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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bereitstellung eines
polymermodifizierter Faserzement-Verbundwerkstoffs durch das Bilden
einer wäßrigen Zusammensetzung,
welches das Vermischen von einem Emulsionspolymer mit einer Glasübergangstemperatur
(Tg) von 50°C
bis 150°C,
Zement, Zellulosefasern, Siliziumdioxid-haltigem Material und Wasser
umfaßt,
das Bilden einer Verbundwerkstoffvorstufe durch Entfernen von mindestens
etwas von dem Wasser und das Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers. Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein
Verfahren zur Bereitstellung eines polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffs
durch das Bilden einer wäßrigen Zusammensetzung,
welches das Vermischen von Zement, Zellulosefasern, Siliziumdioxid-haltigem
Material und Wasser umfaßt,
das Bilden einer Verbundwerkstoffvorstufe durch Entfernen von mindestens
etwas von dem Wasser, das Inkontaktbringen der Verbundwerkstoffvorstufe
mit einem Emulsionspolymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von –25°C bis 150°C und das
Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers.
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Die
vorliegende Erfindung dient zur Bereitstellung eines verbesserten
Verfahrens zum Bilden eines polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffs,
der eine verbesserte Leistung aufweist, mindestens in bezug auf:
Wasserbeständigkeit,
Gefrier-Tau-Dauerhaftigkeit, chemische Beständigkeit, Stoßfestigkeit,
Abriebbeständigkeit,
Biegefestigkeit, Zugfestigkeit, %-Bruchdehnung, Formbeständigkeit,
Spaltbindefestigkeit und Faser-an-Matrix-Bindefestigkeit in bezug
auf einen entsprechenden Verbundwerkstoff ohne das Polymer. Ferner
kann durch eine Polymermodifikation ein Verbundwerkstoff mit verringertem
Fasergehalt erhalten werden, was von Vorteil ist, da Fasern normalerweise
teurer als Zement sind, wodurch die gleiche Leistung wie die eines
unmodifizierten Verbundwerkstoffs erzielt wird. Durch eine Polymer modifikation
kann ebenso die gleiche Leistung von einer dünneren und leichteren Faserzementplatte
erhalten werden, was den Transport, die Handhabung und den Einbau
erleichtert.
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Die
PCT-Patentanmeldung WO 2000/71336 offenbart einen Holzfaserzement-Verbundwerkstoff,
gebildet durch Vorbehandeln der Holzfasern mit einer wäßrigen Chemikalie
wie einer Acrylemulsion oder einem Alkylalkoxysilan vor dem Kombinieren
mit Zement.
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Das
Problem, vor dem die Erfinder standen, war die Bereitstellung eines
verbesserten Verfahrens zum Bilden eines polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffs
ohne die Notwendigkeit, zunächst
ein polymermodifiziertes Faserzwischenprodukt zu bilden; es wurde
insbesondere ein Verfahren gewünscht,
das zum Bewirkendes Härtens/Trocknens
des Verbundwerkstoffs in einem Autoklaven für eine gesteigerte Produktivität geeignet
ist. Die Erfinder stellten fest, daß ein Verfahren, welches das
direkte Vermischen aller vier Inhaltsstoffe, das Bilden einer Verbundwerkstoffvorstufe
davon sowie den Einschluß des
Schritts des Härten/Trocknens
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Emulsionspolymers umfaßt, vorteilhaft nützliche
Verbundwerkstoffe bereitstellte. Die Erfinder stellten ebenso fest,
daß ein
Verfahren, umfassend das Bilden einer wäßrigen Zusammensetzung, welches
das Vermischen von Zement, Zellulosefasern, Siliziumdioxid-haltigem
Material und Wasser umfaßt,
das Bilden einer Verbundwerkstoffvorstufe durch Entfernen von mindestens
etwas von dem Wasser, das Inkontaktbringen der Verbundwerkstoffvorstufe
mit einem Emulsionspolymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von –25°C bis 150°C, und das
Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers vorteilhaft nützliche Verbundwerkstoffe bereitstellte.
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In
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Bereitstellung einer polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffs
bereitgestellt, umfassend: das Bilden einer wäßrigen Zusammensetzung, welches
das Vermischen von einem Emulsionspolymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg)
von 50°C
bis 150°C,
Zement, Zellulosefasern, Siliziumdioxid-haltigem Material und Wasser
umfaßt,
das Bilden einer Verbundwerkstoffvorstufe durch Entfernen von mindestens
etwas von dem Wasser und das Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers.
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In
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Bereitstellung eines polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffs
bereitgestellt, umfassend: das Bilden einer wäßrigen Zusammensetzung, welches
das Vermischen von Zement, Zellulosefasern, Siliziumdioxid-haltigem
Material und Wasser umfaßt,
das Bilden einer Verbundwerkstoffvorstufe durch Entfernen von mindestens
etwas von dem Wasser, das Inkontaktbringen der Verbundwerkstoffvorstufe
mit einem Emulsionspolymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von –25°C bis 150°C und das
Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers.
