DE2627682A1

DE2627682A1 - Flammwidriges produkt und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2627682A1
Application number: DE19762627682
Authority: DE
Inventors: Craig A Fischer; Gregory R Moore
Original assignee: Masonite Corp
Current assignee: Masonite Corp
Priority date: 1975-06-20
Filing date: 1976-06-21
Publication date: 1977-01-20
Also published as: BE843096A; CA1081910A; AU1504976A; ES460828A1; IE43240B1; SE7606886L; ES449087A1; AU502826B2; DK273676A; US4130458A; ZA763556B; IE43240L; NL7606695A; GB1560562A; IT1070000B; FR2316309A1; NO762105L

Description

ca DPiT]^NER - dipl.-ing. J. RICHTER . R. SPLANEMANN d>pl.-ch_Em. dr. B. REiTZNER _HAMBVRG

Masonite Corporation eooo munchen 2 2I. Juni 1976

Tal 13

29North Wacker Drive . ^Telefon (089)226207/220209

Telegramme: Inventars München

Chicago, 111. 60 606

^{U S A} Unsere Akte= 2>341 -I- 9Ö20

Ihr Zeichen:

Patentanmeldung

Flammwidriges Produkt und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein flammwidriges Produkt und ein Verfahren zu seiner Herstellung; sie betrifft insbesondere ein flammwidriges (feuerhemmendes) bzw. feuerbeständiges Wiederaufbereitung sprodukt auf Holzbasis, das Aluminiumoxidtrihydrat und eine B₂O^-QUeIIe, die bei einer Temperatur unterhalb etwa 400⁰C B₂O, liefern kann, enthält. Das B₂O* kann durch eine Reihe von Verbindungen, wie z.B. Borsäure, Ammoniumpentaborat, Ammoniumbiborat oder andere Ammoniumboratverbindungen, bereitgestellt werden. Die Kombination von Aluminiumoxidtrihydrat und einer B₂0-z-Quelle verhindert auf

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Konten: Deutsche Bank AG, München, Konto-Nr. 20/14009 . Postscheck: München 60060-807

Synergistische Weise die Ausbreitung von !flammen entlang des künstlich, hergestellten Produktes auf Holzbasis.

Das Auffinden von sicheren, zuverlässigen und wirtschaftlichen Methoden zur Herstellung von nicht-brennbaren Produkten ist eines der wichtigsten Probleme, dem sich viele Industriezweige heute gegenübersehen. Die Vorschriften in bezug auf die Entflammbarkeit von Baumaterialien, Textilien, Ausrüstungen und dergleichen werden immer strenger und sie werden in dem Maße noch, strenger werden, wie die Öffentlichkeit auf die Gefahren aufmerksam gemacht wird, die von brennbaren Materialien ausgehen. Die HartfaserplattenIndustrie bildet keine Ausnahme von diesem Irena und die Verwendung einer Hartfaserplatten-Verkleidung ist derzeit beschränkt wegen der ihr eigenen Entflammbarkeit (Brennbarkeit).

Der Standardtest für die Entflammbarkeit von Baumaterialien ist der ASTM-Test E84- (Steiner-Tunnel-Test). In diesem Test werden die Materialien bewertet in bezug auf: (1) den Flammenausbreitungsindex (FSI), (2) den Brennstoffbeitrag und ($) die Rauchbildung. Alle Materialien werden im Vergleich zu Asbestzementpappe (Vert O bei allen Indices) und Eoteiche (Wert 100 bei allen Indices) bewertet. Eine Hartfaserplatte hat in der Regel einen Flammenausbreitungsindex von 175 bis 200 (Klasse III), einen Brennstoffbeitragswert von I50 und einen Rauchindex von 400- bis 600. Im Gegensatz dazu hat ein ungefährliches Material, wie z, B. eine Gipsplatte, in der Regel einen Flammenausbreitungsindex von 10 bis I5 (Klasse I), einen Brennst off beitragswert von I5 bis 30. und einen Rauch-, index von 0. Obgleich alle drei Indices wichtig sind, sind der Flammenausbreitungsindex und-der Rauchindex von hauptsächlicher Bedeutung. Produkte der Klasse I haben Indices von 0 bis 25, Produkte der Klasse II haben Indices von-26 bis 75 und Materialien der Klasse III.haben Indices zwischen 76 und 20Oo

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Beim Test der verschiedenen Materialien im Labor wird ein standardisierter, 0,61 m (2 feet) langer Labortunnel verwendet, der unter der Bezeichnung "Monsanto-Tunnel" bekannt ist (vergleiche "J. Paint Technology", Band 39, Nr. 511, S₀ 494, 1967, und ibid., Band 46, Nr. 591, S. 62-69, 1974). Dieser Tunnel besteht im Prinzip aus einem gegenüber der Horizontalen um 28° geneigten 61,0 cm (24 inches) x 10,2 cm (4 inches) großen Winkeleisenrahmen, in den die Plattenprobe (Größe 59,7 cm (23,5 inches) χ 9,5 cm (3,75 inches) χθ,5ΐ bisO₄76 cm (0,2 bis 0,3 inches) gelegt wird. Ein Gasbrenner (vergleiche Fisher Scientific Nr. 3-902) wird so befestigt, daß die Flamme des Brenners auf das untere Ende der Platte auftrifft. Es wird die maximale Strecke angegeben, über die die Spitze der brennenden Flamme sich auf der geneigten Platte bei einem kontrollierten Gasstrom innerhalb von 4 Minuten nach oben bewegt. Es wurde eine zuverlässige Korrelation zwischen dem 0,61 m (2 feet)-Monsanto-Tunnel und dem 7,5 m (25 feet)-Steiner-Tunnel gefunden. Venn die längste Wegstrecke der Flamme in dem Monsanto-Tunnel während des 4 Minuten dauernden Tests 30,5 bis 33,0 cm (12 bis 13 inches) beträgt, erhält die Platte in dem E84-Test die Bewertung der Klasse I. Flammenwegstrecken von bis zu 43,2 bis 45,7 cm (17 bis 18 inches) entsprechen Materialien der Klasse II. Zn dem Monsanto-Tunnel werden keine Rauch- oder Brennstoffmessungen durchgeführt. In dem Steiner-Tunnel werden sowohl die Zeit als auch die Wegstrecke zur Bestimmung der Flammenausbreitungsindices verwendet und aufgrund des Berechnungsverfahrens verringert sich bei vielen Behandlungen der Flammenausbreitungsindex bei einer Hartfaserplatte auf den Bereich von 90 bis 100. Es ist jedoch viel schwieriger, den Flammenausbreitungsindex von auf 75 herabzusetzen, da die Entflammbarkeit (Brennbarkeit) fast um eine weitere Hälfte herabgesetzt werden muß, um diese letzten 25 Punkte in den. Bereich der Klasse II nach unten zu kommen. Durch die Synergistisehe Mischung von Aluminiumoxidtrihydrat und Borat wird der Flammenausbreitungsindex einer

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Hartfaserplatte leicht auf einen Wert der Klasse I oder der Klasse II herabgesetzt.

In den vergangenen Jahren wurde "bereits mehrmals versucht, die Flammenausbreitung einer Hartfaserplatte herabzusetzen, wenn die Entflammbarkeit (Brennbarkeit) nicht von so entscheidender Bedeutung war· Es wurde der Einfluß von verschiedenen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. des Durchmessers (der Dicke), des spezifischen Gewichtes und des Fressens, auf die Flammenausbreitung untersucht und dabei wurde gefunden, daß dichtere, dickere Platten die geringste Flammenausbreitung aufwiesen, während das Pressen (Prägen) nur einen geringen Einfluß hatte. Außerdem hat man versucht, Deckschichten aus Asbest und Metall zu verwenden, um die Flammenausbreitung zu verringern, jedoch mit wenig Erfolg. Es zeigte sich, daß die Verringerung der Flammenausbreitung mehr als nur ein Oberflächenphänomen war und daß daran die Eigenschaften der gesamten Platte beteiligt sind· Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurden die verschiedensten, allgemein üblichen chemischen Behandlungen ausprobiert, mit keiner dieser Behandlungen ist es gedoch gelungen, in ausreichendem Maße die Flammenausbreitung auf einen akzeptablen Vert herabzusetzen, ohne die Feuchtigkeitsempfindlichkeit und andere Platteneigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Bei allen diesen Behandlungen traten auch schwerwiegende Herstellungsprobleme auf_o

In letzter Zeit hat sich die Aufmerksamkeit von der chemischen Behandlung mehr auf das Konzept der Brennstoffverdünnung gerichtet. Wie dieser Ausdruck besagt, versteht man darunter den Ersatz der Holzfaser durch nicht-brennbare (im allgemeinen anorganische) Materialien, bis die gewünschte Herabsetzung der Flammenausbreitung erreicht ist. Früher wurden nur wenige Arbeiten nach diesem Konzept durchgeführt, da dieses normalerweise als unwirksamer Mechanismus angesehen wurde, äer zu viel teures Ersatzmaterial erfordert. Verdünnungs-

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grade von 50 bis 80 % sind zur Erreichung ausgewählter Grade der ÜTlammwidrigkeit (Feuerbeständigkeit) nicht ungewöhnlich.

