DE3912615A1 - Verstaerkungs- und/oder prozessfasern auf basis von pflanzenfasern, verfahren zu ihrer herstellung und ihre verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verstärkungs-und/oder Prozeßfa­ sern auf Basis von Pflanzenfasern, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung.

Es ist bekannt, daß Formteilen häufig Asbestfasern bei­ gemischt werden. In der letzten Zeit hat sich aber heraus­ gestellt, daß Asbest vom gesundheitlichen Standpunkt keineswegs unbedenklich ist. Trotz dieses Nachteils kommen diese Fasern nach wie vor in großem Umfang zur Anwendung, weil sie auf vielen Anwendungsgebieten große Vorteile besitzen und echte Alternativen am Markt zur Zeit nicht vorhanden sind.

Das gleiche gilt für Glasfasern. Auch Kunstfasern sind nicht unbedenklich, da bei höheren Temperaturen Zersetzungs­ reaktionen unter Bildung von toxischen Dämpfen stattfinden können.

Auch auf der Basis von Pflanzenfasern wurde bereits ver­ sucht, ein Ersatzmaterial für Asbest zu finden. So be­ schreibt DE-OS 30 08 204 ein Verfahren zur Herstellung einer Armierungsfaser, bei dem Pflanzenfasern zunächst be­ züglich der Kapillaren geöffnet werden und die so be­ handelten Pflanzenfasern dann mit einer Aufschlämmung von Kalk und Wasser und nach einer Zwischentrocknung mit einer Formaldehyd enthaltenden Wasserglaslösung imprägniert werden. Diese Behandlungsschritte können auch in umge­ kehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Auch dieses Ver­ fahren hat jedoch nicht zu dem gewünschten Erfolg ge­ führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Ver­ stärkungs- und Prozeßfasern zur Verfügung zu stellen, die die vorteilhaften Eigenschaften der Asbestfaser besitzen, ohne deren gesundheitsschädlichen Nachteile aufzuweisen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Verstärkungs- und Prozeß­ fasern auf Basis von Pflanzenfasern, die durch das nach­ stehende Verfahren erhältlich sind.

Das Verfahren zur Herstellung dieser Verstärkungs- und Prozeßfasern ist dadurch gekennzeichnet, daß man von Holzbestandteilen befreite Pflanzenfasern mit einer wäßrigen Lösung mindestens einer Metallverbindung, ausge­ wählt unter Metalloxiden, -hydroxiden, -carbonaten, -sulfaten, -thiosulfaten, -sulfiten, -silikaten oder -phosphaten behandelt, wäscht und anschließend mit einem anorgani­ schen oder organischen Bindemittel behandelt oder die nicht ge­ waschenen Fasern mit einer Mineralsäure neutralisiert, oder daß man nicht-vorbehandelte Pflanzenfasern bei 250 bis 350°C unter kontrollierter Luftzufuhr behandelt, so daß eine Verkohlung der Fasern erfolgt.

Die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Armierungs- und Prozeßfasern geeigneten Pflanzenfasern sind insbe­ sondere Bastfasern, wie die Stengelfasern von Flachs, Hanf, Jute, Nesselpflanzen, die Blattfasern der Agaven sowie die Samenhaare beispielsweise der Baumwolle und die Fasern der Fruchtschale von Kokos.

Die Pflanzenfasern in geschnittener oder ungeschnittener Form müssen zuerst von Holzbestandteilen befreit werden. Dies erfolgt anhand bekannter und üblicher Verfahren, beispielsweise durch Rösten und Entholzen von Grünflachs. Anschließend erfolgt die Behandlung mit der wäßrigen Lösung einer Metallverbindung. Diese Lösung enthält insbe­ sondere 1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 30 Gew.% der Metallverbindung, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung. Vorzugsweise erfolgt die Behandlung bei 50 bis 100°C.

Falls erforderlich, werden die Fasern dann mit Wasser ge­ waschen und gegebenenfalls getrocknet und mit dem Binde­ mittel behandelt oder sie werden mit einer Mineralsäure, insbesondere Salzsäure, Phosphorsäure oder Schwefelsäure, neutralisiert, gegebenenfalls getrocknet und mit dem Bindemittel behandelt.