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bereitstellung eines
polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffs, umfassend das
Bilden einer wäßrigen Zusammensetzung
durch das Vermischen von einem Emulsionspolymer mit einer Glasübergangstemperatur
(Tg) von –25°C bis 150°C, Zement,
Zellulosefasern, Siliziumdioxid-haltigem Material und Wasser. Unter „polymermodifiziertem
Faserzement-Verbundwerkstoff" ist
hierin eine gehärtete/getrocknete
Zusammensetzung gemeint, welche mindestens ein Polymer, mindestens
eine Art von Fasermaterial, Siliziumdioxid-haltigem Material und
Zement enthält,
ohne Rücksicht
auf ihre Wechselwirkung, Reaktion oder räumliche Disposition darin.
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Die
wäßrige Zusammensetzung
umfaßt
ein Emulsionspolymer, welches mindestens ein copolymerisiertes ethylenisch
ungesättigtes
nichtionisches Monomer enthält.
Unter „nichtionischem
Monomer" ist hierin ein
Monomer gemeint, welches im pH-Bereich von 1 bis 14 elektroneutral
ist. Die ethylenisch ungesättigten nichtionischen
Monomere umfassen beispielsweise (Meth)acrylestermonomere, umfassend
Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Butyl(meth)acrylat, Isodecyl(meth)acrylat,
Lauryl(meth)acrylat, Hydroxyethyl(meth)acrylat und Hydroxypropyl(meth)acrylat;
(Meth)acrylamid, (Meth)acrylnitril; Styrol und substituierte Styrole;
Butadien; Vinyl acetat, Vinylbutyrat und andere Vinylester; und Vinylmonomere
wie Vinylchlorid, Vinylidenchlorid. Bevorzugt sind alle Acryl- und
Styrol/Acrylpolymere. Bevorzugt ist ein vorrangig wäßriges Acrylemulsionspolymer.
Unter „vorrangig
Acryl-" ist hierin
gemeint, daß das
Polymer mehr als 50 Gew.-% copolymerisierte Einheiten enthält, abgeleitet
von (Meth)acrylmonomeren wie beispielsweise (Meth)acrylatester, (Meth)acrylamide,
(Meth)acrylnitril und (Meth)acrylsäure. Die Verwendung des Begriffs „(Meth)", gefolgt von einem
anderen Begriff wie beispielsweise Acrylat oder Acrylamid, wie in
der gesamten Offenbarung verwendet, bezieht sich sowohl auf Acrylate
oder Acrylamide als auch Methacrylate bzw. Methacrylamide.
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Das
Emulsionspolymer kann ebenso von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bezogen
auf das Gesamtmonomergewicht, eines copolymerisierten monoethylenisch
ungesättigten
Säuremonomers,
bezogen auf das Gewicht des Polymers, wie beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Itaconsäure, Fumarsäure, Maleinsäure, Monomethylitaconat,
Monomethylfumarat, Monobutylfumarat, Maleinsäureanhydrid, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, Vinylsulfonsäure, Styrolsulfonsäure, 1-Allyloxy-2-hydroxypropansulfonsäure, Alkylallylsulfobernsteinsäure, Sulfoethyl(meth)acrylat,
Phosphoalkyl(meth)acrylate wie Phosphoethyl(meth)acrylat, Phosphopropyl(meth)acrylat
und Phosphobutyl(meth)acrylat, Phosphoalkylcrotonate, Phosphoalkylmaleate,
Phosphoalkylfumarate, Phosphodialkyl(meth)acrylate, Phosphodialkylcrotonate
und Allylphosphat, enthalten.
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Das
in dieser Erfindung verwendete Emulsionspolymer kann von 0 Gew.-%
bis 1 Gew.-%; bezogen auf das Monomergewicht, copolymerisierte mehrfach
ethylenisch ungesättigte
Monomere wie beispielsweise Allylmethacrylat, Diallylphthalat, 1,4-Butylenglykoldimethacrylat,
1,2-Ethylenglykoldimethacrylat, 1,6-Hexandioldiacrylat und Divinylbenzol
enthalten.
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Außerdem kann
die Emulsionspolymerzusammensetzung so ausgewählt werden, daß sie in
dem Härtungs-/Trocknungsschritt
reagiert, etwa eine Vernetzung aufgrund von Ca++ oder
Ca(OH)2 eingeht oder eine solche Reaktion
eingeht, wie sie durch die Härtungswärme oder
durch Pfropfen an andere Komponenten in der Zusammensetzung bewirkt
werden kann.