Um zu der vorliegenden Erfindung zu gelangen, mußten umfangreiche Versuche mit verschiedenen Verdünnungsmitteln bei der Herstellung von Hartfaserplatten durchgeführt werden· Im Rahmen dieser Versuche wurden Materialien, wie Flugasche, Zement, Vermiculiterz, Schlacke und Steinwolle, untersucht. Steinwolle wurde als vermutlich bester Kanditat für die Untersuchungen ausgewählt, da sie faserförmig und billig ist, und mit ihr wurden umfangreiche Versuche in bezug auf die BrennstoffVerdünnung bei Hartfaserplatten durchgeführt. Wie vermutet, waren sehr hohe Verdünnungsgrade in der Größenordnung von 75 % (d. h. 75 Teile Steinwolle auf 25 !Teile Holzfasern) erforderlich, um eine !"lammenausbreitungsbewertung der Klasse II zu erzielen. Bei derart niedrigen Holzfasergehalten waren die physikalischen Eigenschaften der Platte sehr schlecht, so daß viel Arbeit aufgewendet werden mußte, um diese Eigenschaften auf einen akzeptablen Wert zu bringen. Gelegentlich wurden akzeptable Innen- und Außen-Hartfaserplattengemische der Klasse II im Labor entwickelt, die Versuche, solche Gemische in einer Anlage durchzuführen, waren jedoch nur wenig erfolgreich, weil sich die Steinwolle für die bereits vorhandenen Apparaturen als zu spröde erwies und schnell zu ^einteilen zerbrach. Geringe Gehalte konnten mit Erfolg zugegeben werden, bei hohen Gehalten wurde das feuchte Vlies jedoch schmierig (schlammig) und war nicht mehr handhabbar. Im Labor wurden auch Trockengemische entwickelt, sie wurden jedoch nicht in Produktionsanlagen ausprobiert.

Die Arbeiten mit der Steinwolle zeigten, daß dann, wenn die Ersatzgrade (Substitutionswerte) auf 50 % oder weniger herabgesetzt werden könnten, die Erfolgsaussichten bei der Brennstoffverdünnung mit bereits vorhandenen Anlagen viel besser wären. Diesbezügliche Untersuchungen zeigten, daß nur wenig

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Unterschiede zwischen inerten BrennstoffVerdünnungsmitteln bestanden,außer wenn die Flammenausbreitung durch ungeeignete Retention und Verteilung beeinflußt wurde. Was benötigt wurde war daher ein billiges Brennstoffverdünnungsmittel, das einen aktiven Beitrag zur Verminderung der Flammenausbreitung der verbleibenden brennbaren Fasern neben seiner passiven Rolle als Verdünnungsmittel leistete_o

Ein derartiges Verdünnungsmittel, das diesen Anforderungen genügte, war Aluminiumoxidtrihydrat (AIpO,-3^0)· Dieses weiße pulverförmige Material besteht zu etwa 35 Gew.% aus Wasser und weist eine beträchtliche Endothermie in dem gleichen Temperaturbereich auf, in dem Hartfaserplatten beginnen einer starken Pyrolyse zu unterliegen, wahrend des Warmpressens geht wenig oder kein Hydratationswasser verloren. Daher könnte dieses Material als aktives Brennstoffverdünnungsmittel verwendet werden und unter Berücksichtigung seiner thermischen Daten sollte es wirksamer sein als Steinwolle. Dies wurde dann bestätigt, wobei sich 40 bis 45 % Aluminiumoxidtrihydrat als ebenso wirksam wie 65 bis 75 % Steinwolle erwiesen haben. Diese Forschungsarbeiten wurden dann auf eine Anlagenversuchs stufe übertragen.

Während der ersten Anlagenversuche mit Alumiiiiumoxidtrihydrat wurden Platten mit 40 bis 45 % Verdünnungsmittel angesteuert, diese Gehalte wurden jedoch wegen der dabei auftretenden Handhabungsprobleme des feuchten Vlieses nicht erreicht· Es wurde keine Hartfaserplatte der Klasse II erhalten, da 32 bis 34 % Aluminiumoxidtrihydrat der höchste erreichte Gehalt war. Produkte mit diesem Gehalt erreichten nur niedrige Flammenausbreitungswerte in dem 7»5 m (25 feet)-fl}unnel der Klasse III· Als das Programm jedoch in seine späteren Stadien kam und das Arbeitspersonal mit der Verwendung dieses Verdünnungsmittels vertrauter wurde, wurden Gehalte von 40 bis 45 % erreicht; in den Anfangsstufen war es jedoch als erforderlich

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angesehen worden, den Aluminiumoxidgehalt auf 32 % zu begrenzen, so daß nach einer Möglichkeit zur weiteren Erhöhung seiner Wirksamkeit gesucht wurde_o Dies führte zur Untersuchung von Mischungen aus Chemikalien und Brennstoffverdünnungsmitteln in dem Bestreben, die Fachmeinungen auf jedem dieser Gebiete zu einer Schlußfolgerung zu vereinigen·

Es ist bekannt, daß Borverbindungen, wie Borsäure, B₂O, und Ammoniumborate, verwendet werden können, um Produkte, die eine oder mehrere entflammbare (brennbare) faserförmige Komponenten enthalten, flammwidrig (feuerbeständig) zu machen. Es ist ferner bekannt, daß Aluminiumoxidtrihydrat(Al₂O,-JH₂O oder Al(OH),) als flammwidrig (feuerbeständig) machende Komponente bei der Herstellung von faserförmigen Produkten verwendet werden kann. Bisher ist jedoch niemals eine Kombination aus einer B₂O,-Quelle, ausgewählt aus der Gruppe Borsäure, B₂O, und einem Ammoniumborat, und Aluminiumoxidtrihydrat dazu verwendet worden, ein brennbares faserförmiges Produkt unbrennbar (feuerbeständig) zu machen.

Die Verwendung von Borverbindungen zum Feuerbeständigmachen eines eine brennbare faserförmige Komponente enthaltenden Produktes ist beispielsweise in den US-Patentschriften 87 005, 1 612 104, 1 612 676, 1 778 147, 1 839 136, 1 879 128,

1 937 679, 2 030 653, 2 108 761, 2 250 483, 2 381 487,

2 452 055, 2 523 626, 2 526 083, 2 573 253, 2 594 937,

2 769 729, 2 849 316, 2 875 044, 3 028 411, 3 131 07I,

3 202 570, 3 220 858, 3 245 870, 3 321 421, 3 367 863, 3 378 381, 3 438 847, 3 524 761, 3 553 132, 3 560 253, 3' 560 351, 3 619 352, 3 629 055, 3 816 307, 3 819 517 und 3 821 196 beschriebene Die Verwendung von Aluminiumoxidhydrat oder Aluminiumoxidtrihydrat zum Feuerbeständigmachen eines entflammbaren (brennbaren) faserförmigen Produktes ist beispielsweise in den US-Patentschriften 2 108 761, 2 611 694, 3 699 041, 3 74-1 929 und 3 772 455 beschriebene