Bevorzugte Metallverbindungen sind Alkali- oder Erdalkali­ oxide, -hydroxide, -carbonate, -thiosulfate oder -sulfate sowie basische Eisen-, Titan-, Antimon- oder Aluminium­ salze. Besonders bevorzugt sind Alkali- oder Erdalkali­ hydroxide, Alkalimetasilikate und Alkalithiosulfate, z.B. Natrium- oder Kaliumhydroxid, Natriumetasilikat und Natriumthiosulfat.

Als Bindemittel verwendet man insbesondere Zement, Gips, Silikate, Alkali- oder Erdalkalisalze von Mineralsäuren, Bitumen, Asphalt, natürliche und synthetische Elastomere, Polyurethane, Phenolharze, Resole, Melaminharze, Epoxy­ harze oder deren Gemische.

Die Anwendung dieser Bindemittel kann in wäßrigem oder organischem Medium (Lösungsmittel) erfolgen. Die Binde­ mittelmenge beträgt vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf den Faseranteil.

Die Fasern werden mit einer wäßrigen oder organischen Lösung oder Suspension des Bindemittels imprägniert, indem sie beispielsweise in die Lösung oder Suspension getaucht oder damit besprüht werden. Die Imprägnierung erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperatur, anschließend wird getrocknet.

Anstelle der in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Fasern kann man auch die bei der Flachsbearbeitung anfallen­ den Faserkomponenten direkt mit dem Bindemittel behandeln.

Je nach Anwendungszweck der erfindungsgemäßen Fasern kann man noch zusätzliche Behandlungsstufen vorsehen. Wenn beispielsweise eine helle Faser gewünscht ist, kann man nach der Vorbehandlung der Fasern einen Bleichvorgang ein­ schieben. Zu diesem Zweck werden die Fasern in üblicher Weise bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur mit einer Peroxid- oder Hypochloritlösung oder mit Chlor­ wasser behandelt und anschließend mit Wasser gespült.

Falls ein tribologischer Effekt gewünscht ist, kann man ihnen ein Feststoffschmiermittel zusetzen. Geeignete Feststoffschmiermittel sind beispielsweise Molybdändi­ sulfid, Graphit, Zinksulfit, Tricalciumphosphat, Titanoxid und dergleichen.

Falls eine zusätzliche flammhemmende Ausrüstung gewünscht ist, kann man ihnen eine flammhemmende Verbindung zusetzen, wie ein Antimonoxid, Eisensulfat, Alaun, Wismutoxid, Harn­ stoffphosphat oder Chlorparaffin.

Als Konservierungsmittel kann ihnen auch ein Bakterizid, wie ein Schwermetallsalz oder eine Chlorphenolverbindung zugesetzt werden.

Wie oben bereits erwähnt, können in einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens Pflanzenfasern, die die organischen Bestandteile (Holzbestandteile, Zuckerstoffe, Pektine) noch enthalten, pyrolysiert werden. Sie werden dabei einer Temperatur von 250 bis 350°C unter kontrollierter Luftzufuhr unterworfen. Dabei verbrennen die Pflanzen nicht, sondern sie verkohlen. Beispielsweise werden die Fasern unter kräftiger Durchmischung in einem von außen beheizten Röhrenofen erhitzt. Dabei werden die gebildeten Gase abgesaugt und der Luftzutritt so geregelt, daß keine Ver­ brennung und eine Druckerniedrigung von etwa 0,1 bis 0,05 Bar erfolgt. Die Erhitzungszeit wird so gewählt, daß der Car­ bonisierungsgrad etwa 20 bis 80%, insbesondere 20 bis 60%, beträgt. Überraschenderweise erhält man auf diese Weise ohne eine Vor­ behandlung eine Faser, die auf bestimmten Anwendungsgebieten umweltschädliche Fasern ersetzen kann.

Die durch Pyrolyse erhaltene Faser ist relativ brüchig und kann sehr leicht zerkleinert werden, so daß die Faser als Mikrofaser vorliegt. Dies kann anhand der spezifischen Oberfläche (nach Blaine-Dyckerhoff) und der Dichte ge­ zeigt werden:

Gewünschtenfalls können die durch Pyrolyse erhaltenen Fasern noch imprägniert werden, indem man sie in eine Lösung aus einem Harz, synthetischen oder natürlichen Gummi oder Elastomer taucht oder mit dieser Lösung besprüht. Diese Imprägnierung dient dazu, die Benetzung und Verarbeitung der Faser zu erleichtern.