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Die
Glasübergangstemperatur
(hierin „Tg") des Emulsionspolymers
beträgt
50°C bis
150°C, gegebenenfalls
50°C bis
125°C; die
Monomere und Mengen der Monomere, die so ausgewählt sind, daß der erwünschte Polymer-Tg-Bereich
erreicht wird, sind in der Technik allgemein bekannt. Hierin verwendete „Tg" sind jene, die unter
Verwendung der Fox-Gleichung berechnet wurden (T.G. Fox, Bull. Am.
Physics Soc., Bd. 1, Ausgabe 3, Seite 123 (1956)). Das heißt, zur
Berechnung der Tg eines Copolymers von Monomeren M1 und M2 ist 1/Tg(berechnet) = w(M1)/Tg(M1) + w(M2)/Tg(M2),worin
Tg(berechnet)
die Glasübergangstemperatur,
berechnet für
das Copolymer ist,
w(M1) die Gewichtsfraktion von Monomer M1
in dem Copolymer ist,
w(M2) die Gewichtsfraktion von Monomer
M2 in dem Copolymer ist,
Tg(M1) die Glasübergangstemperatur des Homopolymers
von M1 ist,
Tg(M2) die Glasübergangstemperatur
des Homopolymers von M2 ist,
wobei alle Temperaturen °K sind.
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Die
Glasübergangstemperaturen
von Homopolymeren können
beispielsweise in „Polymer
Handbook", hrsg.
von J. Brandrup und E.H. Immergut, Interscience Publishers, gefunden
werden. Es ist in der Technik anerkannt, daß die Verwendung der beschriebenen
beständigen
oder flüchtigen
Weichmacher, beispielsweise als Weichmacher, Koaleszenzmittel und
Filmbildungshilfsmittel, die effektive Tg des Polymers modifizieren.
Im Fall, daß solche
Materialien in der wäßrigen Zusammensetzung
dieser Erfindung enthalten sind, soll die Tg des Emulsionspolymers
für die
Zwecke dieser Erfindung die effektive Tg des Polymers sein, wie
sie durch Messen der Mindestfilmbildungstemperatur der wäßrigen Zusammensetzung
ohne Zement, das Siliziumdioxid-haltige Material und den Zement
mit und ohne den/die zugegebenen beständigen oder flüchtigen
Weichmacher und anschließendes
Korrigieren der berechneten Fox-Tg in diesem Maß bestimmt werden kann.
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Die
Polymerisationsverfahren, die zur Herstellung von wäßrigen Emulsionspolymeren
verwendet werden, sind in der Technik allgemein bekannt. In dem
Emulsionspolymerisatiönsverfahren
können
konventionelle oberflächenaktive
Mittel beispielsweise als anionische und/oder nichtionische Emulgatoren
wie beispielsweise Alkalimetall- oder Ammoniumsalze von Alkyl-,
Aryl- oder Alkylarylsulfaten, -sulfonaten oder -phosphaten; Alkylsulfonsäuren; Sulfobernsteinsäuresalze;
Fettsäuren;
ethylenisch ungesättigte
oberflächenaktive
Monomere und ethoxylierte Alkohole oder Phenole verwendet werden.
Nichtionische Emulgatoren sind bevorzugt, wenn eine Stabilität in der
Beimischung mit Zement erwünscht
ist, obwohl anionische oder gemischte anionische/nichtionische oberflächenaktive
Mittel bei der Polymerisation, gegebenenfalls mit anschließend zugegebenem
nichtionischem oberflächenaktivem
Mittel, verwendet werden können.
Die Menge an verwendetem oberflächenaktivem
Mittel beträgt üblicherweise
0,1 Gew.-% bis 6 Gew.-%, bezogen auf das Monomergewicht. Es kann
entweder ein Wärme-
oder Redoxinitiationsverfahren verwendet werden. Die Reaktionstemperatur wird über den
gesamten Verlauf der Reaktion bei einer Temperatur unterhalb 120°C gehalten.
Bevorzugt ist eine Reaktionstemperatur zwischen 30°C und 95°C, stärker bevorzugt
zwischen 50°C
und 90°C.
Das Monomergemisch kann rein oder als Emulsion in Wasser zugegeben
werden. Das Monomergemisch kann in einer oder mehreren Zugaben oder
kontinuierlich, linear oder nicht, über den Reaktionszeitraum,
oder als Kombinationen davon zugegeben werden.
