in der Folge für die Hydrogel bildende Polymere, gleich welchen Typs, die Bezeichnung SAP-Polymer oder die Kurzform „SAP” verwendet. Die Beispiele und die Lehre der Erfindung verwendet in dieser Schrift, der besseren Verständlichkeit wegen, wenn nicht gesondert gekennzeichnet, als Hydrogel bildendes Polymer ein Kaliumpolyacrylat der Firma BASF das als Handelsprodukt unter der Marke Lquasorb 1280 RS vertrieben wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Hydrogel bildenden Polymere und/oder Copolymere und/oder die Materialverbunde und/oder Formkörper eingefärbt sind, so dass der mit Wasser expandierte, erfindungsgemäße Materialverbund eine einheitliche, dunkle Erdfarbe ausweist. Zusätzlich wird durch die Einfärbung erreicht, dass eine verbesserte UV-Stabilität des erfindungsgemäßen Materialverbundes und/oder Formkörper gegeben ist.
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Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Hydrogel bildenden Polymere einen Indikatorfarbstoff enthalten, vorzugsweise auf der Basis einer Eisen-(III)-Alaunverbindung, der bei Wassereinwirkung durch Farbumschlag die Wasseraufnahme und/oder Sättigung anzeigt.
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Dies erleichtert die optische Konntrolle des Wirkungsgrades betreffend Wasseraufnahme und Wasserabgabe des eingesetzten Verbundmaterials und/oder Formkörper.
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Wesentlich für eine optimale Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Materialverbunde und/oder Formkörper ist, dass der Materialverbund mindestens einen Wassergehalt von fünf Gewichtsprozenten ausweist, da dieses Wasser bereits eine Hydrogelbildung einleitet, die eine feste Bindung und/oder Einlagerung und/oder Anlagerung an den Coir Fibre Pith (CFP) ermöglicht.
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Bevorzugt wird aber der Einsatz von CFP mit einer Restfeuchte von 15–20 Gew.-% da diese beim Misch- und Formprozess die Hydrogelbildung beim SAP einleitet und dadurch eine feste Bindung der SAP-Partikel an den Coir Fibre Pith (CFP) erreicht wird. Durch Anpassung der Wasserzugabe bei der Herstellung der erfindungsgemäßen „SAP-Verbunde” können so, die Einlagerung, Bindung, Fixierung und/oder Umhüllung von Coir Fibre Pith (CFP) auf die zu erzielenden Produkteigenschaften angepasst werden.
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Es hat sich gezeigt, dass für eine optimale Ausbildung der erfindungsgemäßen Materialverbunde die Teilchengröße von Coir Fibre Pith (CFP) über 500 Mikrometer liegen muss, so dass eine optimale Anbindung und/oder Einlagerung erreicht wird.
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Die vielfältigen Ausführungs-, Herstellungs- und Einsatzmöglichkeiten der Erfindung werden nachstehend beispielhaft beschrieben und ergänzend auf die beschreibenden und kennzeichnenden Schutzrechtsansprüche 1–17 verwiesen.
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Bei der Lösung der erfindungsgemäßen Hauptaufgabe eines Bodenverbesserungsmittels, mit Struktur gebenden und Wasser speichernden Eigenschaften, müssen vielfältige Faktoren und Anforderungen berücksichtigt werden. Dies ist möglich durch den erfindungsgemäßen Grundverbund von Coir Fibre Pith (CFP) mit SAP gemäß Anspruch 1,
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Berücksichtigt werden muss grundsätzlich bei einer entsprechenden Produktausgestaltung für den Bereich der Bodenverbesserung und Langzeitwasserspeicher, dass solche Produkte beim Quellungsprozess große Mengen an Wasser aufnehmen und speichern müssen und trotzdem dieses Wasser wieder an die Pflanzen abgegeben bzw. von den Pflanzen aufgenommen werden kann.
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Eine Verbesserung der Bodenkapillarität ist erwünscht, gleichzeitig sollte die Bodenqualität durch Beimischungen der Mineralstoffe positiv beeinflusst werden. Wünschenswert ist, dass ein entsprechendes Produkt bei Untermischung unter trockenen Erdboden und anschließender Beregnung, nicht nur das Wasser speichert sondern auch expandiert, so dass eine lockere, bepflanzbare Bodenstruktur entsteht.