Im folgenden werden Anwendungsgebiete für die erfindungs­ gemäßen Fasern erläutert:

In der Zementfaserindustrie sind die erfindungsgemäßen "mineralisierten" Fasern für die Herstellung von beispiels­ weise Zementplatten und Zementformteilen brauchbar. Für diesen Zweck werden die Fasern wie oben beschrieben be­ handelt, auf eine Länge von beispielsweise 4 bis 8 mm zugeschnitten und mit einer Metallverbindung wie oben be­ schrieben behandelt. Die Einarbeitung der Fasern in den Zement erfolgt auf übliche Weise, beispielsweise durch Zumischen zum Zement oder zu der angemachten Betonmischung.

Auf gleiche Weise können Gipsplatten und Gipsformteile hergestellt werden. Die Anwendung mineralisierter Pflanzen­ fasern ist hier nicht zwingend, weil die Mineralisierung bei der Anwendung der Pflanzenfasern im Gipsbrei erfolgen kann. Die Länge der Fasern richtet sich nach der gewünschten mechanischen Festigkeit der Gipsteile.

Für die Herstellung von Gips für medizinische Zwecke werden die Fasern zusätzlich, wie oben beschrieben, gebleicht, was gleichzeitig eine Entkeimung bewirkt.

Für die Herstellung von Verputz- und Spachtelmassen auf Basis von Gips und Leim oder wasserlöslichen Harzen setzt man die vorbehandelten Fasern zusammen mit einem üblichen Konservierungsmittel ein. Auch in diesem Fall ist die ge­ wünschte Festigkeit maßgebend für die Länge der zur Anwendung kommenden Fasern.

Die erfindungsgemäßen Fasern sind auch zur Herstellung von Schalldämmstoffen, wie Maschinenverkleidungen und Massen für den Unterbodenschutz von Fahrzeugen und zur Verwendung in Dichtmassen, Dachbahnen und Straßenbelägen geeignet. Zu diesem Zweck werden sie beispielsweise mit Bitumen-Gummi­ mehl, Asphalt und Epoxyharzen vermischt. Die Länge der Fasern richtet sich nach der Auftragungsmethode. Bei aufzu­ sprühenden Überzügen sollte die Länge der Fasern 10 mm nicht überschreiten, wohingegen die Länge der Fasern bei aufgespachtelten Überzügen 20 bis 50 mm betragen kann.

Die erfindungsgemäßen Fasern sind besonders geeignet, als Zusatz zu Phenoplasten oder als Füllstoffe für Kunst­ stoff-Formteile.

Die durch Pyrolyse erhältlichen feinen Fasern sind be­ sonders vorteilhaft für Reibbeläge, wie Kupplungs- und Bremsbeläge, die aus einem Agglomerat mehrerer Komponenten bestehen und unter Anwendung von Druck und Temperatur verpreßt werden. Die erfindungsgemäßen Fasern dienen dabei dazu, eine optimale Verteilung und homogene Mischung der zahlreichen Einzelbestandteile, die eine sehr unter­ schiedliche Dichte aufweisen können, zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäßen Fasern können auch in Form von Garnen oder Geweben in Phenoplasten oder thermoplastischen Kunststoffen verwendet werden, welche zu Gleit- und Ver­ schleißteilen und gepreßten Maschinenteilen, wie Brems­ bändern, Kupplungen und Reibbelägen, verarbeitet werden. Sie verleihen den Formteilen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, wie Zug-, Reiß- und Biegefestigkeit.

In der Papier- und Pappeindustrie kommen gebleichte oder ungebleichte erfindungsgemäße Fasern zur Anwendung. Für diesen Zweck werden sie vorzugsweise mit einer Harzlösung (Leimung), die aus Harz, Seifen, Wasserglas und Casein besteht, imprägniert. In gleicher Weise lassen sich die erfindungsgemäßen Fasern auch bei der Herstellung von Filz verwenden.

BEISPIELE Beispiel 1

Grünflachsfasern wurden durch Rösten und Entholzen von Holz­ bestandteilen befreit. 100 kg der von Holzbestandteilen befreiten Fasern wurden in einer 5 %igen wäßrigen Natrium­ hydroxidlösung 30 Minuten bei 60°C gerührt. Die Fasern werden isoliert und durch Besprühen mit 10%iger Phosphor­ säure neutralisiert.

Beispiel 2

Man wiederholt das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren, wobei man jedoch nach der Behandlung der Fasern mit Natron­ lauge die Fasern isoliert, mit Wasser wäscht und anschließend mit Zementbrühe besprüht.

