DE2916101A1 - Verfahren zum umhuellen von abfallcellulosefasern und die dabei erhaltenen fasern - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum individuellen Umhüllen von Abfallcellulosefasern mit einem feinteiligen und billigen, wasserunlöslichen anorganischen Material unter Verwendung einer Mischeinrichtung und die dabei erhaltenen flammfesten Cellulosefasern.

Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Verwertung von Abfallcellulosefasern für die Herstellung von Isoliermaterial. Das qualitativ hochwertigste reine Zeitungsaltpapier wird derzeit in trockenem Zustand zerrissen oder zerfasert, um die Fasern zu kleinen Stückchen zu zerkleinern, worauf Flammschutzmaterialien, wie Borax und Borsäure, mit den zerkleinerten Cellulosefasern vermischt werden, um ein Isoliermaterial zu ergeben.

Dieses Verfahren besitzt eine Reihe von Nachteilen. So ist eine erhebliche Energiemenge erforderlich, um Zeitungspapier in trockenem Zustand zu zerreißen oder zu zerschneiden und die hierfür verwendeten Zerkleinerungsvorrichtungen sind groß, kostspielig, werden leicht beschädigt und müssen von Motoren angetrieben werden, die mehrere hundert PS besitzen. Bei dem Verfahren wird Staub gebildet, der ohne weiteres explosive Mischungen bilden kann und die Cellulosefasern werden zu relativ kurzen Fasern zerkleinert, was als Produkt eine Art gießfähigen Staub ergibt. Die Flammschutzmaterialien werden lediglich mit den zerkleinerten Fasern vermischt und neigen dazu, sich bei der Einwirkung von Vibrationen abzusetzen. Borax und Borsäure, die die Flammschutz-

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wirkung ausüben, zersetzen sich und verlieren ihr Hydratationswasser, insbesondere wenn sie während längerer Zeit bei Temperaturen oberhalb Raumtemperatur gehalten werden, was ihre Flammschutzwirkung beeinträchtigt, die von dem Hydratationswassergehalt abhängt. Weiterhin wirken diese Materialien dadurch, daß sie ihr Hydratationswasser bei der richtigen Temperatur in Gegenwart eines Feuers abgeben, wobei es möglich ist, daß sie ihr Wasser zu früh oder zu spät abgeben, um in dem betreffenden Feuer eine wirksame Wirkung ausüben zu können.

Weiterhin neigen zerkleinerte Cellulosefasern in starkem Maße dazu, sich unter Einwirkung von Vibrationen abzusetzen, so daß sie insbesondere in senkrechten Wänden ihre volle Isolationswirkung nicht beibehalten. Weiterhin ist dieses vorbekannte Verfahren kostspielig und benötigt die teuerste Qualität des Zeitungsaltpapiers und die Verwendung von Flammschutzmitteln, die in immer geringerem Ausmaß zur Verfügung stehen.

°i^e Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem man Cellulosefasern flammfest oder feuerbeständig ausrüsten kann, so daß sie als Isolationsmaterial verwendet werden können, wobei die Cellulosefaserprodukte eine verbesserte Feuerbeständigkeit besitzen und aus einer großen Vielzahl von Abfallcellulosematerialien in billiger und wirksamer Weise hergestellt werden können und nützliche Produkte für die Wiederverwertung von Cellulosefasern darstellen.

Gegenstand der Erfindung ist daher das Verfahren gemäß Hauptanspruch.

Die Unteransprüche 2 bis 9 betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens.

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Gegenstand der Erfindung sind weiterhin im wesentlichen ungebrochene Abfallcellulosefasern, die einzeln bzw. individuell mit einem nichtbrennbaren, feinteiligen und billigen anorganischen Material umhüllt oder bedeckt sind, das in Wasser unlöslich ist und über Wasserstoffbrückenbindungen sicher bzw. fest mit den Fasern verbunden ist, gemäß Anspruch 10.

Die Unteransprüche 11 bia 13 betreffen weitere Ausfüh— rungsformen der erfindungsgemäß umhüllten Fasern.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Abfallcellulosefasern einzeln bzw. individuell mit einem nichtbrennbaren, feinteiligen und billigen anorganischen Material, das in Wasser unlöslich ist, umhüllt. Dabei werden die Abfallcellulosefasern mit einer ausreichenden Wassermenge befeuchtet bzw. benetzt, um die Zwischenfaserbindungen, die die Abfallfasern zusammenhalten bzw. verfilzen, zu schwächen, worauf die befeuchteten oder benetzten Fasern entfilzt werden, indem man die Zwischenfaserbindungen löst, ohne ein wesentliches Brechen der Fasern zu bewirken. Dann wird das anorganische 'Material zusammen mit"den entfilzten und ungebrochenen "Fasern kontinuierlich in der Mischeinrichtung in Gegenwart von dem die Fasern befeuchtenden oder benetzenden Wasser vermischt. Hierdurch wird das anorganische Material in dem Wasser, das die Fasern benetzt oder befeuchtet, verteilt und .dispergiert, wobei die Fasern gereinigt bzw. raffiniert werden und das anorganische Material in der Mischung verteilt wird. Dabei hält die Oberflächenspannung des die Fasern befeuchtenden bzw. benetzenden Wassers das anorganische Material auf den Fasern, so daß etwa vorhandenes überschüssiges Wasser nicht dazu in der Lage ist, das anorganische Material von den Fasern abzuwaschen, wobei das Wasser den Wasserstoff stellt, über den das

anorganische Material sicher oder fest mit den Fasern verbunden wird, so daß die Fasern beim Trocknen mit dem anorganischen Material umhüllt bzw. beschichtet werden. Die umhüllten Fasern werden dann mit Luft in Kontakt gebracht, um einen Teil des Wassers abzutrocknen.