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Überraschend war auch, dass durch die neue Kombination von Coir Fibre Pith (CFP) mit SAP ein Materialverbund gefunden wurde, der es ermöglicht, vielfältige Zuschlagstoffe in die erfindungsgemäßen Materialverbunde und/oder Formkörper einzubinden.
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Wichtig ist für die Anwendung in ariden Gebieten, dass ggf. die Materialverbunde und/oder Formkörper an Ort und Stelle mit einfachsten Mittel hergestellt und sofort in die zu bearbeitenden Flächen eingebracht werden können.
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Die anwendungstechnischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Materialverbunde werden, wie bereits ausgeführt, wesentlich beeinflusst durch das Verhältnis der Anteile an Coir Fibre Pith (CFP) und SAP-Polymer im Materialverbund und/oder Formkörper und können durch weitere Zuschlagstoffe angepasst werden.
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Generell ist dazu auszuführen, dass erfindungsgemäße Produkte, die einen geringen Anteil Coir Fibre Pith (CFP) haben, Einsatz finden als Wasser speichernde Grundschicht, die ein Versickern von Wasser in darunter liegende Bereiche verhindert und das gespeicherte Wasser wieder an die darüber liegende, bepflanzte Bodenschicht abgibt.
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Materialverbunde mit einem Anteil ab 30% Coir Fibre Pith (CFP) führen zur Ausbildung von sofort bepflanzbaren, Wasser speichernder Bodensubstraten.
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Von erfinderischer Bedeutung ist die Auswahl, Qualität und Beschaffenheit von Coir Fibre Pith (CFP), der in die Produkte zur Bodenverbesserung gemäß der Erfindungslehre eingearbeitet wird, denn der CFP muss weitgehendst von natürlich enthaltenen Salzen, insbesondere Natrium- und Kaliumchlorid, durch Waschen mit Wasser befreit sein.
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Das Herauslösen der Salze kann auch mittels Behandlung von Wasserdampf erfolgen. Ein hoher Gesamtsalzgehalt beeinträchtigt das Wachstum von Pflanzen und reduziert wesentlich das Wasserspeichervermögen der SAP.
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Es wurde gefunden, dass die elektrische Leitfähigkeit eines gesättigten, wässrigen Extraktes von Coir Fibre Pith (CFP) vorzugsweise kleiner sein muss als 1000 ms/cm und der Gesamtsalzgehalt muss unter 0,1 Gew.-% liegen.
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Außerdem ist es erforderlich, dass nur Coir Fibre Pith (CFP)-Qualitäten zum Einsatz kommen, die in der Lage sind, mindestens das vierfache des Eigengewichtes an Wasser oder anderen Flüssigkeiten aufzunehmen. Hierzu ist es erforderlich, dass Coir Fibre Pith (CFP) zum Einsatz kommt, der sehr wenig Feinanteile enthält und dessen Porenstruktur unzerstört ist. CFP mit einer Partikelgröße < 500 Mikrometer sind für die erfindungsgemäßen Materialverbunde nicht geeignet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass dem erfindungsgemäßen Materialverbund und/oder Formkörper, natürliche Gesteinsmehle und/oder Gesteinsgranulate, vorzugsweise mikroporöse Gesteinsmehle und/oder Gesteinsgranulate oder unter Wasseraufnahme quellfähige Gesteinsmehle und/oder Gesteingranulate enthalten sind, die einerseits zur Verbesserung der Bodenstruktur dienen können und andererseits in der Lage sind, die Pflanzen mit den entsprechenden mineralischen Nährstoffen zu versorgen. Dies können beispielsweise sein Bentonit, Lavagesteinsmehle, Dolomitgesteinsmehle, Trass und andere mehr.
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Es hat sich auch gezeigt, dass es von Vorteil ist, dass diese Zuschlagstoffe selbst als Träger für SAP zum Einsatz kommen insbesondere dann, wenn es sich um mikroporöse Gesteinsmehle oder Gesteinsgranulate handelt, an die SAP-Partikel angedockt und/oder fixiert werden können.