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Radikalinitiatoren
(Oxidationsmittel), die in einer Menge von 0,01 bis 1,0 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtmonomergewicht, verwendet werden können, umfassen
beispielsweise Wasserstoffperoxid, Natriumperoxid, Kaliumperoxid,
t-Butylhydroperoxid, Cumenhydroperoxid, Ammonium- und/oder Alkalimetallpersulfate, Natriumperborat,
Perphosphorsäure
und Salze davon, Kaliumpermanganat und Ammonium- oder Alkalimetallsalze von Peroxydischwefelsäure und
t-Alkylhydroperoxid, t-Alkylperoxid oder t-Alkylperester, wobei
die t-Alkylgruppe mindestens 5 Kohlenstoffatome umfaßt. Es können Redoxsysteme
unter Verwendung des/der gleichen Initiators/Initiatoren, kombiniert
mit einem geeigneten Reduktionsmittel, wie beispielsweise Natriumsulfoxylatformaldehyd,
Ascorbinsäure,
Isoascorbinsäure,
Alkalimetall- und Ammoniumsalze von Schwefel-enthaltenden Säuren, wie
Natriumsulfit, -bisulfit, -thio sulfat, -hydrosulfit, -sulfid, -hydrosulfid
oder -dithionit, Formadinsulfinsäure,
Hydroxymethansulfonsäure,
Natrium-2-hydroxy-2-sulfinatoessigsäure, Acetonbisulfit, Amine,
wie Ethanolamin, Glykolsäure,
Glyoxylsäurehydrat,
Milchsäure,
Glycerinsäure, Äpfelsäure, Weinsäure und
Salze der vorhergehenden Säuren,
verwendet werden. Redoxreaktions-Katalysatormetallsalze von Eisen,
Kupfer, Mangan, Silber, Platin, Vanadium, Nickel, Chrom, Palladium
oder Cobalt können
verwendet werden. Das/die Oxidationsmittel und gegebenenfalls Reduktionsmittel
können
beispielsweise zusammen oder getrennt, in einer oder mehreren Füllmengen
oder schrittweise, gleichgültig
ob gleichmäßig oder
nicht, oder je nach Bedarf in Kombinationen davon oder Variationen
davon zugegeben werden; sie können
rein, in Lösung
oder in einem geeigneten Medium emulgiert zugegeben werden.
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Kettenüberträger wie
beispielsweise Halogenverbindungen wie Tetrabrommethan; Allylverbindungen; oder
Mercaptane wie Alkylthioglykolate, Alkylmercaptoalkanoate und lineare
oder verzweigte C4-C22-Alkylmercaptane
können
zum Senken des Molekulargewichts des gebildeten Polymers und/oder
zur Bereitstellung einer anderen Molekulargewichtsverteilung, als
sonst mit irgendeinem/irgendwelchen Radikalbildnerinitiator(en) erhalten
worden wäre,
verwendet werden. Lineare oder verzweigte C4-C22-Alkylmercaptane wie n-Dodecylmercaptan
und t-Dodecylmercaptan sind bevorzugt. (Ein) Kettenüberträger kann/können in
einer oder mehreren Zugaben oder kontinuierlich, linear oder nicht, über den
Großteil
oder den gesamten Reaktionszeitraum oder über (einen) begrenzte(n) Teil(e)
des Reaktionszeitraums wie beispielsweise beider Kesselfüllung und
der Reduktion der Restmonomerstufe zugegeben werden.
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Es
wird erwogen, daß das
Emulsionspolymer in zwei oder mehr Stufen gebildet wird, wobei die
Stufen sich beispielsweise hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder
des Molekulargewichts-unterscheiden.
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Der
mittlere Teilchendurchmesser der emulsionspolymerisierten Polymerteilchen
beträgt
vorzugsweise 30 Nanometer bis 500 Nanometer, gemessen mittels eines
BI-90-Teilchengrößenmessers.
Es werden auch Vielzweckemulsionspolymere erwogen, in denen mindestens
zwei unterschiedliche Teilchengrößen enthalten sind.
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Das
Emulsionspolymer liegt in dem polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoff
in einer Menge von 0,1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-%,
bezogen auf das Trockengewicht des Polymers und des Verbundwerkstoffs,
vor.
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In
einer Ausführungsform
kann ein Zement-instabiles Emulsionspolymer verwendet werden. Ein
Latex wird als „Zement-stabil" angesehen, wenn
er beim Mischen mit Zement weder ausflockt noch eine Verkürzung der
Gebrauchsdauer oder Verarbeitbarkeitszeit eines Mörtels verursacht.
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Ein
stabiler Latex mit einer typischen Teilchengröße von 50 bis 500 Nanometern
könnte
bei der Bildung durch die Siebe einer Faserzement-bildenden Maschine
Faserstoff- und Naßfaserzementmatrix
durchgehen, so daß ein
großer
Teil des Polymers in dem überschüssigen Prozeßwasser
weggespült
wird. In einem solchen Fall wäre
die Polymerfeststoffmenge in der Endfolie geringer als beabsichtigt.
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Es
kann verursacht werden, daß ein
Zement-instabiler Latex in einer Faserzementnaßmischung an irgendeiner Stelle
in dem Materialstrom, der zu der Bildungsmaschine führt, erwartungsgemäß ausflockt.