Als anorganisches Material verwendet man vorzugsweise Ton und man setzt während der Mischstufe vorzugsweise einen wasserlöslichen oder in Wasser dispergierbaren Klebstoff, wie Natriumsilikat, zu, um die umhüllten Fasern zu beschichten, wodurch deren Feuerbeständigkeit, wenn sie in Form eines Produkts mit geringer Dichte vorliegen, verbessert wird. Die umhüllten Fasern werden vorzugsweise vor dem Trocknen mit Luft getrennt und vermischt, worauf die Fasern bevorzugt zu einer elastischen Watte oder Matte verfilzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner das bei diesem Verfahren erhaltene Endprodukt in Form von Cellulosefasern, die einzeln mit einem anorganischen Material, wie Ton, umhüllt sind.

Die Erfindung sei im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein schematisches Fließdiagramm des Ablaufs der bevorzugten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer bevorzugten

Ausführungsform einer Vorrichtung zum Auflockern oder Flockigmachen der umhüllten Fasern unter Bildung einer elastischen Watte.

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise Cellulosefasern verwendet, die aus Altpapiermaterialien zurückgewonnen worden sind. Frischer Zellstoff ist nicht erforderlich, ist relativ kostspielig und wird deshalb besser für die Papierherstellung verwendet. Altpapierprodukte sind in relativ großen Mengen erhältlich, wobei viele Formen des Altpapiers für die derzeitigen Wiederverwertungsmaßnahmen nicht geeignet sind. Beispielsweise enthält das Papier von Zeitschriften Ton und andere Verunreinigungen, wie Stärke und Kasein, und besitzt derzeit für Wiederverwendungszwecke nur einen geringen Marktwert, Karton und Wellpappe sind ebenfalls nur bedingt geeignet und Altpapier enthält häufig Fremdkörper, die zusammen mit dem Papier weggeworfen worden sind und die bei der Wiederverwertung viele Probleme mit sich bringen.

In der ÜS-PS 3 775 525 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Aufarbeitung von Altpapier unter.Bildung eines dreidimensionalen Cellulosefaserprodukts beschrieben. Die Anfangsstufen dieses Verfahrens zur Entfilzung der Abfallfasern können bei dem vorliegenden Verfahren angewandt werden.

Man kann als Ausgangsmaterial für die Cellulosefasern, die erfindungsgemäß umhüllt werden, beliebige Altpapierprodukte verwenden, wie das Altpapier von Zeitschriften und Zeitungen, Karton, Wellpappeabfälle und Mischungen aus Altpapierprodukten. Vorzugsweise trennt man Fremdkörper aus dem Äbfallcellulosefasermaterial ab,

wenngleich das erfindungsgemäße Verfahren durch kleine ι Fremdkörper relativ wenig beeinträchtigt wird.

Große Wellpappekartons werden vorzugsweise zerrissen, um sowohl die Ballenbildung als auch das Verarbeiten zu erleichtern, wobei grob zerrissene Abfallkartons als

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ausgezeichnete Quelle für Cellulosefaser!! dienen, die als Ausgangsmaterial bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Das Zerreißen oder Zerkleinern ist jedoch nicht wesentlich und man kann viele AItpapiermaterialien, einschließlich Zeitungs- und Zeitschriften-Altpapier, direkt ohne es zu zerreißen oder zu zerkleinern, verarbeiten.

Statt das trockene Altpapier zu einem feinen, gießbaren Staub aus zerbrochenen Fasern zu zerkleinern oder zu zerschneiden, wird das Altpapier erfindungsgemäß entfilzt, ohne die Fasern im wesentlichen zu zerbrechen, wobei man im allgemeinen ganze und getrennte Einzelfasern erhält, die nicht an andere Fasern gebunden sind. Das Entfilzen erfolgt in feuchtem Zustand in Gegenwart einer ausreichenden Menge Wasser, die dazu ausreicht, die Fasern zu befeuchten oder zu benetzen und die Zwischenfaser-Wasserstoffbruckenbindungen zu schwächen, die die Fasern in dem trockenen Zustand des Papiers verfilzen. Das Entfilzen der feuchten Fasern unter Lösen ihrer Zwischenfaserbindungen benötigt wesentlich weniger Energie als das Zerkleinern oder Zerschneiden von trockenem Papier und ergibt im allgemeinen ungebrochene Fasern mit voller Länge, die ein besseres Isoliermaterial darstellen.

Die wiederzuverwertenden Abfallcellulosefasern werden vorzugsweise in einen Wassertank getaucht, damit sie so viel Wasser aufsaugen, daß sich nach dem Abtropfen des befeuchteten Altpapiers ein Faserfeststoffgehalt im Bereich von 30 bis 40 Gew.-% ergibt. Diese Wassermenge reicht dazu aus, die Wasserstoffbruckenbindungen zwischen den verfilzten Fasern zu schwächen, so daß diese Bindungen mit relativ geringem Energieaufwand gelöst werden können, ohne daß ein wesentliches Brechen der Fasern erfolgt. In

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trockenem Zustand sind die Zwischenfaserbxndungen stärker als die Fasern, so daß das Trennen der Fasern einen erheblichen Energieaufwand erforderlich macht, wobei die Fasern zu kleinen Teilchen zerbrochen werden. Die von den. Abfallfasern aufgesaugte Wassermenge kann ohne weiteres über die Temperatur des Wassers , die Aufsaugzeit und die Abtropfdauer gesteuert werden, wobei wärmeres Wasser leichter aufgesaugt wird als kälteres Wasser. Innerhalb des bevorzugten Bereiches eines Fasergewichts ^v°ⁿ 30 bis 40 Gew.-% ist ein Fasergewicht von 33 bis 37 Gew.-% noch stärker bevorzugt.

Das Altpapier wird in dem Einweichtank vorzugsweise durch Trommeln oder Rühren bewegt, um das Absitzen und Abtren-

IS nen von dichten Fremdkörpern zu bewirken. Nach dem Abtropfen wird das befeuchtete Altpapier entfilzt oder aufgetrennt, wozu man eine Fasertrennvorrichtung verwendet, die die einzelnen Fasern im wesehtlichen voneinander löst, ohne sie zu Stücken zu zerbrechen. Eine völlige Fasertrennung ist nicht erforderlich, wenngleich sie so vollständig sein muß, daß die befeuchteten Fasern mit einer Fördervorrichtung dosiert werden können. Die bevorzugte Konsistenz der entfilzten Fasern ist die eines krümeligen und feuchten Materials, wobei dann, wenn vie-Ie Fasern in diesem Stadium aneinanderkleben, eine weitere Trennung der Fasern in der Mischvorrichtung erfolgt.