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Aus den obengenannten US-P at ent schrift en 2 581 487, 3 24-5 ■und 3 367 863 ist die Verwendung von Borverbindungen zusammen mit Aluminiumoxidtrihydrat bekannt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein künstlich hergestelltes Gelluloseprodukt mit verbesserten (verringerten) Flammenausbreitungseigenschaften anzugeben; Ziel der Erfindung ist es insbesondere, ein künstlich hergestelltes Produkt auf Holzbasis mit einer synergistischen Kombination von Aluminiumoxidtrihydrat und einer ü^Oz-Quelle aus der Gruppe Borsäure, ΒρΟχ und eines Ammoniumborats anzugeben, das neue und verbesserte (verringerte) Flammenausbreitungseigenschaften aufweist, die aus der Verwendung der Kombination von Aluminiumoxidtrihydrat in einer Menge von etwa 10 bis etwa 60 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des Produktes, und einer bei einer Temperatur unterhalb etwa 4O0°C BoO^ liefernden Borverbindung resultiert. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein neues und verbessertes, künstlich hergestelltes Produkt auf Holzbasis mit einer stark verbesserten Beständigkeit gegen Feuchtigkeit im Vergleich zu der Verwendung von üblichen _} flammwidrig machenden Mitteln, wie sie im Handel erhälüLch sind, anzugeben, das billig ist und das in der Weise hergestellt werden kann, daß man dis Menge des für die Herstellung eines Produktes mit einer Flammenausbreitungsbewertung der Klasse II nach ASTM E84- (mit einem Flammenausbreitungsindex (FSI) zwischen 26 und 75) erforderlichen Aluminiumoxidtrihydrats wesentlich herabsetzt, indem man ihm eine geringere Menge einer Borverbindung zusetzt, die in der Lage ist, bei einer Temperatur von weniger als etwa 400⁰C BpO^ zu liefern. Ziel der Erfindung ist es außerdem, ein künstlich hergestelltes Produkt auf Holzbasis mit einer FSI-Bewertung der Klasse I (einem I¹SI von weniger als 25) durch Einarbeitung von weniger als 4-5 Gew.% Aluminiumoxidtrihydrat herzustellen.

Die vorstehend angegebenen und weitere Ziele, Merkmale und

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2 6 2 ' -3 ~'

Vorteile der Erfindung werden dadurch erreicht, daß man einem künstlich hergestellten,, brennbaren Produkt auf Holzbasis, wie z. B. einer Hartfaserplatte, sowohl Aluminiumoxidtrihydrat als auch eine BoO^-Quelle einverleibt. Es wurde nämlich ganz überraschend gefunden, daß durch die Kombination aus einer B^O^-Quelle und Aluminiumoxidtrihydrat der Flammenausbreitungsindex bei künstlich hergestellten Produkten auf Holzbasis synergistisch herabgesetzt werden kann· Die Ergebnisse der Flammenausbreitungstests, die mit solchen künstlich hergestellten Celluloseplatten, die Aluminiumoxidtrihydrat und eine bei einer Temperatur unterhalb 400⁰C BoO* bildende Borverbindung enthalten, erhalten werden, sind weit besser als die durch jede Komponente allein erzielbaren additiven Ergebnisse. Dies ist insbesondere überraschend, wenn man die nicht-lineare . Natur des ASTM E84-Standardtests berücksichtigt. Die dabei erhaltene Platte hat auch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und in vielen ASTM E84-Tests konnte während der Durchführung des Tests keine meßbare Hauchentwicklung festgestellt werden.

Wenn das neue und verbesserte, künstlich hergestellte Faserprodukt gemäß der Erfindung nach dem Naßverfahren hergestellt wird, wird das Aluminiumoxidtrihydrat einer Aufschlämmung der Holzfasern in Wasser zugesetzt. Die ΒοΟ,-Quelle wird der Oberfläche des feuchten Vlieses während der Primärherstellung des Produktes zugesetzt oder in einem sekundären Arbeitsvorgang wird das fertige Produkt damit imprägniert. Dabei wird die übliche Technologie, wie sie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, angewendet. Auf diese Weise wird die BoO^- Quelle von der Oberfläche in das Innere des feuchten Vlieses eingesogen und während der Trocknung und Verdichtung (Konsolidierung) innerhalb der Platte gleichmäßig verteilt. Im allgemeinen wird eine Verdichtung unter Warmpreßbedingungen erzielt, wie sie für den jeweiligen Typ des hergestellten Produktes an sich bekannt sind.

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■ r

Wenn das neue Produkt der Erfindung nach dem Trockenverfahren hergestellt wird, können das Aluminiumoxidtrihydrat und die BpOz-Quelle in Pulverform vorher miteinander gemischt und zu irgendeinem geeigneten Zeitpunkt den Holzfasern zugesetzt werden· Das Aluminiumoxiätrihydrat und die B^O^-Quelle können auch getrennt in Form eines Pulvers während der Primärherscellung des Produktes zugegeben werden oder das Aluminiumoxidtrihydrat kann den Holzfasern zugesetzt werden und die BpO^-Quelle kann über eine Lösungsimprägnierung nach dem Pressen zugegeben werden· Auch hier ist die Art der Vakuumdruckimprägnierung dem Fachmanne auf diesem Gebiet an sich bekannt. Dem Innern des Produktes kann eine größere Menge der synergistischen Mischung von Aluminiumoxidtrihydrat und BpO*- Quelle zugesetzt werden als den Oberflächen, die genaue Verteilung ist jedoch im Einblick auf die Einzigartigkeit des festgestellten Synergismus nicht kritische Ähnliche synergistische Wirkungen wurden bei Faserplatten und Span- oder Flockenplatten mittlerer Dichte, wie sie im Handel erhältlich sind, beobachtet· Bei jedem Verfahren ist die Art oder Reihenfolge der Zugabe dieser synergistischen Mischung nicht kritisch·

Das erfindungsgemäße neue und verbesserte, künstlich hergestellte Faserprodukt auf Holzbasis besteht aus oder enthält im allgemeinen eine brennbare faserige Komponente, wie Cellulosefasern, Aluminiumoxidtrihydrat in einer Menge von etwa 10 bis etwa 60 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des fertigen Produktes, und eine BoO^-Quelle in einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 7 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des fertigen Produktes. Die brennbare faserförmige Komponente macht im allgemeinen etwa 20 bis etwa 90 Gew.% des fertigen Produktes aus. Um die vollen Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen, sollte die BoO^-Quelle in der Lage sein, bei einer Temperatur- von

weniger als etwa 4O0°G, insbesondere bei oder unterhalb der Pyrolysetemperattip des Produktes, BgQ* zu bild an.

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Wenn es sich "bei der I^O^-Quelle um Borsäure handelt, wird vorzugsweise ein basischer Puffer, wie Borax, in einer Menge eingearbeitet, die etwa gleich der Menge der BoO^-Quelle ist· Der Puffer verhindert eine übermäßige Hydrolyse der Platte an lokalen Stellen der Borsäureanreicherung und fördert die Solubilisierung der Borsäure· Während des Warmpressens könnten sonst lokale Anreicherungen von Borsäure zu einer Verkohlung der Platte führen. Der Puffer ist jedoch nicht wesentlich, insbesondere dann nicht, wenn die BgO^-Quelle innerhalb des Produktes gleichmäßig verteilt ist. Der Puffer braucht nicht vorhanden zu sein, um die synergistischen Flammenausbreitungs-Verminderungen zu erzielen, die durch die Kombination von Aluminiumoxidtrihydrat und einer BpO,-Quelle erhalten werden.

Im Rahmen des Forschungsprogrammes, das zu der vorliegenden Erfindung geführt hat, wurden viele Brennstoffverdünnungsmittel, wie Steinwolle, Flugasche, Vermiculit, Tone, Portlandzement, Perlit, Diatomeeoerde und dergleichen, untersucht, Aluminiumoxidtrihydrat erwies sich (jedoch wegen des darin enthaltenen Hydratationswassers und der mit Holz kompatiblen Endothermieeigenschaften als überlegene Im Labor wurden viele Aluminiumoxidtrihydrat/Holzfaser-Platten der Klasse II (FSI 75 oder weniger) problemlos hergestellt, neuere Versuche, die mit ähnlichen Zubereitungen in Produktionsanlagen durchgeführt wurden, scheiterten jedoch an nicht vorhersehbaren Problemen, Nach dem Erwerb einer beträchtlichen Erfahrung war das Betriebspersonal in der Lage, solche Zubereitungen mit Erfolg einzusetzen, diese anfänglichen Schwierigkeiten übten jedoch einen starken Impuls darauf aus, den Gewichtsprozentsatz des erforderlichen Aluminiumoxidtrihydrats minimal zu halten. Die Kombination des Aluminiumoxids mit anderen bekannt en_tflammwidrig machenden Chemikalien war die erste Variante dieses Forschungsprogramms und sie führte dazu, daß der überraschende Aluminiumoxidtrihydrat-BpOx-Synergismus bei

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Materialien auf Cellulosebasis gefunden wurde· Alle Versuche haben gezeigt, daß die Produktionsprobleme umso geringer und die dabei erhaltenen Eigenschaften umso zufriedenstellender sind, je niedriger der Gehalt an zugesetztem Aluminiumoxid ist.