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Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass dem erfindungsgemäßen Materialverbund vorzugsweise, geblähtes und dann in Partikel gebrochenes industriell geblähtes Perlit und/oder natürlich geblähtes Perlit zugesetzt wird, da dies in der Material- und Porenstruktur fast identisch mit der Struktur von Coir Fibre Pith (CFP) ist.
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Der Zusatz von hochporösen thermoplastischen und/oder duroplastischen Materialien beispielsweise als Trägersubstanz für flüssige Wirkstoffe bringen zusätzliche Vorteile.
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Des Weiteren ist es möglich, dass bereits bei der Polymerisation und/oder dem Vernetzungsprozess, zur Herstellung der SAP-Polymere, entsprechende Anteile an Coir Fibre Pith (CFP) eingearbeitet werden, so dass diese in der Polymermatritz der SAP-Polymere eingelagert sind. Dies gilt auch für die Zuschlagstoffe aus Perlit und die hochporösen thermoplastischen und duroplastischen Zuschlagstoffe.
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Aufgrund der Struktur des Coir Fibre Pith (CFP), in Verbindung mit SAP ist es in einer weiterbildenden Ausführung der Erfindung möglich, dass Öl und/oder Schadstoff abbauende Mikroorganismen und/oder das Pflanzenwachstum fördernde Mikroorganismen und/oder tierische Schädlinge abwehrende und vernichtende Mikroorganismen und/oder deren Stoffwechselprodukte sehr gut in die Poren von Coir Fibre Pith (CFP) eingelagert werden können.
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Dies gilt auch für die Einlagerung von anorganischen und/oder organischen Düngemittel und/oder Pflanzenschutzmittel und ähnliche Verbindungen.
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Auch die Einarbeitung von Herbiziden, Fungiziden, Insektiziden, Pestiziden und Bakteriziden in die erfindungsgemäßen Materialverbunde und/oder Formkörper ist möglich und stellt eine weitere Ausbildung der Erfindung dar.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist die Einarbeitung in den Materialverbund und/oder Formkörper von Cellulosefaser, Mikrocellulose und Altpapierfaser. Dadurch ist es möglich flächige Karton ähnliche Gebilde und Matten auszubilden, die als Wasser speichernde Matten und/oder Saatgutträger dienen können.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass in dem erfindungsgemäßen Materialverbund und/oder Formkörper natürliche oder synthetische Duftstoffe, vorzugsweise auf der Basis ätherischer Öle eingearbeitet werden. Solche Produkte finden Anwendung als Flüssigkeiten speichernde und Gerüche neutralisierende Materialien bei der Bekämpfung von üblen Gerüchen und austretenden übel riechenden Flüssigkeiten, wie diese beispielsweise in Biotonnen anfallen. Diese erfindungsgemäßen Produkte können auch zur Geruchsabsorbierung bei der Flächenabdeckung von Mülldeponien zum Einsatz kommen oder bei der Verarbeitung von Abwasserschlamm.
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Es wurde gefunden, dass die Wirkung solcher Gerüche absorbierenden Materialverbunde dadurch verstärkt wird, dass gemahlene Aktivkohle, vorzugsweise hochporöse Aktivkohle aus Kokosschalen gewonnen, eingearbeitet ist.
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Bei den vielfältigen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung gemäß dem Hauptanspruch 1 und den Unteransprüchen 2 bis 17 können die nachfolgenden Ausführungen nur beispielhaft sein. Die Offenbarung und Lehre der Erfindung ergibt sich zusätzlich und ergänzend durch den beschreibenden und kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1–18.
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Beispiel 2
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100 Kilogramm entsalztes Coir Fibre Pith (CFP), mit einem Wassergehalt von sechzig Gewichtsprozent, wurden in einem Zwangsmischer mit 10 Kilogramm „SAP-Polymer”, das als Kaliumpolyacrylat (Luquasorb 1280 RS der BASF) in einer Korngröße kleiner 1000 Mikrometer vorlag, bei einer Temperatur von dreißig Grad Celsius innig vermischt und in diese homogene, rieselfähige Mischung wurden 5 Kilogramm Agrar-Bentonit und 5 Kilogramm Dolomitgesteinsmehl, beide mit einer Korngröße kleiner 200 Mikrometer, untergemischt.