Eine bevorzugte Vorrichtung zum Lösen der Zwischenfaserbxndungen und zum Entfilzen der Fasern des befeuchteten Altpapiers ist in der US-PS 3 806 050 der Anmelderin beschrieben. Diese Vorrichtung ist besonders wirksam zur kontinuierlichen Trennung von ungebrochenen Cellulosefasern eines befeuchteten Altpapiermaterials unter BiI-dxang eines Produkts, das für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Ein weiterer Vorteil der Anwendung dieser Vorrichtung besteht darin,

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daß die Anwesenheit von Verunreinigungen, wie Kunststoffen, Klebstoffen und kleinen Fremdkörpern nicht stört und daß hierdurch weder die Vorrichtung noch das Endprodukt beeinträchtigt werden. Die Vorrichtung führt zu einer Trennung der Cellulosefasern, läßt jedoch größere Gegenstände intakt, so daß diese von dem Endprodukt abgetrennt werden können.

Weitere Vorrichtungen, die alternativ dazu verwendet werden können, die befeuchteten Cellulosefasern zu entfilzen, umfassen Hammermühlen und möglicherweise andere Vorrichtungen mit einer Zupfwirkung oder Rupfwirkung. Man kann auch einen herkömmlichen Stofflöser oder Pulper dazu verwenden, die Abfallcellulosefasern voneinander zu trennen, wenngleich Verdickungsvorrichtungen, wie Preßwalzen, dazu erforderlich sind, das überschüssige Wasser abzuquetschen, um den Faserfeststoffgehalt in den bevorzugten Bereich von 30 bis 40 Gew.-% zu bringen. Die Vorrichtungen zur erfindungsgemäßen Trennung der Fasern werden vorzugsweise mit befeuchteten Fasern betrieben, da das Benetzen der Cellulosefasern die Zwischenfaserbindungen schwächt und es ermöglicht, die Fasern vollständig und in ungebrochenem Zustand voneinander zu trennen und dies bei Aufwand einer geringeren Energiemenge als sie erforderlich wäre, um die Fasern in trockenem Zustand zu zerkleinern oder zu zerschneiden.

Die in Form eines Materials mit einem Faserfeststoffgehalt von etwa 30 bis 4O Gew.-% und vorzugsweise etwa 33 bis 37 Gew.-% vorliegenden befeuchteten und im allgemeinen getrennten Cellulosefasern werden , wie es aus der Fig. 1 zu ersehen ist, in einer vorbestimmten Menge ' mit Hilfe einer Dosierfördereinrichtung 11 in die Mischeinrichtung 10 eindosiert. Die Mischeinrichtung 10 ist ebenfalls ein Mischer und Reiniger oder Raffinierer, wie er in der US-PS 3 806 050 der Anmelderin beschrieben

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ist, da diese Vorrichtung dazu geeignet ist, Cellulosefasern in feuchtem Zustand zu verarbeiten, die Fasern zu reinigen oder zu raffinieren und das Durchmischen zu bewirken, das erfindungsgemäß erforderlich ist. Es ist weiterhin möglich, die Fasern in der gleichen Mischeinrichtung, die auch dazu verwendet wird, die Fasern zu umhüllen, zu entfilzen, so daß das gesamte Verfahren in einer einzigen Mischeinrichtung durchgeführt werden kann.

Das andere Ausgangsmaterial, das mit Hilfe einer Dosierfördereinrichtung 12 in die Mischeinrichtung 10 eindosiert wird, ist ein nichtbrennbares, feinteiliges und billiges anorganisches Material, das in Wasser unlöslich ist. Das bevorzugte anorganische Material ist Ton, da dieses Material sowohl billig ist als auch sämtliche anderen Anforderungen erfüllt und dazu geeignet ist, eine sichere Bindung mit den raffinierten oder gereinigten Cellulosefasern einzugehen. Ton ist nicht brennbar, chemisch inert, kommt natürlich in feinteiligem Zustand vor und ist in Wasser unlöslich, so daß das Material in Gegenwart von Wasser mit Cellulosefasern vermischt und ohne daß es sich löst, in der gesamten Mischung dispergiert werden kann.

Das US Department of Agriculture hat Ton als wasserhaltiges Aluminiumsilikat mit Schichtstruktur definiert, das in Form von Teilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 2 μπι vorliegt. Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Tonarten beruhen auf Spurenverunreinigungen, wie Metallen, dem Alter und dem Ausmaß der Verwitterung des Tons und der Vollständigkeit der Schichtstruktur. Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich relativ alte und verwitterte Tone, wie die Tone, die natürlich in Georgia vorkommen, wobei geeignete Tone im Handel'in leicht behandelter Form erhältlich sind, in der der Ton

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in ausreichendem Maße getrocknet und zerteilt ist, so daß er ohne weiteres gefördert und dosiert werden kann. Man kann bei der Durchführung des erfxndungsgemäßen Verfahrens auch calcinierten Ton verwenden, wenngleich dieser wesentlich teurer und aus diesem Grund nicht bevorzugt ist. Das in schwach behandeltem Ton vorhandene Hydratationswasser oder Hydratwasser ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht wesentlich, da Ton als solcher dazu geeignet ist, Cellulosefasern erfindungsgemäß zu umhüllen, unabhängig davon, ob der Ton irgendwelches Wasser in kombinierter Form enthält.