In dem Bestreben, die Flammwidrigkeitseigenschaften (Feuerbeständigkeit seigenschaf ten) von Aluminiumoxidtrihydrat durch andere bekannte,flammwidrig machende Verbindungen zu ergänzen, wurde, gefunden, daß viele der bekannten Verbindungen tatsächlich nachteilig für die Flaminwidrigkeitseigenschaften der Aluminiumoxidtrihydrat enthaltenden Platte sind. Vie in der folgenden Tabelle I angegeben, handelt es sich bei einigen der nachteiligen flammwidrig machenden Verbindungen um Diammoniumphosphat und Monoammoniumphosphat. Andere, wie Zinkchlorid und Zinkborat, führen zu keiner Verbesserung oder verbessern die Ergebnisse bestenfalls additiv. Borsäure und die

Ammoniumborate jedoch führten zu einer bemerkenswerten und synergistischen Verbesserung (Herabsetzung) der Flammenausbreitung, wenn sie mit Aluminiumoxidtrihydrat kombiniert wurden. Geeignete Borsäuren sind mindestens teilweise hydratisiert, da auch wasserfreie Borsäure durch Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Luft sich schnell teilweise hydratisiert. Die teilweise dehydratisierte wasserfreie Borsäure wurde wieder hydratisiert, wenn man eine wasserfreie Borsäure enthaltende Platte durch etwa 8-stündiges Stehenlassen ihren Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt von etwa 7 % erreichen ließ. Die teilweise dehydratisierte Borsäure wurde durch Erwärmen einer Borsäure enthaltenden Platte in einem Ofen auf 105⁰C für einen Zeitraum von etwa 8 Stunden teilweise dehydratisiert. Die in der nachfolgenden Tabelle I angegebenen Ergebnisse : wurden beim Test von Platten erhalten, die nach dem Trockenverfahren hergestellt wurden, um eine gleichmäßigere AIuminiumoxidtriiiydratver-teilung su erzielen, die gleichen Ergebnisse wurden aber auch mit nach des Haßverfahren

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26:-

hergestellten Platten erhaltene

Tabelle I

Verringerung der Länge der Flammenausbreitung in Aluminiumoxidtrihydrat/Faser-Gemischen durch Zugabe von verschiedenen flammwidrig machenden Chemikalien

Zusammensetzung in Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtprodukt ^

Strecke der Flammenausbreitung im Monsanto-Tunnel in cm (inches)

Strecke der
Flammenausbreitung
des Kontrollmateri
als in
cm (inches)

Gesamtänderung der Strecke der Flammenaus-■breitung in cm(inches)

Mono ammoniumpho sphat

Aluminiumo xi dt r i hydrat (45 %) lasern (50 %)

Diammoniumphosphat

Aluminiumoxidtrihydrat (45 %) Fasern(50 %)

Zinkchlorid (5 %) Aluminiumoxidtrihydrat (45 %) Fasern (50 %)

Zinkborat (5 %) Aluminiumoxidtrihydrat (47,5 %) Fasern (47,5 %)

Natriumborat (5 %) Aluminiumoxidtrihydrat (45 %) Fasern (50 %) 43,2(17) 38,1(15) 75,1 (+2)

41,9 (16,5) 36,8 (14,5) +5,1 (+2)

38,1 (15) 36,8 (14,5) +1,3 (+0,5)

35,6 (14) 36,8 (14,5) -1,2 (-0,5)

34,3 (13,5) 36,8 (14,5) -2,5 (-1)

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ORIGINÄR INSPECTED

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Tabelle I (Fortsetzung)

Zusammensetzung in Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtprodukt ^;

Strecke der Flammenausbreitung im Monsanto-Tunnel in cm (inches)

Strecke der
Flammenausbreitung
des Kontrollmate
rials in
cm (inches)

Gesamtänderung der
Strecke der Flammenausbreitung in cm (inches)

Teilweise erneut hydratisierte wasserfreie Borsäure (5 %) Aluminiumoxidtriiiydrat (4-5 %) Fasern (50 %)

teilweise dehydratisierte Borsäure (5 %) Aluminiumoxidtrihydrat (4-5 Fasern (50

35,6 (14-) 4-1,9 (16,5) -6,3 (-2,5)

Borsäure (5 %) Aluminiumoxidtrihydrat ^ih-* ^0/» Fasern

34,3 (13,5) 4-3,2 (17) -8,9 (-3,5)

26,7 (10,5) 36,8 (14·,5) -10,1 (-4-)

(4-5 %

(50 %

Ammoniumpent ab ο rat (5 %)
Aluminiumoxidtri-

25,4- (10) 38,1 (15) -12,7 (-5)

hydrat
Fasern

4-5 % 50 %

ΛΒβΐ den Fasern handelte es sich um solche vom durch trockenen Druck gereinigten Typ, wie in der Tabelle X beschrieben.

Da diese Ergebnisse sehr überraschend waren, wurde Borsäure
weiter untersucht. Die nachfolgende Tabelle II zeigt den Einfluß der Zugabe von 2,5 % Borsäure, bezogen auf das Gesamtgewicht von Aluminiumoxidtrihydrat + Fasern^und von variierenden Mengen Aluminiumoxidtrihydrat auf eine nach dem Trockenverfahren hergestellte Faserplatte, bestehend aus den in der tabelle X beschriebenen, unter Druck gereinigten Fasern· Wie daraus leicht zu ersehen ist, wurde durch Zugabe einer

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26'

geringen Menge Borsäure die Menge des für die Herstellung eines Produktes der Klasse I oder II erforderlichen Aluminiumoxidtrihydrat s ganz wesentlich herabgesetzt·

Tabelle II

Monsanto-Tunnel-Tests mit einer nach dem Trockenverfahren hergestellten Hartfaserplatte mit variierenden Gehalten an Aluminiumoxidtrihydrat und

Borsäure

Länge der Flammenausbreitung im Monsanto-Tunnel-Test in cm (inches)

Zusammensetzung ohne Borsäure- Zugabe von 2,5% (Gew.%) ^J zugabe Borsäure

Aluminiumoxidtrihydrat (60 %) 31,8 (12,5)

Fasern (40 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (55 %) 36,8 (14,5)

Fasern (4-5 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) 38,1 (15) 27,9 (11) Fasern (50 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (40 %) 44,4 (17,5) 33,0 (13) Fasern (60 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (30%) 49,5 (19,5) 40,6 (16) Fasern (70 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (20 %) 58,4 (23) 47,0 (18,5) Fasern (80 %)

⁺' Bei der Faser handelte es sich um eine solche des nach dem trockenen Druckverfahren gereinigten Typs, wie es in der folgenden Tabelle Σ beschrieben ist.

Die Borsäure wurde in körniger Form dem Gemisch aus Aluminiumoxidtrihydrat und den Fasern zugegeben.

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Die nachfolgende Tabelle III zeigt den Einfluß der Zugabe variierender Mengen von Borsäure zu 50/50- und 30/70(Aluminiumoxidtrihydrat /Faser) -Gemischen für die Herstellung von nach dem Trockenverfahren hergestellten Hartfaserplatten.

Tabelle III

Monsanto-Tunnel-Tests mit einer nach dem Trockenverfahren hergestellten Hartfaserplatte mit variierenden Gehalten an Borsäure bei konstantem Aluminiumoxidtrihydrat-Gehalt

Zusammensetzung (Gew.%)

Länge der Flammenaus breitung im Monsanto-Tunnel in cm (inches)	(14)
35,6	(13,5)
34,3	(13)
33,0	(11,5)
29,2	(11,5)
29,2	(11,5)
29,2	(10,5)
26,7

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) Fasern (50 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) Fasern (50 /o) + 0,5 % Borsäure**'

Aluminiumoxidtrihydrat (50 °/o) Fasern (50 %) + 1 % Borsäure

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) Fasern (50 %) + 1,5 % Borsäure

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) Fasern (50 %) + 2 % Borsäure

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) Fasern (50 %) + 2,5 % Borsäure

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) Fasern (50 %) + 5 % Borsäure

Aluminiumoxidtrihydrat (30 %) Fasern (70 %)

Die Flamme wanderte entlang der Länge des Tunnels (61 cm (2M- inches)) innerhalb von 3 Minuten und 30 Sekunden.