Beispiel 3

100 kg geschnittene Grünflachsfasern werden bei 280 bis 300°C in einem Ofen unter kräftiger Durchmischung erhitzt. Die gebildeten Gase werden abgesaugt und durch Frischluft derart ersetzt, daß keine Verbrennung erfolgt. Das Erhitzen wird so lange durchgeführt, bis der gewünschte Carbonisie­ rungsgrad, z.B. 80% beträgt.

Claims (13)

1. Verstärkungs- und/oder Prozeßfasern auf Basis von Pflanzenfasern, dadurch erhältlich, daß man von Holzbestandteilen befreite Pflanzenfasern mit einer wäßrigen Lösung mindestens einer Metallverbindung, ausgewählt unter Metalloxiden, -hydroxiden, -carbonaten, -sulfaten, -thiosulfaten, -sulfiten, -silikaten oder -phosphaten behandelt, anschließend wäscht und mit einem anorganischen oder organischen Bindemittel behandelt oder die nicht­ gewaschenen Fasern mit einer Mineralsäure neutralisiert, oder daß man nicht-vorbehandelte Pflanzenfasern bei 250 bis 350°C unter kontrollierter Luftzufuhr behandelt, so daß eine Verkohlung der Fasern erfolgt.

2. Fasern nach Anspruch 1, dadurch erhältlich, daß man Flachs-, Jute-, Nessel-, Hanf-, Baumwolle- oder Sisalfasern verwendet.

3. Fasern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch er­ hältlich, daß man als Metallverbindung Alkali- oder Erdalkalioxide, -hydroxide, -carbonate, -thiosulfate oder -sulfate sowie basische Eisen-, Titan-, Antimon- oder Aluminiumsalze verwendet.

4. Fasern nach Anspruch 3, dadurch erhältlich, daß man als Metallverbindung Natrium- oder Kalium­ hydroxid, Natriummetasilikat oder Natriumthiosulfat verwendet.

5. Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch erhältlich, daß man die Pflanzen­ fasern mit einer 1- bis 30gew.%igen, vorzugsweise 10- bis 30gew.%igen, wäßrigen Lösung der Metallver­ bindung behandelt.

6. Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch erhältlich, daß man die Pflanzenfasern mit der wäßrigen Lösung der Metall­ verbindung bei 50 bis 100°C behandelt.

7. Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch erhältlich, daß man als Bindemittel Zement, Gips, Silikate, Bitumen, Asphalt, natürliche oder synthetische Elastomere, Polyurethane, Phenol­ harze, Resole, Melaminharze, Epoxyharze oder Gemische davon verwendet.

8. Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch erhältlich, daß man 5 bis 20 Gew.-% Bindemittel, bezogen auf den Faseranteil, verwendet.

9. Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch erhältlich, daß man die von Holzbestandteilen befreiten Pflanzenfasern vor der Behandlung mit der wäßrigen Lösung der Metallverbindung durch Behandlung mit Peroxiden, Hypochlorit oder Chlorwasser bleicht.

10. Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mit einem Mittel zur Flammfestausrüstung, einem Feststoffschmier­ mittel und/oder einem Konservierungsmittel ausgerüstet sind.

11. Fasern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die durch Pyrolyse erhaltenen Fasern mit einem Harz, natürlichem oder synthetischem Gummi oder einem Elastomer imprägniert.

12. Verfahren zur Herstellung der Verstärkungs- und Prozeß­ fasern der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß man von Holzbestandteilen befreite Pflanzenfasern mit einer wäßrigen Lösung mindestens einer Metallverbindung, ausgewählt unter Metalloxiden, -hydroxiden, -carbonaten, -sulfaten, -thiosulfaten, -sulfiten, -silikaten oder -phosphaten behandelt, anschließend wäscht und mit einem anorganischen oder organischen Bindemittel behandelt oder die nicht­ gewaschenen Fasern mit einer Mineralsäure neutralisiert, oder daß man nicht-vorbehandelte Pflanzenfasern bei 250 bis 350°C unter kontrollierter Luftzufuhr behandelt, so daß eine Verkohlung der Fasern erfolgt.

13. Verwendung der Verstärkungs- und Prozeßfasern nach Anspruch 12 für die Herstellung von Zementformteilen, Gipsformteilen, Schalldämmstoffen, Reibbelägen,sowie in Dichtmassen, Dachbahnen und Straßenbelägen.