Man kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch andere anorganische Materialien verwenden. Diese Materialien müssen in Wasser unlöslich, bei den bei Gebäudebränden auftretenden Temperaturen unbrennbar sein und auch in feinteiliger Form vorliegen, wobei sie vorzugsweise in Form von Teilchen mit einer Größe von weniger als 10 μΐη eingesetzt werden. Der Preis ist ein offensichtlicher Faktor bei der Auswahl eines Materials, wobei das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise mit Materialien durchgeführt wird, die derart billig sind, daß die Fracht einen erheblichen Anteil ihrer Kosten darstellt. Die Unlöslichkeit des anorganischen Materials ist von Bedeutung, da es sich nicht lösen und mit der Bewegung des vorhandenen Wassers nicht wandern soll. Lösliche Materialien wandern an die Oberflächen, von denen das Wasser verdampft, währenddem das Endprodukt trocknet, was zur Folge hat, daß sie nicht gleichmäßig auf den Oberflächen der Fasern abgeschieden werden.

Die am besten geeigneten Materialien sind industrielle Abfallprodukte. So stellt Calciumsulfat (CaSO₄-2 H₃O) ein industrielles Abfallprodukt dar, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Die mit

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Calciumsulfat erreichten Ergebnisse sind jedoch nicht so gut wie die mit Ton erhaltenen, wenngleich man durch die Verwendung von Additiven oder durch Änderung der Bedingungen die Ergebnisse verbessern kann. Eine weitere Quelle eines geeigneten anorganischen Materials sind Kohleverbrennungsprodukte, die man unter Verwendung von Kalk unter Bildung von Calciumsulfit (CaSOo) abfangen kann. Dieses Material wurde noch nicht untersucht, erfüllt jedoch die allgemeinen Anforderungen und könnte geeignet sein.

Im folgenden sei das erfindungsgemäße Verfahren der Einfachheit halber unter Verwendung von Ton als bevorzugtes Ausgangsmaterial erläutert. Als Ton verwendet man vorzugsweise leicht behandelten Ton, der getrocknet ist und in Form eines feinteiligen Pulvers vorliegt, so daß er genau dosiert werden kann- Trockener Ton neigt zur Bildung von kleinen Agglomeraten, die jedoch kein Problem darstellen. Selbst roher, feuchter Ton kann der Mischeinrichtung 10 zugeführt werden, wenngleich sich Ton in feuchtem Zustand nur schlecht handhaben und dosieren läßt. Der Ton ist vorzugsweise ein relativ verwitterter Ton, der aktive Stellen aufweist, die seine Bindung an die raffinierten oder gereinigten Cellulosefasern erleichtern.

Die bevorzugten Mengenverhältnisse von Ton und Cellulosefasern für verschiedene Endprodukte wurden nicht vollständig ermittelt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß gleiche Gewichtsteile Cellulosefasern und Ton umhüllte Fasern ergeben, die sehr feuerbeständig sind, wenngleich es sich gezeigt hat, daß eine Tonmenge, die lediglich der Hälfte des Gewichts der Cellulosefasern entspricht, fast ebenso gute Ergebnisse liefert. Die Dichte und die angestrebte Festigkeit des Endprodukts beeinflussen die Mengenverhältnisse, in denen der Ton und die Cellulose-

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fasern verwendet werden, da eine geringere Menge des Tons dazu erforderlich ist, dichte Produkte feuerbeständig zu machen, und Ton dazu neigt, die strukturelle Festigkeit eines Endprodukts zu schwächen, das eine solche Dichte besitzt, daß es als Brett verwendet werden kann. Im allgemeinen ist die geringste Menge des Tons, die die gewünschte Feuerbeständigkeit ergibt, für das Umhüllen der Fasern bevorzugt, da eine darüber hinausgehende Tonmenge zu keiner weiteren Verbesserung führt. Die minimale wirksame Menge Ton in Bezug auf die Cellulosefasern wurde nicht genau ermittelt, liegt jedoch in der Nähe des Gewxchtsverhältnxsses von Ton zu trockenen Fasern von etwa 0,5.

Die Befeuchtung der Cellulosefasern führt auch zu einer Befeuchtung des trockenen Tons, wobei erfindungsgemäß der Gesamtfeststoffgehalt in einem Bereich von etwa 35 bis 50 Gew.-% gebracht wird. Beispielsweise erhält man eine zufriedenstellende Mischung dadurch, daß man 100 kg Cellulosefasern mit etwa 200 kg Wasser befeuchtet und dann 50 kg trockenen Ton zusetzt. In dieser Weise erhält man ein Material mit einem Feststoffgehalt von etwa 43 Gew.-%.

Die mit Wasser befeuchteten Cellulosefasern bringen eine angemessene Wassermenge in die Mischung ein, so daß sich das Wasser zwischen dem Ton und den Fasern verteilt und kein freifließendes Wasser zur Verfügung steht. Die Oberflächenspannung hält das befeuchtende Wasser auf den Fasern fest, wo es auch von dem feinteiligen Ton aufgenommen wird, dessen Teilchen dispergiert, benetzt und in der gesamten Mischung verteilt v/erden. Die Mischwirkung, die die befeuchteten Fasern und die feinteiligen Tonteilchen in innigen Kontakt bringt, führt auch zu einer Reinigung oder Raffinierung der Fasern, so daß diese sich leichter mit den Tonteilchen verbinden. Die

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Oberflächenspannung des die Fasern befeuchtenden Wassers hält auch die Tonteilchen auf den feuchten Fasern, so daß die Tonteilchen an den einzelnen Fasern anhaften und einen umhüllenden überzug auf den einzelnen Fasern bilden.

Man kann das Verhältnis von festen zu flüssigen Materialien in Abhängigkeit von den angestrebten Ergebnissen und der Wassermenge, die dazu erforderlich ist, die Teilchen eines bestimmten Tones zu benetzen, variieren. Im allgemeinen machen die festen Bestandteile 35 bis 50 Gew.-% des Gesamtgewichtes aus, wobei ein Feststoffgehalt von 40 bis 45 Gew.-% bevorzugt ist. Eine zu große Wassermenge kann zu freifließendem Wasser führen, das zur Folge hat, daß die Tonteilchen derart mobil

-] 5 sind, daß sie von überschüssigem Wasser von den Fasern abgewaschen werden und nicht in der angestrebten Weise durch die Oberflächenspannung des Wassers an der Oberfläche der feuchten Fasern anhaften. Eine zu große Wassermenge erschwert auch das Trennen und Trocknen der umhüllten Fasern in den späteren Stufen, wie noch erläutert werden wird. Eine zu geringe Wassermenge führt zu einer unzureichenden Benetzung der Tonteilchen und einer Oberflächenspannung, die nicht dazu ausreicht, das Anhaften der benetzten Tonteilchen an der feuchten Oberfläche der Fasern zu bewirken. Eine unzureichende Wassermenge verhindert auch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen, über die die Tonteilchen mit der Faseroberfläche beim Trocknen der umhüllten Fasern gebunden sind, da das Wasser den Wasserstoff liefert, der für das trockene Verbinden der Tonteilchen mit den Faseroberflächen notwendig ist.