ö 0 9 8 -S '■? / 0 8 1 ß

26 - 17 -

Tabelle III (Fortsetzung)

Länge der Flammenausbreitung im Monsanto-Tunnel in Zusammensetzung (Gew.%) *^ cm (inches)

Aluminiumoxidtrihydrat (30 %)

Fasern (70 %) + 1,5 % Borsäure 53,3 (21)

Aluminiumoxidtrihydrat (30 %)

Fasern (70 #) + 2,5 % Borsäure 52,1 (20,5)

Aluminiumoxidtrihydrat (30 %)

Fasern (70 %) + 5 % Borsäure 45,7 (18)

Aluminiumoxidtrihydrat (30 %)

Fasern (70 %) + 10 % Borsäure 40,6 (16)

Bei den Fasern handelte es sich um solche vom nach einem trockenen Verfahren unter Druck gereinigten Typ, wie sie in der folgenden Tabelle X beschrieben sind. Die Borsäure wurde in körniger Form zu dem Aluminiumoxidtrihydrat und der Faseraufschlämmung zugegeben.

zugegebenen Borsäuremengen beziehen sich auf Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Aluminiunoxidtrihydrat + Fasern.

Eine Animoniumpentaborat/Borsäure-Mischung kann ebenfalls geeignet sein für die Zugabe zu dem Alum in, iumoxidt r ihy dr at/-Holzfaser-Gemisch.

Bei der Durchführung von Tests mit Platten, die variierende Prozentsätze an Aluminiumoxidtrihydrat und Ammoniumpentaborat enthielten, wurden die in der folgenden Tabelle IV angegebenen Werte in bezug auf die Herabsetzung der Flammenausbreitung erhalten.

60908 ? /0816

INSPECTED

Tabelle IV

Monsanto-Tunnel-Tests mit einer nach dem Naßverfahren hergestellten Hartfaserplatte mit variierenden Gehalten an Aluminiumoxidtrihydrat und Ammoniumpentaborat

Länge der Flammenausbreitung in dem Monsanto-Tunnel-Test in cm (inches)

ohne Borat- mit Borat-Zusammensetzunp; (Gew_o%)*^ zugabe zugabe * *³

Aluminiumoxidtrihydrat (25 %)

Fasern (75 %) 58,4 (23,5) 4-7,0 (18,5)

Aluminiumoxidtrihydrat (33 %)

Fasern (67 %) 54,6 (21,5) 40,6 (16)

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %)

Fasern (50 %) 36,8 (14,5) 27,9

*) Bei den Fasern handelte es sich um die in der Tabelle X beschriebenen Fasern vom nach dem Naßverfahren hergestellten Innentyp.

zugegebene Menge an Ammoniumpentaborat betrug 3 bis 4 %, es wurde eine Vakuumdruckimprägnierung angewendet.

Die überraschende Natur und die synergistischen Eigenschaften der Kombination von Aluminiumoxidtrihydrat und einer BqO^- Quelle gehen aus der folgenden Tabelle V hervor, in der eine Aluminiumoxidtrihydrat + Diammoniumphosphat enthaltende Platte mit einer AluminiumoxidtiSaydrat und Borsäure enthaltenden Platte verglichen wird. Wie in der Tabelle V angegeben, ist Diammoniumphosphat mindestens ebenso wirksam wie Borsäure allein in bezug auf die Herabsetzung des Flammenausbreitungsindex einer Hartfaserplatte_o Wenn es jedoch einer Aluminiumoxidtrihjdrat enthaltenden Platte zugesetzt wird, wird durch

609883/0818

262

die Kombination von Aluminiumoxidtrihydrat und Borsäure die Länge der Flammenausbreitung von 36,8 cm (14,5 inches) auf etwa 26,7 cm O0,5 inches) herabgesetzt, während durch die Kombination von Aluminiumoxidtrihydrat mit Diammoniumphosphat die FSI von 36,8 cm (14,5 inches) auf 41,9 cm (16,5 inches) ansteigt. Die mit anderen Verbindungen, die ebenfalls bei einer Temperatur unterhalb etwa 40O⁰C BgO^ liefern können, erzielten Ergebnisse waren ebenfalls synergistisch und überraschend.

Tabelle Y

Vergleich zwischen der Wirksamkeit von Diammoniumphosphat und Borsäure in einer nach dem Trockenverfahren hergestellten

Hartfaserplatte

Länge der Flammenausbreitung im Monsanto-Turmel-Test in cm (inches)

Zusammensetzun

ohne Zugabe einer Chemikalie

Zugabe von
5,5 % Diammonium-
phosphat

Zugabe von ^>_X3 % Borsäure

Fasern (100 %)

Die Flamme
wanderte entlang der
Länge des
Tunnels innerhalb von 1 Minute und 45 Sekunden

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %)
Fasern (50 %) 36,8 (14,5)

Die Flamme
wanderte entlang der'
Länge des
Tunnels innerhalb von
2 Minuten und
35 Sekunden

Die Flamme wanderte entlang der Länge des Tunnels innerhalb von 2 Minuten und 45 Sekunden

41,9 06,5) 26,7 00,5)

den Fasern handelte es sich um solche vom nach dem trockenen Verfahren unter Druck gereinigten Typ, wie in der Tabelle X beschrieben.

609883/081 6

Ein weiterer Beweis für die synergistische Wirkung geht aus der folgenden Tabelle VI hervor, in der die ASTM E84-Testergebnisse für Flatten zusammengestellt sind, die variierende Mengen Aluminiumoxidtrihydrat und Borax/Borsäure (1/1) enthalten. Das Borax ist nicht wesentlich, es verhindert jedoch eine übermäßige Hydrolyse auf der Oberfläche der Platte an lokalisierten Stellen und unterstützt die Solubilisierung der Borsäure.

Tabelle VI

ASTM E84-Tests mit variierenden Gehalten von Aluminiumoxidtrihydrat und Borax/Borsäure in einer Hartfaserplatte

Zusammensetzung; (G-ew.%) *>

Ergebnisse der ASTM E84-

Tests

Flammenaus- ßauchbilbreitungs- dungsindex index

Fasern (100 %) Fasern (99 %) Borax/Borsäure (1 %)

Fasern (98 %) Borax/Borsäure (2 %)

Fasern (96 %) Borax/Borsäure (4- %) Fasern (95 %) Borax/Borsäure (5 %)

Fasern (94 %) Borax/Borsäure (6 %)

Fasern (78 %) Aluminiumoxidtrihydrat (22 %)

Fasern (70 %j Aluminiumoxidtrihydrat (30 %)

174

250

164	134
151	142
124	51
115	55
118	47
103
96	62

609883/081 fi

262

Tabelle VI (Fortsetzung)

Ergebnisse der ASTM E84-Tests

Flammenaus- Rauchbilbreitungsdungsindex Zusammensetzung (Gew.%)*' index

Fasern (50 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (50 %) 38 0

Fasern (71 %) Aluminiumoxidtrihydrat (23 %)

Borax/Borsäure (6 %) 60 13

Fasern (66 %) Aluminiumoxidtrihydrat (28 °/o)

Borax/Borsäure (6 %) 44 0

Fasern (60 %) Aluminiumoxidtrihydrat (28 °/ö)

Borax/Borsäure (12 %) 21 0

Fasern (48 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (47 °/o)

Borsäure (5 %) 18

*)ßei der Borax/Borsäure handelte es sich um ein 1/1-Gemisch·

Wie die vorstehenden Ergebnisse zeigen, kann ein wesentlicher Prozentsatz des Aluminiumoxidtrihydrats durch einen geringen Prozentsatz von etwa 0,5 bis etwa 7 Gew.% einer Borverbindung, wie Borsäure, die bei einer Temperatur unterhalb etwa 400⁰C und insbesondere bei oder unterhalb der Verbrennungstemperatur der brennbaren Komponente in der Aluminiumoxidtrihydrat enthaltenden Platte BoO^ bildet, ersetzt werden. So würde beispielsweise ein Produkt der Klasse II mit einem Flammenausbreitungsindex von etwa 60, wenn es herstellbar ware, etwa 40 bis etwa 45 Gewichtsteile Aluminiumoxidtrihydrat erfordern. Eine Platte der Klasse II mit dem gleichen Flammenausbreitungsindex kann hergestellt werden unter Zugabe von nur 23 Gewichtsteilen Aluminiumoxidtrihydrat bei gleichzeitiger

609883/0818

2 6 2 ⁷ 6 R

Zugabe von 3 % einer B₂O^ bildenden Verbindung. Auf diese Weise können etwa 40 bis etwa 50 Gewichtsprozent des Aluminiumoxidtrihydrat s eingespart werden, während gleichzeitig ein Produkt mit wesentlich höherer Festigkeit erhalten wird. In entsprechender Weise benötigt man für ein Produkt, das zur Herstellung eines Produktes der Klasse I (mit einem ESI von weniger als etwa 25) die Verwendung von 65 Gewichtsteilen Aluminiumoxidtrihydrat erfordern würde, bei der erfindungsgemäßen Herstellung nur etwa 28 Gewichtsteile Aluminiumoxidtrihydrat bei gleichzeitiger Zugabe von 6 Gewichtsteilen einer B₂O₃, bildenden Verbindung. Durch die Zugabe von 6 Gewichtsteilen einer BpO^-Quelle können 37 Gewichtsteile Aluminiumoxidtrihydrat eingespart werden bei gleichzeitiger Erzielung eines viel festeren Produktes.