Diese Flocken können
in Form von Clustern von primären
Teilchen, beispielsweise mit einer Größe von 100 bis 10.000 Nanometer,
vorliegen. Oder das ausgeflockte Polymer kann auf irgendeine der
anderen Feststoffkomponenten in der Mischung ausgefällt werden.
In jedem dieser Fälle
wird das ausgeflockte Polymer vollständiger nach Entfernen des überschüssigen Prozeßwassers
in der Feststoffmischung zurückgehalten
werden.
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Bekannte
Prinzipien der Emulsionspolymerwissenschaft können zum Regeln der Größe und Verteilung
von ausgeflockten Clustern verwendet werden. Diese umfassen: die
Verteilung des gesamten überschüssigen Prozeßwassers
auf die verschiedenen Zugabestellen, die Reihenfolge der Materialzugabe,
den Einschluß von
Zusatzstoffen in das Emulsionspolymer zur Beschleunigung oder Verlangsamung
der Ausflockung, die Mischgeschwindigkeit sowie die Art des als
Modifikationsmittel ausgewählten
Polymerlatex.
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„Zement", wie hierin zum
Bilden der wäßrigen Zusammensetzung
verwendet, umfaßt
wasserbindende Substanzen, die sich in Gegenwart von Wasser verfestigen
und härten,
wie Portland-Zement, Zemente auf Silicatbasis, Zemente auf Aluminatbasis,
Puzzolanzemente und Verbundwerkstoffzemente. Der Zement liegt gewöhnlich in
einer Menge von 20 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-%,
bezogen auf das Trockengewicht des Verbundwerkstoffs, vor.
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„Zellulosefasern", hierin zum Bilden
der wäßrigen Zusammensetzung
verwendet, umfassen Naturfasern wie Holzfasern, umfassend Holzmasse,
Laubholzzellstoff, Nadelholzzellstoff, Kraftzellstoff, gebleicht
oder ungebleicht, umfassend recycelte Fasern auf Holzbasis und Zellulosefasern,
die nicht aus Holz sind, und modifizierte Fasern wie Viskose und
Kunstseide. Der Zellstoff kann durch konventionelle Verfahren vor
oder während
der Bildung der wäßrigen Zusammensetzung
mittels in der Papierindustrie bekannter Verfahren wie unter Verwendung
eines mechanischen Stampfers vorteilhaft im wesentlichen in einzelne
Fasern getrennt werden. Die Zellulosefasern werden vorzugsweise
auf ein Maß von
zwischen 250 bis 500 CSF-Einheiten
(Kanadischer Standardmahlgrad) verfeinert. Die einzelnen Fasern
weisen gewöhnlich
eine Länge
von 0,1 bis 30 mm auf. Die Zellulosefasern liegen gewöhnlich in
einer Menge von 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-%,
bezogen auf das Trockengewicht des Verbundwerkstoffs, vor.
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„Siliziumdioxid-haltiges
Material", wie hierin
zum Bilden der wäßrigen Zusammensetzung
verwendet, umfaßt
Sand, gemahlenen Sand, Siliziumdioxid und Feinquarz. Das Siliziumdioxid-haltige
Material liegt gewöhnlich
in einer Menge von 25 bis 65 Gew.-%, vorzugsweise 35 bis 55 Gew.-%,
bezogen auf das Trockengewicht des Verbundwerkstoffs, vor.
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Die
wäßrige Zusammensetzung
kann je nach Bedarf andere Inhaltsstoffe wie beispielsweise andere Natur-
oder Kunstfasern als Zellulosefasern wie beispielsweise Mineralwolle,
Polyesterfasern, Polyvinylalkoholfasern und Polyolefinfasern; Füllstoffe,
Pigmente, Flugasche, Keramikmikrokugeln, Aggregat, Antischaummittel,
Emulgatoren, Vernetzungsmittel, Koaleszenzmittel, Neutralisationsmittel,
Verdickungsmittel oder Rheologiemodifikationsmittel, Feuchthaltemittel,
Verzögerungsmittel,
Benet zungsmittel, Biozide, Weichmacher, Färbemittel, Wachse und Antioxidationsmittel
umfassen.
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Die
wäßrige Zusammensetzung
wird mittels Verfahren hergestellt, die in der Faserzementtechnik
allgemein bekannt sind. Die Inhaltsstoffe werden so zusammengemischt,
wie es für
eine effiziente Dispersion ohne Vorbehandlung oder Abgleichen irgendwelcher
Inhaltsstoffe miteinander geeignet ist.
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Der
Feststoffgehalt der wäßrigen Beschichtungszusammensetzung
kann etwa 2 Gew.-% bis etwa 85 Gew.-% betragen. Zur Verwendung in
Anlagen, die gewöhnlich
zum Bilden von Faserzementsubstraten verwendet werden, wie in dem
Hatschek-Verfahren und Modifikationen davon, ist ein Feststoffgehalt
von 2 bis 10 Gew.-% bevorzugt.