Der Einfluß des Wassers auf die Cellulosefasern und das anorganische Material, wie den Ton, führt zu einem synergistischen Effekt. Befeuchtete Cellulosefasern mit einem Feststoffgehalt von mehr als 40 Gew.-% sind zu

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trocken, um in wirksamer Weise raffiniert bzw. gereinigt und verarbeitet zu werden, da sie zu flockig oder zu leicht sind und leicht verblasen und bewegt werden, so daß sie nicht mit Erfolg verarbeitet werden können. Wenn der Ton an dem Wasser teilnimmt, das die Fasern bei einem Gesamtfeststoffgehalt von mehr als 40 Gew.-% befeuchtet, unterstützt der Ton das Festhalten der Fasern, so daß sie sich nicht ohne weiteres bewegen können, was zur Folge hat, daß sie gut gereinigt bzw.

-JO raffiniert und innig mit dem Ton vermischt werden. Im Effekt wird das vorhandene, zur Verfügung stehende Wasser zwischen dem Ton und den Cellulosefasern verteilt, so daß das Durcharbeiten und Vermischen erfolgen kann, während Cellulosefasern, die eine gleich große Wassermenge enthalten, nicht verarbeitet werden können.

Weiterhin erleichtert die Verwendung von lediglich 50 bis 60 Gew.-% Wasser das Flockigmachen und Trocknen des Endprodukts.

^Die Anwesenheit der richtigen Wassermenge während der verschiedenen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist aus mehreren Gründen von Bedeutung und führt zu einer Reihe von Vorteilen. Die Anwesenheit einer Wassermenge, die dazu ausreicht, daß die Abfallcellulosefasern 3O bis 40 Gew.-% und vorzugsweise etwa 33 bis 37 Gew.-% des Materials ausmachen, erleichtert das Entfilzen des Abfallmaterials durch Schwächen der Zwischenfaserbindungen, was zur Folge hat, daß die Fasern unter Anwendung einer relativ geringen Energiemenge getrennt werden können, ohne daß sie im wesentlichen zu kleinen Stücken zerbrochen werden. Hierbei erhält man entfilzte und befeuchtete Fasern, die mit einer ausreichenden Wassermenge benetzt sind, so daß die befeuchteten Fasern die notwendige Wassermenge in die Mischeinrichtung einführen, in der die Fasern mit dem trockenen Ton vereinigt werden. Das auf den befeuchteten Fasern vorlie-

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gende Wasser reicht dazu aus, den Ton in der Mischeinrichtung zu benetzen, zu verteilen und zu dispergieren, da das zur Verfügung stehende Wasser sich in der oben beschriebenen Weise zwischen dem Ton und den Fasern verteilt. Die-befeuchteten Fasern und der Ton ergeben in der Mischeinrichtung die notwendige Konsistenz, so daß die Fasern raffiniert oder gereinigt werden können, wodurch ihre Verbindung mit dem Ton erleichtert wird, während die Cellulosefasern in trockenem Zustand nicht gereinigt oder raffiniert werden können. Das in der Mischeinrichtung vorhandene Wasser stellt auch den für das Binden des Tons über Wasserstoffbrückenbindungen an die ■ Fasern erforderlichen Wasserstoff zur Verfügung, wie es genauer erläutert werden wird, wobei eine ausreichende Wassermenge dafür vorhanden ist, die verteilten Tonteilchen zu benetzen und ihr Dispergieren in dem Wasser zu ermöglichen. Das Wasser ergibt ferner die Oberflächenspannung, die die Tonteilchen beim Trocknen des feuchten Produkts auf den umhüllten Fasern hält, so daß eine sichere trockene Verbindung zwischen dem Ton und den Fasern ausgebildet wird. Eine zu große Wassermenge könnte dazu führen, daß der Ton wandert oder abgewaschen wird, so daß er nicht durch Oberflächenspannung an den Fasern anhaftet unter Bildung der gewünschten trockenen Bindung.

Schließlich ergibt die in der Mischeinrichtung vorhandene bevorzugte Wassermenge umhüllte Fasern, die mit Luft flockig gemacht oder vermischt werden können, bevor sie getrocknet werden, was zu erheblichen Vorteilen führt, die weiter unten noch näher erläutert werden.

Es ist bekannt, daß es erforderlich ist, Cellulosefasern mechanisch zu reinigen oder zu raffinieren, um ihr Zusammenhaften über Wasserstoffbrückenbindungen zu bewirken. Jedoch hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß raffinierte oder gereinigte Cellulosefasern eine ähnliche Bindung mit feinteiligen Teilchen aus Ton oder

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einem anderen anorganischen Material eingehen. Ton wurde bereits bei der Papierherstellung in Form von kleinen Agglomeraten, die mit Cellulosefasern vermischt sind, ausgeflockt, um einige der Tonagglomerate bei der Bildung des Papiers durch die zu einer Fasermatte verarbeiteten Fasern einzuschließen- Hierdurch wird der Ton in dem Papierprodukt festgelegt. Jedoch wurde keine direkte Bindung der Tonteilchen mit den einzelnen Cellulosefasern angestrebt oder für möglich gehalten.

Ein Grund hierfür ist darin zu sehen, daß bei der Papierherstellung eine derart große Wassermenge in Gegenwart der Cellulosefasern vorhanden ist, daß die Hauptmenge des Tons durch die Fasern hindurchgewaschen wird, so daß keine Möglichkeit dafür besteht, die Tonteilchen direkt in Form einer Schicht bei der Naßpapierherstellung auf den Cellulosefasern abzuscheiden und festzustellen, ob sich eine Bindung ergibt.