Bei der aktiven Borkomponente, die zur Erzielung einer synergistischen Herabsetzung der Flammenausbreitung in Kombination mit dem Aluminiumoxidtrihydrat verwendet werden muß, handelt es sich um B₂O,. Das B₂O^ kann von einer Reihe von Bor enthaltenden Verbindungen, wie Borsäure und den Ammoniumboraten, wie z. B. den Bi- und Pentaboraten, gebildet werden. Jede dieser BpO^ liefernden Verbindungen emittiert eine grüne Flamme, wenn die diese Verbindung enthaltende Platte Brenntests ausgesetzt wird. Um die vollen Vorteile der Erfindung zu erzielen, sollte die Borverbindung in der Lage sein, bei einer Temperatur bei oder unterhalb der Pyrolysetemperatur der brennbaren Komponente in der Platte B₂O? zu bilden» Sowohl Borsäure als auch dieimmoniumborate sind in der Lage, bei einer Temperatur unterhalb etwa 40O⁰C und etwa bei der Pyrolysetemperatur der Cellulosefasern B₂O^ zu bilden. Außerdem wird Aluminiumoxidtrihydrat etwa bei der gleichen Temperatur dehydratisiert. Stabilere BgO^-Quellen, wie z. B. Zinkborate und Natriumborate, erfordern die Anwendung viel höherer Temperaturen als 400⁰C zur Bildung von BoO, und ergeben nicht den Synergismus, der- axt Borsäure und Ammoniumboraten zu

609883/0818

beobachten ist· Die B^O^-Quelle sollte in dem Endprodukt in einer Menge von mindestens etwa 0,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Produktes, enthalten sein, so daß die Flammenausbreitung in ausreichendem Maße herabgesetzt wird. Größere Zusätze als etwa 10 Gew.% können zu einer übermäßigen Empfindlichkeit des Endproduktes gegenüber Wasser führen. Dies gilt insbesondere, wenn Borax als Puffer verwendet wird, da es ebenfalls die Empfindlichkeit des Endproduktes gegenüber Wasser erhöht. Bei hohen Boratgehalten kann auch die Verkohlung des künstlich hergestellten Faserproduktes übermäßig stark werden. Es wird daher empfohlen, daß die Bp^" Quelle in einer Menge vorhanden ist, die nicht mehr als etwa 10 Gew.% B₂O, in dem Produkt ergibt.

Das Aluminiumoxidtrihydrat, auch bekannt unter der Bezeichnung Gibbsit, <7 -Aluminiumoxidtrihydrat, hydratisiertes Aluminiumoxid oder Aluminiumtrihydroxid, sollte in dem künstlich hergestellten faserförmigen Produkt in einer Menge von mindestens etwa 10 Gew.% enthalten sein, um die vollen Vorteile der Erfindung zu erzielen. Aluminiipioxidtrihydrat eignet sich in idealer Weise für die Einarbeitung in künstlich hergestellte Faserplatten, da es bei den üblichen Verdichtungsbedingungen (Warmpreßbedingungen) stabil ist und etwa bei der Pyrolysetemperatur der künstlich hergestellten !Faserprodukte Wasser freisetzt. Die chemisch gebundenen Wassermoleküle des Aluminiumoxidtrihydrats werden abgespalten, was dazu führt, daß das Aluminiumoxid bei erhöhter !Temperatur innerhalb des Bereiches von etwa 200 bis etwa 500⁰C dehydratisiert wird. Die Dehydratation ist eine endotherme Reaktion, welche die Zufuhr einer beträchtlichen Wärmemenge erfordert und die Herabsetzung der Flammenausbreitung wesentlich unterstützte Außerdem unterstützen die abgetrennten Wassermoleküle und die daraus resultierende. . Wasserdampfbildung die Herabsetzung der Flammenausbreitung, wobei sich der Wasserdampf mit den brennbaren Gasen mischt und diese verdünnt. Von den verschie-

6 0 9.'- ' '·* / Π 8 1 fi

denen Herstellern können Aluminiumoxidtrihydratteilclien mit den verschiedensten Teilchengrößen -und den verschiedensten Reinheitsgraden "bezogen werden und einige typische Eigenschaften dieser Aluminiumoxidtrihydrate sind in der folgenden Tabelle VII angegebene

B 0 9 '■: -; ' / 0 8 1 fi

Tabelle VII

Typische Eigenschaften von Alcoa-Aluminiumoxidtrihydraten

Sorten

typische Eigenschaften*

σ-30

0-31

σ-31

grob

C-37

0-330

C-331

705

Al₂O₅

₂
Na₂O

,0,

Feuchtigkeit (110°C)(%)

Schü$tgewicht_x(locker) in
/P (lbs/ft^)

Schüttgewicht,.(gepackt) in
g/cm? (lbs/ft^)

spez. Gewicht
Siebanalyse (kumrrulativ)

Rückstand auf einem Sieb mit

einer Maschenweite von

0,15 mm (.100 mesh; W
0,074 mm (200 mesh) (%)
0,044 mm (325 mesh) (%)
Durchlauf durch ein Sieb mit
einer Maschenweite von
0,044 mm (325 mesh) 0/έ)

64,9

0,012

0,008

0,40

0,10

65,0 0,01

0,003 0,15

0,04

64,9

0,01

0,004

0,20

0,04

64,2 0,07 0,002 0,42

65,0

0,02

0,025

0,30

0,40

65,0
0,01
0,006

0,15

0,40

64,1 0,04 0,01 0,60 0,60

1,2-1,36 0,96-1,12 1,12-1,28 0,81-0,96 0,706 0,706 0,08-0,144

(75-85) (60-70) (70-80) (50-60) (44,00) (44,00) (5-9)

1.52-1,68 1,2-1,36 1,44-1,6 0,96-1,12 1,24

(95-105) (75-85) (90-100) (60-70) (77,oo)

2,42

5-20

65-90

90-98

2-10

2,42

0-1

5-10 30-65

35-70

2,42

0-10

40-80

85-97

3-15

2,53

6-12

30-60

75-95

5-25

2,42

1,24

(77,00)

2,42

0,096-0,193

(6-12) 2,40

99,0

1,0

99,0

0,^u4

99,96

Die Daten entstammen dem Alcoa Product Data Sheet-Chemikalien, Abschnitt GA4A, 1. Nov. 1972

CD

¹X)

2627G82

Die gröberen, weniger reinen Sorten waren für die Verwendung sowohl in dem Naßverfahren als auch, in dem Trockenverfahren geeignete Ohne Zugabe der B^O^ liefernden Verbindung ist es jedoch schwierig, ein künstlich hergestelltes, Aluminiumoxidtrihydrat enthaltendes Faserprodukt mit für die kommerzielle Produktion ausreichenden physikalischen Eigenschaften herzustellen, da ein solches Produkt zur Erzielung eines Produkts der Klasse II etwa 4-5 % Aluminiumoxidtrihydrat und zur Erzielung eines Produkts der Elasse I etwa 60 bis etwa 70 % Aluminiumoxidtrihydrat enthalten müßte. Erfindungsgemäß kann durch Kombinieren einer B₂O^-QUeIIe mit dem Aluminiumoxidi;rihydrat ein künstlich hergestelltes Faserprodukt mit einer Flammenausbreitungsbewertung entsprechend der Klasse II hergestellt werden, das zur Herstellung eines Produkts der Klasse II weniger als etwa 4-5 % Aluminiumoxidtrihydrat und insbesondere weniger als 30 % Aluminiumoxidtrihydrat enthalte Zur Herstellung eines Produkts der Klasse I wären ohne Verwendung der BpO^-Quelle 65 % Aluminiumoxidtrihydrat erforderlich, zusammen mit der B₂Oz-QUeIIe sind jedoch nur 30 bis 35 Teile Aluminiumoxidtrihvdrat erforderliche