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In
dem Verfahren dieser Erfindung wird mindestens etwas von dem Wasser
der wäßrigen Zusammensetzung,
wobei das Wasser zumindest als das Trägermedium des Emulsionspolymers
und weiteres Wasser bereitgestellt worden ist, entfernt, um eine
Verbundwerkstoffvorstufe bereitzustellen. Typischerweise wird das meiste
Wasser durch mechanische Mittel, wie durch Filtrierung durch ein
Sieb, gegebenenfalls unterstützt
von Vakuumbehältern,
entfernt.
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Dann
wird die Verbundwerkstoffvorstufe bei einer Temperatur gehärtet/getrocknet,
die mindestens 10°C
höher als
die Tg des Polymers ist. Unter „Härten/Trocknen" oder „gehärtet/getrocknet" ist hierin gemeint, daß die Verbundwerkstoffvorstufe
Extrawasser oder andere flüchtige
Inhaltsstoffe verlieren und Eigenschaften durch physikalische oder
chemische Verfahren entwickeln darf, wie beispielsweise Zement,
der durch Hydratisierung und gegebenenfalls durch Ionen- oder kovalente
Vernetzung härtet.
Das Härten/Trocknen
kann durch Erwärmen
mit oder ohne Feuchtigkeitskontrolle oder Autoklavierungsverfahren
wie Halten in einer Dampfatmosphäre,
beispielsweise bei einer Temperatur von 120°C bis 200°C für eine Dauer wie beispielsweise
15 Minuten bis 12 Stunden, beschleunigt werden. Es wird beabsichtigt,
daß das
Härten/Trocknen
in gewissem Maß auch
nach einer solchen Erwärmung
oder einem solchen Autoklavierungsverfahren andauern kann.
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In
dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Bereitstellung eines polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffes
durch das Bilden eine wäßrigen Zusammensetzung,
umfassend das Vermischen von Zement, Zellulosefasern, Siliziumdioxid-haltigem
Material und Wasser; das Bilden einer Verbundwerkstoffvorstufe durch
Entfernen von mindestens etwas von dem Wasser; das Inkontaktbringen
der Verbundwerkstoffvorstufe mit einem Emulsionspolymer mit einer
Glasübergangstemperatur
(Tg) von –25°C bis 150°C und das
Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers bereitgestellt. In dieser Ausführungsform
liegen alle Ausdrücke
und die Beschreibung wie hierin zuvor dargestellt vor, mit der Ausnahme,
daß das
Emulsionspolymer eher auf eine Verbundwerkstoffvorstufe aufgebracht
wird, als in der wäßrigen Zusammensetzung
bereitgestellt wird, aus der die Verbundwerkstoffvorstufe gebildet
wird. Bei einem Verfahren vom Hatschek-Typ kann beispielsweise das Emulsionspolymer
auf die Verbundwerkstoffvorstufe auf dem Draht, zwischen einige
oder alle der einzelnen Schichten, aus denen die Verbundwerkstoffvorstufe
aufgebaut sein kann, oder auf die endgültige Verbundwerkstoffvorstufenoberfläche oder
Kombinationen davon aufgebracht werden.
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Ebenso
beabsichtigt werden Verfahren, worin die Verfahren von beiden Aspekten
der Erfindung praktiziert werden, das heißt, dasselbe oder unterschiedliches
Emulsionspolymer wird sowohl in der wäßrigen Zusammensetzung genutzt
als auch auf die Verbundwerkstoffvorstufe aufgebracht.
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Der
polymermodifizierter Faserzement-Verbundwerkstoff dieser Erfindung
kann in verschiedenen Architekturanwendungen, wie beispielsweise
Bedachung, Verkleidung, Deckenpapier und Lehnbretter, verwendet
werden.
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Die
folgenden Beispiele werden dargestellt, um die Erfindung und die
Ergebnisse, die durch die Testverfahren erhalten wurden, darzulegen.