Eine Ton-Faser-Bindung erfolgt jedoch dann, wenn der feinteilige Ton gut und innig mit den raffinierten Cellulosefasern in Gegenwart von die Fasern befeuchtendem Wasser vermischt wird. Die Tonteilchen werden fein verteilt und gleichmäßig zwischen den Fasern dispergiert und gleichmäßig in Form einer Schicht auf den Oberflächen der Cellulosefasern abgeschieden, so daß die getrennten und individuellen Fasern gleichmäßig mit den Tonteilchen umhüllt sind. Der Ton wird durch die Oberflächenspannung des vorhandenen Wassers auf den feuchten Fasern festgehalten, vjodurch der Tonüberzug während des Trocknens auf den Fasern intakt bleibt, so daß beim Trocknen der umhüllten Fasern eine sichere Bindung zwischen den Fasern und dem Ton oder dem anorganischen Material erfolgt, was zur Folge hat, daß der Ton bzw. das. anorganische Material permanent an den Fasern anhaftet. Hierdurch wird jede einzelne Faser in wirksamer Weise von einem Tonüberzug umhüllt oder eingeschlossen, der die Faser feuerbestän-

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dig oder flammfest macht.

Ein weiteres wichtiges Phänomen, das in der Mischeinrichtung 10 beim Vermischen der Cellulosefasern und des Tons auftritt, ist darin zu sehen, daß andere Verunreinigungen gleichmäßig in der Mischung verteilt werden, so daß ihre Wirkung vermindert oder eliminiert wird. Beispielsweise werden organische Materialien, wie Stärke oder Kaseinklebstoffe, und geringe Mengen von organischen Abfallmaterialien, die in Altpapier vorhanden sind, derart fein zwischen den Fasern und dem Ton verteilt und ausgebreitet, daß diese Materialien von Schädlingen, wie Nagern, nicht mehr gefressen werden können. Dies beseitigt das sonst nur schwierig zu lösende Problem der Verwendung von Celluloseabfallen für Isolationszwecke.

Die Fähigkeit der umhüllten Fasern, Feuer und Flammen zu widerstehen, insbesondere in Form eines Isoliermaterials mit geringer Dichte, kann dadurch verbessert werden, daß man einen in Wasser löslichen oder in Wasser dispergierbaren Klebstoff zu der Mischung aus dem Ton und den Fasern zusetzt. Ein bevorzugter Klebstoff ist Natriumsilikat, der die umhüllten Fasern beschichtet und das Endprodukt schwelbeständig und flammfest macht und die gesamte Feuerbeständigkeit erhöht. Natriumsilikat ist besonders dann bevorzugt, wenn das Endprodukt eine relativ geringe Dichte besitzt und kein bindendes Harz zur Erzielung der strukturellen Festigkeit erforderlich macht, da Natriumsilikat mit Bindemittelharzen unverträglich ist. Die Harze sind im allgemeinen in dichteren Bauplatten bevorzugt, die ohne die Verwendung von Natriumsilikat durch die Tonumhüllung der Fasern in ausreichendem Maße feuerbeständig sind.

Natriumsilikat ist wasserlöslich und wird zusammen mit den feuchten Fasern und dem Ton in einer Menge in die

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Mischeinrichtung eingeführt, die von der das Natriumsilikat lösenden Wassermenge abhängt. Die Gesamtmenge des Natriumsilikats beträgt etwa 10% oder etwas weniger, wobei wesentlich größere Mengen nicht verwendet werden können, da das Material derart klebrig ist, daß es dann die Handhabung der Mischung erschweren würde. Es hat sich gezeigt, daß man bei Anwendung einer Natriumsilikatmenge von etwas weniger als 10% eine wesentliche Verbesserung der Feuerbeständigkeit der umhüllten Fasern erzielt, was offenbar darauf beruht, daß die umhüllten Fasern mit einer Gassperrschicht versehen werden, die ein Glimmen oder Schwelen der Fasern verhindert., nachdem diese einer intensiven Hitze ausgesetzt worden sind. Wenn man Natriumsilikat zu der Mischung zusetzt, verwendet man zusammen mit 100 kg Cellulosefasern, die mit etwa 200 kg Wasser befeuchtet worden sind und die mit 50 kg trockenem Ton versetzt worden sind, etwa 15 kg Natriumsilikat, das man in 24 kg Wasser gelöst hat, so daß sich ein Gesamtfeststoffgehalt von etwa 42 Gew.-% ergibt.

Die als Produktmaterial· der Mischeinrichtung 10 erhaltenen umhüllten Fasern sind feucht, als Folge der Oberflächenspannung des vorhandenen Wassers klebrig und neigen dazu, sich zu Klumpen zusammenzuballen, die für Isolierzwecke nicht geeignet sind. Zur überführung der tonumhüllten Fasern in nützliche Produkte werden diese vor dem Trocknen vorzugsweise flockig gemacht oder mit Luft vermischt und voneinander getrennt, was vorzugsweise mechanisch mit Hilfe einer Einrichtung erfolgt, die die umhüllten Fasern in turbulenter Luft durch Rupfen, Zupfen oder Schlagen voneinander trennt und sie lose voneinander trennt. Das Flockigmachen wird vorzugsweise ebenfalls kontinuierlich und schnell unter minimaler mechanischer Bewegung durchgeführt, um eine Ablösung des Tons von den Fasern zu