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Dieser helle, erdfarbene und krümelige Materialverbund, mit einer Restfeuchte von fünfzig Gewichtsprozent eignet sich, ohne weitere Nachbehandlung oder Verarbeitung, als Pflanz- und Kultursubstrat, mit einer hohen Porosität und ist auch in der Lage zusätzliche Wassermengen, unter Beibehaltung der lockeren Substratstruktur zu speichern und über einen langen Zeitraum abzugeben.
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Der Materialverbund gemäß Beispiel 2, kann auch in dieser Form leicht in trockene Böden und auch in verödete Bruchflächen als Strukturverbesserer und Langzeit Wasserspeicher eingearbeitet oder mit anderen Substraterden zu homogenen Mischungen verarbeitet werden.
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Beispiel 3
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Ein Materialverbund hergestellt und zusammengesetzt gemäß Beispiel 2, wird auf eine Restfeuchte unter zwanzig Gewichtsprozent getrocknet. Es resultiert ein homogener, rieselfähiger, krümeliger „SAP-Verbund”. Das Schüttgewicht lag bei 125 Gramm pro Liter. Unter Wasseraufnahme, bis zum Vierzigfachen seines Eigengewichtes bei gleichzeitiger Volumenvergrößerung, kann dieser „SAP-Verbund” unter anderem wie der „SAP-Verbund” gemäß Beispiel 2 eingesetzt werden.
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Beispiel 4
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Ein Materialverbund, zusammengesetzt gemäß Beispiel 2 und nachbehandelt gemäß Beispiel 3, wird mittels hydraulischer Presse unter Druck, bei einer Temperatur zwischen fünfundzwanzig bis maximal dreißig Grad Celsius, im Verhältnis eins zu sieben Ausgangsvolumen zu Endvolumen, zu Blöcken von 700 Gramm Endgewicht verpresst.
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Ein solcher Block expandiert unter Zugabe von sechs Liter Wasser auf ein Volumen von etwa zehn bis zwölf Liter und zerfällt dabei zu einem lockeren Boden- und Pflanzsubstrat und ist darüber hinaus in der Lage zusätzliche Wassermengen zu speichern und auch wieder pflanzenverfügbar abzugeben.
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Die bevorzugten Anwendungsbereiche ergeben sich aus den Ausführungen gemäß den Beispielen 1 bis 3 analog.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Materialverbunde und/oder Formkörper ergeben sich dadurch, dass diese gemäß Zusammensetzung und Behandlung nach Beispiel 2 und 3 mittels Flachmatritzenpressen und/oder Ringmatritzenpressen kontinuierlich zu Pellets umgeformt werden können, deren Schüttgewicht, je nach Verdichtung, zwischen dreihundert und siebenhundert Gramm pro Liter liegt.
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Die Vorteile bei der Anwendung von Pellets als Substrat zur Bodenverbesserung sind dadurch gegeben, dass diese nur in die zu behandelnden Böden eingebracht werden müssen und dann bei Beregnung mit Wasser unter Volumenvergrößerung reagieren. Mit dieser einfachen und auch sehr kostengünstigen Methode ist die Umwandlung bzw. Rekultivierung von Öd- und Wüstenflächen in fruchtbaren Acker- und/oder bepflanzbare Bodenstrukturen möglich.
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Es hat sich in den weiterbildenden Ausführungen der erfindungsgemäßen Produkte, Herstellungstechniken und Anwendungen als vorteilhaft erwiesen, wenn in den Materialverbunde, insbesondere bei deren Ausbildung in Form von Blöcken, Pellets, Tabletten und Granulaten, zusätzlich organische Bindemittel, wie beispielsweise Zuckerrübenmelasse und bevorzugt Ligninverbindungen und Ligninderivate auf der Basis von Ligninablaugen aus der Celluloseherstellung enthalten sind.
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Bei den anorganischen Bindemitteln wird bevorzugt Kaliwasserglas als wässrige Lösung und/oder als wasserlösliches Pulver eingesetzt, da dieses Bindemittel gleichzeitig der Silikatversorgung von Pflanzen dient.