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Beispiel 1. Bildung von
polymermodifiziertem Faserzement
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Eine
Mischung aus 200 Teilen Sand/100 Teilen Zement/30 Teilen Zellulosefasern/10
Teilen Emulsionspolymer (Feststoffbasis)/44 Teilen Wasser wurde
hergestellt, zu Biegestäben
geformt [5 Inch (12,7 cm) × 0,75 Inch
(1,91 cm) × 0,5
Inch (1,27 cm)], 1 Woche bei 25°C/55
% relativer Feuchte („RT") gehärtet und
wurde anschließend
in einem Autoklaven gehärtet
(170°C/7
Stunden). Nichtionisches Emulsionspolymer 1 wies eine Tg (Fox) =
5°C auf;
anionisches Emulsionspolymer 2, das mit 4 % TRITON
TM X-405
(Feststoffgehalt auf Polymerfeststoffen) formuliert wurde, um seine
adäquate
Zementstabilität
zu erhalten, wies eine Tg (Fox) = 87°C auf. Eine Menge des Antischaummittels,
das wirksam war, um dieselbe Dichte wie für die Polymer-freie Probe bereitzustellen,
wurde mit Polymeren 1 und 2 verwendet. Die Biegefestigkeit („flex") wurde gemessen:
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Die
Biegefestigkeit des polymermodifizierten Faserzements dieser Erfindung,
die das Polymer 1 einschließt,
gehärtet
bei jeder Temperatur (d. h. 20°C
oder 165°C über seiner
Tg); ist besser als die des Polymer-freien Vergleichs. Die Biegefestigkeit
des polymermodifizierten Faserzements dieser Erfindung, die das Polymer
2 einschließt,
gehärtet
bei 170°C
(d. h., 83°C über seiner
Tg) ist besser als die des Polymerfreien Vergleichs und ist besser
als das Vergleichsbeispiel, das das Polymer 2 einschließt, gehärtet bei
25°C (d.
h., 62°C unter
seiner Tg).
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Beispiel 2. Herstellung
von polymermodifiziertem Faserzement
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Eine
5gew.-%ige feste Naßmischformulierung
zur Verwendung auf einer Formungsmaschine (Hatschek) wurde hergestellt.
Teile (außer
für Wasser)
beziehen sich auf das Trockengewicht; Emulsionspolymer wurde mit
einem Feststoffgehalt von 45 Gew.-% hergestellt. Additive als Flockungsmittel
und Antischaummittel in wirksamen Mengen können zugegeben werden.
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Beispiel
2a. Zellulosefasern, Wasser und Emulsionspolymer wurden vereinigt.
Unter Mischen wurden Siliziumdioxid und Zement zugegeben. Das Gemisch
wurde filtriert durch ein Formersieb, gegebenenfalls unter Saugen,
um überschüssiges Prozeßwasser
zu entfernen. Die nicht-gehärtete
Verbundwerkstoffvorstufe kann außerdem gepreßt werden,
dann unter Umgebungsbedingungen oder erhöhter T und relativer Feuchte oder
in einem Autoklaven gehärtet
werden.
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Beispiel
2b. Ein festes (pulverförmiges
oder granuläres)
Polymer, das nicht wieder in Wasser dispergierbar ist, wurde in
die nicht-modifizierte Mischung bei 1 bis 10 Gew.-% bezogen auf
die gesamten Feststoffe eingeführt,
und dies wurde dann verarbeitet und wie in Beispiel 2a gehärtet.
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Beispiel
2c. Das Polymer aus einer Polymeremulsion oder Polymerlösung oder
einer Polymerschmelze kann auf dem Siliziumdioxid oder optionalen
Füllstoffen
adsorbiert, dann getrocknet werden. Diese Füllstoffe werden in die nicht-modifizierte
Mischung wie in Beispiel 2a eingeführt.
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Der
gehärtete
Faserzement wurde hinsichtlich der Wasserbeständigkeit, Gefrier-Tau-Beständigkeit, chemischen
Beständigkeit,
Stoß-
und Abriebbeständigkeit
sowie Biege- und Zugfestigkeit, %-Bruchdehnung, Formbeständigkeit
und interlaminärer
Bindung und Faser-an-Matrix-Bindung getestet. Polymermodifizierte Verbundstoffe
weisen erwartungsgemäß bessere
Leistung in mindestens einem dieser Tests auf, wenn das Emulsionspolymer
eine Glasübergangstemperatur
(Tg) von –25°C bis 150°C aufweist
und Härten/Trocknen der
Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur als der Tg
des Polymers stattfindet.
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Beispiel 3 Bildung eines
polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffes mit kontrollierter
Flockung von Emulsionspolymer
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Ein
Zement-instabiles Emulsionspolymer (4,4 kg, 2,0 kg Feststoffe) wurde
in 200 kg Wasser verdünnt, das
verwendet wurde, um 15 kg Zellulose aufzuschlämmen. Dieses Gemisch mit 7,5
Gew.-% Faser und 1,0 Gew.-% Polymer in Wasser wurde mittels des üblichen
Verfahrens verarbeitet. Zusätzliches
Prozeßwasser, 1000
kg, wurde zugegeben und die verdünnte
Mischung zu dem Mischer geführt.
Siliziumdioxidfeinpulver, 45 kg, wurde zugegeben, dann 40 kg Zement.
Zum Zeitpunkt der Zementzugabe oder kurz danach flockte das Emulsionspolymer
aus und mindestens einige Cluster schieden sich auf den anderen
festen Komponenten ab. Der Rest des Prozeßwassers (696 kg) wurde zugegeben,
wodurch 2000 kg einer 5gew.-%igen festen Naßmischung mit 2 Gew.-% Polymer
bezogen auf die Feststoffe und ein verringerter Gehalt an primären Polymerteilchen
erhalten wurden. Diese Naßmischung
kann auf irgendeiner Faserzementmaschine geformt werden. Mindestens
ein Teil des Wassers wurde auf der Maschine unter Bildung einer
Verbundwerkstoffvorstufe entfernt, die dann gehärtet/getrocknet wurde.