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verhindern. Das Produkt darf nicht zu feucht sein, da es sonst nicht flockig gemacht werden kann, wobei für die Flockenbildung ein Feuchtigkeitsgehalt von etwa 50 bis 60 Gew.-% Wasser bevorzugt ist. Wenn das Produkt vor dem Trennen der'Fasern zu stark austrocknet, neigen die Fasern dazu, sich miteinander zu verbinden, was zur Folge hat, daß die für das Flockigmachen erforderliche mechanische Bewegung so stark sein muß, daß die Fasern brechen, daß Staub gebildet wird, daß der ^Ton abgelöst wird und daß die Wirksamkeit des Endprodukts beeinträchtigt wird. Somit wird das Produkt der Mischeinrichtung vorzugsweise direkt in die Vorrichtung zum Flockigmachen des Materials eingeführt, indem die Fasern schnell getrennt und mit Luft durchmischt werden, worauf sie in Form einer endlosen elastischen Watte aus tonumhüllten Cellulosefasern abgeschieden werden, so daß die Fasern nach der Bildung der Watte ohne weiteres mit Luft getrocknet werden können. Eine aus tonumhüllten Fasern gebildete Watte oder Matte wirkt als Filter, äas irgendwelchen Faserstaub oder Tonteilchen einfängt, wodurch das Verarbeitungsverfahren saubergehalten wird. Die Dichte der Faserwatte oder -matte kann dadurch gesteuert werden, daß man die Menge der Fasertrennung oder der Hohlräume steuert, vorzugsweise durch Einstellen des bei der Bildung der Watte verwendeten Luftdrucks.

Eine bevorzugte Flockenbildungseinrichtung oder Auflockerungsvorrichtung 15 ist in der Fig. 2 dargestellt und umfaßt eine schnellbewegte mechanische Kante, mit der zusammengeballte Klumpen aus tonumhüllten Fasern aufgetrennt werden. Eine pneumatische Mischeinrichtung, die die Wirkung der Flockenbildungseinrichtung 15 verbessert, ist in der gleichzeitig eingereichten üS-Patentanmeldung Serial No. mit dem Titel Pneumatic Mixer for Damp Cellulose Fibers beschrieben. Als Ergeb-

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nis bewirkt diese Vorrichtung eine schnelle und kontinuierliche Trennung der Faserklumpen durch pneumatische Scherwirkung und Aufwirbeln der getrennten und feuchten Fasern mit Hilfe von turbulenter Luft.

Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt die Auflockerungsvorrichtung 15 einen Hochgeschwindigkeitsrotor 16, der mit dem Motor 17 angetrieben wird und der eine kleine Ansammlung von tonumhüllten Fasern durch Schlageinwirkung trennt. Der Rotor 16 weist vorzugsweise einen relativ dünnen Rand auf, so daß keine flachen Bereiche oder vorstehende Oberflächen vorliegen, an denen sich die Fasern anlagern und anhaften können. Erfolgreiche Hochgeschwindigkeitseinrichtungen zur mechanischen Auflockerung von feuchten Fasern, die mit Ton umhüllt sind, müssen stromlinienförmig gestaltet sein, so daß die Fasern sich in der Einrichtung nicht ansammeln und diese verstopfen können, über das Gebläse 18 wird ein Luftstrom zugeführt, der die umhüllten Fasern durch die Auflockerungsvorrichtung 15 führt, wobei die konische Gestaltung des Gehäuses 19 der Auflockerungsvorrichtung 15 als Klassiereinrichtung dient, mit der schwerere Faseransammlungen zurückgehalten und abgetrennt werden, während die einzelnen Fasern mit dem Luftstrom aus der Einrichtung ausgetragen werden. Über das Drehventil 20 werden umhüllte Fasern in den über das Gebläse 18 zugeführten Luftstrom eingebracht und in die Auflockerungsvorrichtung 15 überführt.

Die getrennten Fasern werden kontinuierlich auf einem endlosen Drahtband 21 abgeschieden, wo sie kontinuierlich zu einer elastischen Faserwatte 25 geformt werden. Da die Luft ohne weiteres durch die Watte 25 hindurchdringt , kann diese in bequemer Weise mit Hilfe von warmer Luft getrocknet werden, die über den Blastrockner 26 zugeführt wird. Dabei wird das Gebläse 18 Vorzugs-

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weise mit der Luft versorgt, die zuvor durch die Watte 25 geführt worden ist, wie es über den in der Fig. 2 dargestellten Pfeil dargestellt ist, der zu dem Gebläse 18 führt. Die elastische Watte 25 besitzt eine erhebliehe Filterwirkung und neigt dazu, irgendwelchen Faserstaub oder Tonstaub, die sonst ein unerwünschtes Nebenprodukt darstellen würden, einzufangen und zurückzuhalten.

Der Luftdruckμnterschied, der für die Abscheidung der umhüllten Fasern in Form einer Watte oder Matte bei der kontinuierlichen Bildung der Watte oder Matte verwendet wird, ist vorzugsweise steuerbar, um die Dichte der Watte oder der Matte in Abhängigkeit von ihrem angestrebten Verwendungszweck einzustellen. Eine hohe Luftströmungsgeschwindigkeit durch die kontinuierlich gebildete Watte führt dazu, diese dünner und dichter zu machen als das Watteprodukt, daß man bei einer geringeren Luftströmungsgeschwindigkeit erhält. Nachdem die Watte oder die Matte die gewünschte Dichte aufweist, wird das Material ohne weiteres mit warmer Luft getrocknet. Durch die Auflockerung werden die Fasern getrennt, so daß ihre umhüllten Oberflächen gut mit Luft in Kontakt kommen, so daß sie gleichmäßig getrocknet werden können, was zur Folge hat, daß sich die Fasern in der Watte an den Kontaktpunkten miteinander verbinden, so daß man ein elastisches, dreidimensionales Produkt erhält.

Nachdem die umhüllten Fasern getrocknet sind, ist die Bindung zwischen dem Ton oder dem anderen anorganischen Material und den Cellulosefasern ziemlich sicher oder fest. Das Endprodukt besitzt das Aussehen und den Griff von Glaswolle und stellt eine elastische und formbeständige Faserwatte oder -matte dar, die nach dem Eindrücken wieder ihre ursprüngliche Gestalt annimmt= Das

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Material neigt auch nicht dazu, sich abzusetzen, wie es bei Isoliermaterialien aus trocken zerrissenen oder zerschnittenen Cellulosefasern der Fall ist. Die losen, unregelmäßig übereinander angeordneten Fasern der elastischen Watte verbinden sich an ihren Schnittpunkten, so daß die Watte oder Matte nicht leicht zerteilt wird und ihre Form elastisch beibehält.