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Beispiel 5
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100 Kilogramm Coir Fibre Pith (CFP), mit einem Wassergehalt von vierzig Gewichtsprozent, wurden in einem Zwangsmischer mit Schneckenaustrag vorgelegt und 5 Kilogramm SAP mit einer Korngröße kleiner tausend Mikrometer, zugegeben und gemischt bis ein rieselfähiger Materialverbund resultierte. In diesen feuchten „SAP-CFP-Verbund” wurden 10 Kilogramm Mahlgut, mit einer Korngröße zwischen tausend bis dreitausend Mikrometer eines offenporigen Polyurethanharzschaums, eingearbeitet und dieser rieselfähige, homogene Materialverbund wurde im Umluftrockner auf eine Restfeuchte unter fünfzehn Gewichtsprozent getrocknet.
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Diese erfindungegmäßen Materialverbunde und/oder Formkörper sind in der Lage große Mengen an Öl und wässrigen Ölemulsionen zu binden und können als effektive Ölbinder eingesetzt werden.
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Zur großflächigen Anwendung, beispielsweise zur Aufnahme und Bindung von wässrigen Ölschlämmen und Ölemulsionen, wie diese nach Öltankerkatastrophen auf der Meeresoberfläche und in den Strand- und Küstenbereichen entstehen, kann dieser erfindungsgemäße Materialverbund in Form von Pellets eingesetzt werden.
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Die schwimmfähigen Pellets expandieren unter Bindung von Wasser und Öl bzw. der Öl-Wasser-Emulsionen und die gebundenen, absorbierten Öl-Wasser-Schlämme, können so einfach und kostengünstig entsorgt werden.
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Es wurde weiterhin gefunden, dass eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Materialverbundes zur Ölbindung dadurch gebildet wird, dass in diesen Öl und Fett abbauende Mikroorganismen eingearbeitet sind.
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Zur Verbesserung der Schwimmfähigkeit können zusätzlich in einem solchen Materialverbund und/oder Formkörper beispielsweise auch Anteile von hydrophobiertem Coir Fibre Pith (CFP) zugesetzt werden.
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Hydrophobierter CFP ist CFP der mit geeigneten organischen und/oder anorganischen Hydrophobierungsmitteln vor der Einarbeitung in den erfindungsgemäßen Materialverbund ausgerüstet wurde.
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Der Zusatz von hyrdrophobiertem CFP ist auch in Materialverbunden, die als Bodenverbesserungsprodukten zum Einsatz kommen von Vorteil, da damit erreicht wird, dass eine luftige und durchlässige Bodenstruktur erreicht wird.
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Beispiel 6
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500 Kilogramm Coir Fibre Pith (CFP), mit einem Wasseranteil von achtzig Gewichtsprozent und 25 Kilogramm „SAP-Polymer” Luquasorb 1286 RS (BASF), mit einer Korngröße kleiner tausend Mikrometer, sowie 20 Kilogramm Tonerde, pulverisiert, mit einer Restfeuchte von fünf Gewichtsprozent und mit einer Korngröße zwischen fünfzig bis hundert Mikrometer, wurden in einem Schneckenmischer mit Schneckenaustrag bei dreißig Grad Celsius homogen gemischt bis eine teigähnliche, plastische Masse vorlag. Diese Masse wurde dann, mittels einer Schneckenpresse mit nachgeschalteter Lochscheibe und Abschneidevorrichtung, zu Strängen mit einem Durchmesser von sechs Millimeter geformt und diese Stränge auf eine Länge von sechs bis acht Millimeter geschnitten.
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Dieser stäbchenförmige „SAP-Verbund” wurde dann in einem Durchlauftrockner auf eine Restfeuchte von etwa zwanzig Gewichtsprozent getrocknet.
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Das Schüttgewicht dieses stäbchenförmigen „SAP-Verbundes” lag bei vierhundert Gramm pro Liter. Das Wasserspeichervermögen beträgt etwa das Dreißigfache des Eigengewichtes und die Volumenvergrößerung bei Wassersättigung entspricht etwa dem doppelten Volumen, bezogen auf das Ausgangsvolumen.