Der Zeitpunkt der Zugabe des Aluminiumoxidtrihjdrats und der B₂O^-QUeIIe hängt von dem für die Herstellung der Platte angewendeten Verfahren ab_o Wenn das künstlich hergestellte Faserprodukt gemäß der Erfindung nach dem Naßverfahren hergestellt wird, werden die Aluminiumoxidtrihydrat-Teilchen zusammen mit dem Fasermaterial aufgeschlämmt und es wird ein feuchtes Vlies gebildet und auf einem für Wasser durchlässigen Träger, wie z.B. einem Fourdrinier-Drahtgitter, bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt innerhalb des Bereiches von etwa 25 bis etwa 75 Gew.-% entwässerte Dann wird auf die Oberfläche der teilweise entwässerten Matte eine B₂O^-QUeIIe, z.B. Borsäure, aufgebrachte Vorzugsweise wird die BpO^-Quelle der Oberfläche des feuchten Vlieses zugesetzt, wenn es einen Feuchtigkeitsgehalt innerhalb des Bereiches von etwa 40 bis

60 9 8 83/0816

262

etwa 60 Gew.-% aufweist*, Die BpO^-Quelle wird auf irgendeine bekannte Art und Weise auf die Oberfläche der teilweise entwässerten Matte aufgebracht, indem man beispielsweise die BpO^-Quelle über ein oberhalb der Oberfläche des teilweise entwässerten feuchten Vlieses angeordnetes Drahtgitter während der kontinuierlichen Herstellung desselben fließen läßt_o Die BpO^-Quelle dringt bei den normalen Trocknungs- und Warmpreßvorgängen, die zur Herstellung und Verdichtung des künstlich hergestellten Faserproduktes angewendet werden, in die teilweise entwässerte Matte ein. Das Faserprodukt wird auf an sich bekannte Weise getrocknet, beispielsweise in Trocknungsofen

oder während des Warmpressens, beispielsweise bei 52,7 kg/cm (750 psi) und 163°C (325⁰F), zur Herstellung eines !Produktes mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als etwa 9 Gew.-%, vorzugsweise eines solchen innerhalb des Bereiches von etwa bis etwa 7 Gew.—%_o Gewunschtenfalls kann das Produkt auch vollständig getrocknet werden zur Herstellung eines knochentrockenen Produktes, das knochentrockene Produkt nimmt jedoch Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, so daß dann, wenn der Feuchtigkeitsgehalt den Gleichgewichtswert erreicht, dieser normalerweise innerhalb des Bereiches von etwa 5 bis etwa 7 Gew.-% liegt*

Ein anderes Verfahren zum Einbringen einer B₂0,-Quelle in das nach dem Naßverfahren künstlich hergestellte Faserprodukt besteht darin, daß man das Faserprodukt nach der Verdichtung damit imprägniert₀ Die Imprägnierung nach der Verdichtung ist bevorzugt, da beim Aufbringen der B₂O₅-QUeIIe auf die Oberfläche des feuchten Vlieses ein Teil der B₂O,-Quelle verlorengeht, entweder durch Hindurchlaufen durch die feuchte Matte oder durch Verdampfung während des Warmpressens_o Wenn die B₂O₁Z-QUeIIe auf die Oberfläche des feuchten Vlieses aufgebracht wird, muß sie in einer Menge verwendet werden, die größer ist als die gewünschte Endmenge an BoO,. Im allgemeinen

6098 8 3/0816

262

geht eine Menge von etwa 20 bis etwa 30 % der B₂O₃₅ verloren durch Hindurchlaufen oder durch Verdampfen während der Verdichtung, so daß bis zu etwa 10 Gew.-% der B^O^-Quelle der Oberfläche des feuchten Vlieses zugesetzt werden können. In bezug auf das Verfahren der Zugabe der BpO,-Quelle sind nur geringe Unterschiede hinsichtlich der Herabsetzung der Flammenausbreitung festzustellen,. Die Flammenausbreitungswerte Ton Platten, die unter Zugabe einer BpO^-Quelle zu dem feuchten Vlies hergestellt worden sind, sind in der folgenden Tabelle VIII im Vergleich zu Platten angegeben, die unter Imprägnierung mit der BoO^-Quelle hergestellt worden sind.

Tabelle VIII

Vergleich zwischen nach dem Naßverfahren hergestellten, Aluminiumoxidtrihydrat enthaltenden Platten, denen Borate nach dem Pressen zugesetzt wurden

Zusammensetzung (Gew.-%)*

Aluminiumoxidtrihydrat (30 %)
Fasern (60 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (30 %)

Borax/Borsäure (verbleibende Zugabe 6 %) Fasern (70 %)

Aluminiumoxidtrihydrat (32 %)

Borax/Borsäure (verbleibende Zugabe 5i5 %) Fasern (68 %)

Art der Boratzugabe

(keine Borat-Zugabe)

Zugabe zu dem feuchten Vlies vor dem Pressen

Länge der Flammenausbreitung in dem Monsanto-Tunnel

die Flamme durchwanderte die Länge des Tunnels innerhalb von 3 Min. und 4-5 Sek„

40,6 cm (16 inches)

Imprägnierung 41,9 cm (16,5 inches) nach dem Pressen

* Bei den Fasern handelte es sich um solche vom Innentyp, die nach dem Naßverfahren hergestellt wurden, wie sie in Tabelle X beschrieben sind. Bei der Mischung Borax/Borsäure handelte es sich um eine Mischung im Gewichtsverhältnis 1:1. Die Zugabemenge der Borate ist in Gew.-%, bezogen auf das Gewicht von Aluminiumoxidtrihydrat + Fasern, angegeben.

6098B3/0816
ORiOlNAC

■"^"•AiÄ-vV.:

262' - 29 -

Wenn das erfindungsgemäße künstlich hergestellte Faserprodukt nach dem Trockenverfahren hergestellt wird, wird das Aluminiumoxidtrihydrat zu irgendeinem geeigneten Zeitpunkt vor der Bildung der trockenen Matte und vor der Verdichtung derselben

ο unter Wärme und Druck, beispielsweise bei 42,2 kg/cm (600 psi) und 218,5°G (4-25°F)_t zugegeben. Das Aluminiumoxidtrihydrat wird im allgemeinen bevorzugt zu einem Zeitpunkt zugegeben, der das innige Durchmischen des Aluminiumoxidtrihydrats mit den Holzfasern in den Systemluft strömen vor der Verfilzung auf dem Formdrahtnetz erlaubt» So kann beispielsweise das Aluminiumoxidtrihydrat einer Rohrleitung zugeführt werden, die dazu verwendet wird, die Fasern zu dem Formdrahtnetz zu befördern. Den Fasern oder der Faser/Aluminiumoxidtrihydrat-Mischung können nach an sich bekannten Verfahren Harz und Wachs zugegeben werden. Die BpO?-Quelle wird entweder während der Primärherstellung oder durch Imprägnierung nach der Verdichtung des Produktes zugegeben. Wenn sie den Holzfasern während der Primärherstellung zugegeben wird, kann die BpO^-Quelle in Form eines Pulvers vorher mit dem Aluminiumoxidtrihydrat gemischt werden oder sie kann zu irgendeinem geeigneten Zeitpunkt entweder in Form eines Pulvers oder in Form einer Lösung getrennt zugegeben werden_o Wenn die B₂O₃,-Quelle durch Imprägnierung nach dem Pressen des Produktes zugegeben wird, werden Vakuumdruckimprägnierungsverfahren, wie sie auf diesem Gebiet an sich bekannt sind, angewendet. Die Art oder Eeihenfolge der Zugabe der BoO^-Quelle und des Aluminiumoxidtrihydrats ist nicht kritische, Dem Zentrum des Produktes kann eine größere Menge der synergistischen Mischung von Aluminiumoxidtrihydrat und B₂O^-QUeIIe zugegeben werden als den Oberflächen, die genaue Verteilung ist jedoch in bezug auf die Einzigartigkeit des festgestellten Synergismus nicht kritische

Die Aluminiumoxidtrihydratverluste während der Herstellung stellen einen wesentlichen Teil der Kosten dar und Arbeiten

609883/0818

OfHQtHAL INSPECTED

262^:^H2

im Labor haben gezeigt, daß die Retention mit größeren Teilchen und feineren Fasern beträchtlich verbessert werden kann» Es ist eine nahezu 100 %ige Rückgewinnung des Aluminiumoxidtrihydrats aus dem ablaufenden Wasser möglich, da es sich schnell absetzte Die Aluminiumoxidtrihydratverluste bei Verwendung verschiedener Fasern und verschiedener Aluminiumoxidtrihydrat-Größen sind in der folgenden Tabelle IX angegeben.