Standarduntersuchungsmethoden, denen die erfindungsgemäßen tonumhüllten Cellulosefasern von der Firma U.S.Testing Company, Inc. unterworfen wurden, haben gezeigt, daß sie im wesentlichen feuerbeständig sind und die Feuerbeständigkeitsanforderungen für Isoliermaterialien erfüllen. Sie sind als Isoliermaterial gut geeignet, werden von Ratten nicht angenagt und zersetzen sich nicht, wie Celluloseisolierungen, die mit Borax und Borsäure behandelt worden sind. Das erfindungsgemäß erhaltene Endprodukt besitzt weitere Vorteile als Isoliermaterial, wie die Kostengünstigkeit seiner Herstellung, seine Fähigkeit,aus beliebigen Abfallcellulosefasern hergestellt zu werden, die Vermeidung gefährlicher Stäube bei der Herstellung, die Fähigkeit des Materials, ohne sich abzusetzen formstabil zu bleiben und seine Feuerbeständigkeitseigenschaften unbegrenzt beizubehalten und die Tatsache, daß geringe Mengen von organischen Verunreinigungen derart fein und gleichmäßig in dem Material verteilt werden, daß Schädlinge, wie Nagetiere, von diesen Materialien nicht angezogen werden.

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ZUSAMMENFASSUNG

Es wird ein Verfahren beschrieben, gemäß dem entfilzte und ungebrochene Abfallcellulosefasern einzeln mit einem nichtbrennbaren, feinteiligen und billigen anorganischen Material, das in Wasser unlöslich ist, umhüllt werden. Vorzugsweise wird zum Umhüllen der Fasern Ton verwendet, die mit einer ausreichenden Menge Wasser befeuchtet sind, um die Zwischenfaserbindungen zu schwächen, die ohne Brechen der Fasern gelöst werden, worauf die entfilzten Fasern innig mit feinteiligem Ton vermischt werden, der in dem die Fasern befeuchtenden Wasser dispergiert ist. Die Oberflächenspannung des Wassers hält den Ton auf den befeuchteten Fasern, wobei beim Trocknen der umhüllten Fasern der Ton über Wasserstoffbrückenbindungen fest mit den Fasern verbunden wird, so daß diese feuerbeständig werden. Vorzugsweise beschichtet man die umhüllten Fasern während des Mischvorganges mit Natriumsilikat, um ihre Feuerbeständigkext in Produkten mit geringer Dichte zu verbessern. Die umhüllten Fasern werden vor dem Trocknen vorzugsweise mit Luft vermischt und können zu einer elastischen Watte oder Matte unterschiedlicher Dichte verformt werden, die als Isoliermaterial verwendet werden kann.

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Claims (13)

29161Ul SCHL.= -,r Case: US 898 835 tM/th Media General Ine., Richmond, Virginia / USA Verfahren zum Umhüllen von Abfallcellulosefasern und die dabei erhaltenen Fasern. PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum individuellen Umhüllen von Abfallcellulosefasern mit einem feinteiligen und billigen, wasserunlöslichen anorganischen Material unter Verwendung einer Mischeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß man

a>' die Abfallcellulosefasern mit ausreichend Wasser befeuchtet, um die Zwischenfaser-

bindungen zu schwächen, die die Abfallcellulosefasern miteinander verfilzen; b) die Fasern durch Lösen der Zwischenfaser-

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bindungen ohne wesentliches Brechen der Fasern entfilzt;

c) das anorganische Material kontinuierlich mit den entfilzten und ungebrochenen Fasern in Gegenwart von ausreichend Wasser in der Mischeinrichtung vermischt, um 1. das anorganische Material zu verteilen und in dem die Fasern befeuchtenden Wasser zu dispergieren; und

2. die Fasern zu reinigen und das anorganische

Material zwischen den Fasern zu verteilen;

3. wobei die Oberflächenspannung des die Fasern befeuchtenden Wassers das anorganische Material auf den Fasern hält, so daß das anorganische Material nicht von über

schüssigem Wasser von den Fasern abgewaschen werden kann; und

4. wobei das Wasser den Wasserstoff stellt, über den das anorganische Material sicher an die Fasern gebunden wird, so daß die

Fasern mit dem anorganischen Material umhüllt werden, wenn die Fasern trocknen; und

d) die umhüllten Fasern mit Luft in Kontakt bringt, um einen Teil des Wassers abzutrocknen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß man als anorganisches Material Ton verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß man die Fasern und das anorganische Material in der Mischeinrichtung mit einem Klebstoff vermischt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß man die Fasern und das anorganische Material in dem Mischer mit Natriumsilikat vermischt.

5. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß man die umhüllten Fasern vor der Trocknungsstufe mit Luft durchmischt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e kennz eichnet, daß man die umhüllten Fasern vor der Trocknungsstufe zu einer elastischen Watte verformt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als anorganisches Material Ton verwendet.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e -

kennzeichnet, daß man die Fasern und das anorganische Material in der Mischeinrichtung mit einem Klebstoff vermischt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e -

kennzeichnet, daß man die Fasern und das anorganische Material in der Mischeinrichtung mit Natriumsilikat vermischt.

10. Im wesentlichen ungebrochene Abfallcellulosefasern, die einzeln mit einem nichtbrennbaren, feinteiligen und billigen anorganischen Material umhüllt sind, das in Wasser unlöslich ist und über Wasserstoffbrückenbindungen sicher mit den Fasern verbunden ist.

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11. Umhüllte Fasern nach Anspruch 1O₇ dadurch gekennzeichnet, daß sie zu einer elastischen Watte verfilzt sind, in der die Fasern an den Faserkontaktpunkten miteinander verbunden sind.

12. Umhüllte Fasern nach Anspruch 10, dadurch gekennz eichnet, daß sie mit Ton als anorganischem Material umhüllt sind.

13. Umhüllte Fasern nach Anspruch 10, dadurch gekennz eichnet, daß sie mit Natriumsilikat beschichtet sind.

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