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Diese erfindungsgemäßen Materialverbunde als Formkörper ausgebildet eignen sich besonders zur Ausbildung von Wasser speichernden Unterschichten im Erdboden, wenn von diesen verlangt wird, dass durchsickerndes Wasser gebunden wird und nur sehr langsam an darüber liegende Substratschichten abgegeben werden soll. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind, auch in Abmischung mit anderen Erdsubstraten und mineralischen Zuschlägen im Bereich der Dachbegrünung gegeben.
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Des Weiteren ist es möglich, gegebenenfalls unter Zugabe von zusätzlichen Bindemittel, beispielsweise kurze Kokosfasern in den Materialverbund auf der Basis der Zusammensetzung nach Beispiel 5 einzuarbeiten und diesen in Wasser zu dispergieren und mittels geeigneter Faserspritztechnik, auch unter Beigabe von beispielsweise Grassamen, zur Begrünung und Verfestigung von Hangflächen einzusetzen.
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Beispiel 7
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100 Kilogramm Coir Fibre Pith (CFP), mit einer Restfeuchte von zehn Gewichtsprozent, 30 Kilogramm „SAP-Polymer” Luquasorb 1280 RS (BASF) und 5 Kilogramm sprühgetrockentes Calciumligninsulfonat, sowie 15 Kilogramm Dolomitbranntkalk und 20 Kilogramm Dolomitsteinmehl werden vorgemischt und diese Materialmischung einem Doppelschnecken-Extruder, mit Entgasungseinrichtung, zugeführt und unter Druckeinwirkung, bei einer Temperatur zwischen einhundertzwanzig und einhundertdreißig Grad Celsius, mittels der am Extruderkopf nachgeschalteten Granuliereinrichtung zu einem homogenen festen Granulat ausgeformt. Durch die Umsetzung des im Coir Fibre Pith (CFP) enthaltenen Wassers mit dem Dolomitbranntkalk wird dieser zunächst in die Hydroxidform überführt und liegt letztlich dann im fertigen Materialverbund und/oder Formkörper in karbonatisierter Form vor.
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Die Schüttdichte eines so hergestellten Granulates/Formkörpers mit einer Granulatgröße von vier Millimeter im Durchmesser und sechs Millimeter Länge, liegt bei etwa achthundert Gramm pro Liter und kann beipielsweise als Wasser speicherndes Aufkalkungssubstrat bei sauren Böden zum Einsatz kommen und hat aufgrund seiner kompakten Struktur eine Langzeitwirkung.
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Überraschend wurde als weitere vorteilhafte und weiterbildende Ausbildung der Erfindung mit Verweis auf Anspruch 18 gefunden, dass der Einsatz von Coir Fibre Pith (CFP), bei dem durch eine zeitabhängige Behandlung mit Mikroorgansimen, inbesondere mit den so genannten Weissfäulnispilzen, der Anteil der Cellulose- und der Hemicellulosebestandteile reduziert wurde, erhebliche Vorteile bringt, da dadurch die Poren- und Zellstruktur von CFP besser zugänglich gemacht wird und daraus eine Verbesserung der Wasseraufnahmekapazität und des Porenvolumens resultiert und auch das stabile Gerüst aus Lignin im CFP durch teilweisen Abbau eine mikroporöse Struktur erhält und insgesamt die Zuschläge aus SAP und/oder Füll- und/oder Wirkstoffen besser angebunden und/oder eingebunden werden.
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Die vorstehenden Beispiele und beschreibenden Erläuterungen zur Offenbarung der Erfindungslehre zeigen, dass die neuen, erfindungsgemäßen Materialverbunde und/oder Formkörper aus offenporigem, speziell aufbereitetem und spezifiziertem Coir Fibre Pith (CFP) und Hydrogel bildenden Polymeren (SAP) gegenüber den bisher bekannten und gebräuchlichen Superabsorberverbunden und/oder SAP-Kompositen und/oder SAP-Hybridmaterialien wesentliche Vorteile bringen und preiswert herzustellen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 02/03159 [0013]
- DE 10028990 A1 [0015]
- DE 102006038901 A1 [0016]
- GB 2269378 A [0017]
- JA 09009810 A [0018]
- DE 3031304 A1 [0019]
- DE 3904642 A1 [0020]
- WO 92/19095 [0021]