Tabelle IX

Verluste bei Anwendung des Naßverfahrens unter Verwendung von verschiedenen Fasern und Aluminiumoxidtrihydrat verschiedener

Größen*

Faser-Typ am gröbsten

Fasern vom Außen-Typ, hergestellt nach dem Bauverfahren
(Masonite-Verfahren)

kein Alumi-

niumoxid-

trihydrat

3 %

mit Aluminiumoxidtrihydrat

ultra- mittel- grob fein fein

Fasern vom Innen-Typ, hergestellt nach dem Naßverfahren
(Masonite-Verfahren)

3 %

Fasern vom Innen-Typ,

hergestellt nach dem

Naßverfahren

(unter Druck gereinigt)

9 %

609883/08

21 %

26 2' - ·. /

* Die Verluste wurden bei Gemischen aus gleichen Mengen Pasern und Aluminiumoxidtrihydrat mit einem Zusatz von 3 % Phenolformaldehydharz und 1,5 % Wachs bestimmt. Die Gemischejohne Aluminiumoxidtrihydrat enthielten nur die Fasern und einen Harzzusatz von 3 % und einen Wachszusatz von 1,5 %·

Die IPasergrößenverteilungen von typischen IPasergemischen, wie sie zur Herstellung des erfindungsgemäßen Produktes verwendet werden, sind in der folgenden Tabelle X angegeben.

609883/0816

Tabelle Σ

Fasergrößenverteilung

Faser-Typ

Prozentsatz des Materials, der auf einem Sieb mit der nachfolgend angegebenen Maschenweite in mm (US-Sieb Kr.) zurückgehalten wurde:*

3,4 2,15 0,84 0,44 0,15 0,088 Auffang-(6) (9) (20) (40) (100) (170) trog (pan)

Fasern vom Außen-Typ, tieren gestellt nach dem Naßver- ° fahren (Masonite-Verfahren)

^ Fasern vom Innen-Typ, her-

Z'j gestellt nach dem Naßver-

--. fahren (Masonite-Verfahren) ο

°° Fasern vom Innen-Typ, her-

^ gestellt nach dem Trocken-

⁰^ verfahren (unter Druck gereinigt)

0,8 % 5,9 % 29,3 % 61,7 % 84,6 % 91,7 % 100,1 %

4,8 % 29,1 % 57,6 % 81,8 % 90,6 % 100,0 %

6,6 % 25,1 % 73,7 % 84,5 % 99,9 ;έ

* Der Prozentsatz wurde nach 30-minütigem Durchlauf von 40 g-Proben in einem handelsüblichen Ro-Tap bestimmte

Claims

Patentansprüche

1. Jflammwidriges Produkt, das eine brennbare Komponente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Aluminiumoxidhydrat in einer Menge von mindestens etwa 10 Gew.-% und eine BpO^-Quelle in einer geringeren, die Flammenausbreitung in dem Produkt herabsetzenden Menge enthält.

2. Produkt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die -Bp^s-Quelle mindestens 0,5 Gew.-% des Produktes ausmacht.

3. Produkt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als BpO^-Quelle Borsäure enthält.

4. Produkt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als BpO^-Quelle ein Ammoniumborat enthält.

5· Produkt nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß es als Ammoniumborat Ammoniumpentaborat enthält.

6. Produkt nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß es als Ammoniumborat Ammoniumbiborat enthalte

7. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die B₂O,-Quelle 1 bis 10 % des Gewichtes des Produktes ausmacht.

8. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß es als brennbare Komponente brennbare Fasern in einer Menge innerhalb des Bereiches von 20 bis 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Produktes, enthält.

609 S.; 3/0816

ORIGiNAt INSPECTO

26?

9· Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Borax in einer Menge von etwa 1 "bis etwa 10 Gew.-#, bezogen auf das Gewicht des Produktes, enthält _o

10. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem ein Bindemittel in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Produktes, enthält«,

11. Produkt nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es als Bindemittel ein Phenolformaldehydharz oder ein Aminformaldehydharz enthält.

12. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es besteht aus oder enthält Cellulosefasern, 20 bis 60 Gew.-% Aluminiumoxidtrihydrat und eine B₂O-Quelle.

13. Produkt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es als BoO -Quelle Ammoniumpentaborat enthält.

14·. Produkt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es als B^O^-Quelle Ammoniumbiborat enthält₀

15· Produkt nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem einen Puffer in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Faserproduktes, enthält.

16. Produkt nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß es als Puffer eine basische Verbindung enthält.

17. Produkt nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem Borax enthält.

609883/0816 ORiGiNAL

26? - l· -

18. Verfgthren zur Herstellung eines Faserproduktes mit einer verminderten Flammenausbreitung nach einem der Ansprüche 1 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß man brennbare Fasern mit Wasser mischt unter Bildung einer Komponentenauf schlämmung, mindestens einen Teil dieser Aufschlämmung auf einen für Wasser durchlässigen Träger aufbringt unter Bildung einer feuchten Matte, Aluminiumoxidtrihydrat und eine ΒρΟ,-Quelle, welche die Flammenausbreitung des Faserproduktes vermindern, zusetzt und das Faserprodukt verdichtet·

19© Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man das Aluminiumoxidtrihydrat der Komponentenaufschlämmung zusetzt.

2Oo Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man das Aluminiumoxidtrihydrat der feuchten Matte zusetzt, wenn die feuchte Matte noch etwa 20 bis etwa 60 Gew.-% Wasser enthalte

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß man die BpO^-Quelle der Komponentenaufschlämmung zusetzt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß man die ΒρΟ,-Quelle der feuchten Matte zusetzt, wenn die feuchte Matte noch etwa 20 bis etwa 60 Gew.-% Wasser enthalte

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß man das Faserprodukt nach dem Verdichten mit der B₂O,-Quelle imprägniert.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß man eine B₂O^-QUeIIe verwendet, die bei einer Temperatur unterhalb der Verbrennungstemperatur der

609 C.¹ «3/0816

brennbaren Fasern B₂O^ bildete

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24-, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Faserprodukt herstellt, das nach dem Verdichten einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 9 Gew.-% aufweist.

26e Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man die Aufschlämmung durchmischt, um das Aluminiumoxidtrihydrat gleichmäßig in der Aufschlämmung zu verteilen.

27«, Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß man als B₂0,-Quelle Borsäure, B₂O, oder ein Ammoniumborat verwendet.

28ο Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man die B₂O^-QUeIIe in einer solchen Menge auf die feuchte Matte aufbringt, die ausreicht, um einen B^^-Quelldn-G-ehalt von 1 bis 5 Gew.~% in dem verdichteten Produkt zu erzielen.

29· Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man die B₂0,-?Quelle in einer solchen Menge auf die Oberfläche der feuchten Matte aufbringt, daß der Feststoffge- ' halt in der feuchten Matte etwa 5 bis etwa 8 Gew.-% beträgt,

Verfahren zur Herstellung eines Faserproduktes mit einem verminderten Flammenausbreitungsindex, dadurch gekennzeichnet, daß man Oellulosefasern, Aluminiumoxidtrihydrat und ein Bindemittel miteinander mischt, eine die Flammenausbreitung in dem Fäserprodukt vermindernde B₂O,-Quelle zugibt, die Mischung unter Verwendung eines Luftstrahls in Form einer Schicht auf einen Träger aufbringt und die Mischung unter Wärme und Druck verdichtet zur Herstellung eines Faserproduktes mit einem verminderten Flammenausbr e itung s index _o

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31o Verfahren nach Anspruch 30_t dadurch gekennzeichnet, daß man den Fasern vor dem Aufbringen der Mischung in Form einer Schicht unter Verwendung eines Luftstrahls auf den träger die B^O^-Quelle ausetzt.

32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß man das Faserprodukt nach dem Verdichten mit der B₂O₅₅-Quelle imprägniert.

33· Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet ₉ daß man eine B^O^-Quelle verwendet, die bei einer Temperatur unterhalb etwa 4-0O⁰C BpO^ bilden kann.

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