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Der
gehärtete
Faserzement wurde hinsichtlich der Wasserbeständigkeit, Gefrier-Tau-Beständigkeit, chemischen
Beständigkeit,
Stoß-
und Abriebbeständigkeit
sowie Biege- und Zugfestigkeit, %-Bruchdehnung, Formbeständigkeit
und interlaminärer
Bindung und Faser-an-Matrix-Bindung getestet. Polymermodifizierte Prüfkörper weisen
erwartungsgemäß bessere
Leistung in mindestens einem dieser Tests auf, wenn das Emulsionspolymer
eine Glasübergangstemperatur
(Tg) von –25°C bis 150°C aufweist
und Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers stattfindet.
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Beispiel 4. Bildung eines
polymermodifizierten Faserzement-Verbundwerkstoffs durch Zugeben
von Polymer auf der Formungsmaschine (Hatschek-Verfahren)
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Beispiel
4a. Wenn eine gebildete Verbundwerkstoffvorstufenschicht über die
Oberseite einer Hatschek-Maschine geführt wird, wird ein Emulsionspolymer
durch Sprühen
oder ein anderes bekanntes Mittel aufgebracht. Bezogen auf das Gewicht/m2 frischer Schicht wird Latex bei einer Rate
aufgebracht, um das gewünschte
Niveau an Modifikation zu erhalten, in dem Bereich von 0,1 bis 15
% Polymerfeststoffe, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt.
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Es
gibt mehrere Verfahren, um zu kontrollieren, ob ein Polymer tief
in eine Schicht eindringt, oder mehr konzentriert nahe der Grenze
der folgenden Schichten verbleibt.
- i) Auftragung,
bevor die Vakuumentwässerungsboxen
das Emulsionspolymer tiefer in die Schicht ziehen. Auftragung an
der Bildungswalze wird die Polymereindringung darauf einschränken, wie
weit es diffundieren kann.
- ii) Maschinenparameter, wie höhere Vakuumfestigkeit oder
langsamere Laufgeschwindigkeit, können verwendet werden, um größere Eindringung
des Polymers in eine Schicht zu ermöglichen.
- iii) Ein Zement-instabiles Emulsionspolymer oder Emulsionspolymer
mit höherer
Viskosität
wird weniger eindringen als ein Latex mit stabiler oder niedriger
Viskosität.
Es wird angemerkt werden, daß dieses
Verfahren die Verwendung eines Emulsionspolymers erlaubt, das als
ein nicht-geeigneter Zementmodifikator in traditionellen zementartigen
Mischungen betrachtet wird.
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Beispiel
4b. Das Polymer kann wünschenswerterweise
durch die gesamte Dicke einer Schicht nicht einheitlich sein, und
die Auftragung auf der Maschine kann dies erreichen. Beispielsweise
ist die erste Schicht gegen die Formungstrommel die Oberfläche, die
schließlich
exponiert wird, wenn die fertige Faserzementschicht aufgebracht
wird. Um ein polymeres Aussehen (beispielsweise Glanz) zu vermeiden,
wird das Polymer aus dieser Schicht durch Abschalten des Latexsprühers während des
ersten Laufs der Formungstrommel beseitigt. Oder das Polymer kann
nur in der unteren Hälfte
der Dicke der Schicht gewünscht
sein [wie in US-Patent Nr. 6,311,448 gelehrt], daher wird ein Latexsprüher nur
für die
ersten 4 Durchläufe
einer 8-Lagen-Schicht angeschaltet.
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Beispiel
4c. Ein Emulsionspolymer mit Tg = 70°C wird auf die Schicht auf einer
Formungswalze aufgetragen. Vorausgesetzt, daß die Anlagentemperatur und
Maschinenoberflächen
ausreichend unter 70°C
bleiben, würde
jeder verschüttete
oder übersprühte Latex
nicht klebrig werden und daher nach dem Trocknen leicht zu entfernen
sein. Aber das Polymer, das in die Schicht eingeführt wird,
wird effektiv den Verbundwerkstoff modifizieren, wenn die Schicht
in einem Autoklaven bei einer Temperatur von mehr als 80°C gehärtet wird.
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In
den Beispielen 4a und 4b wird die gebildete Verbundwerkstoffvorstufe
gehärtet
und getrocknet. Der gehärtete
Faserzement wird hinsichtlich der Wasserbeständigkeit, Gefrier-Tau-Beständigkeit,
chemischen Beständigkeit,
Stoß-
und Abriebbeständigkeit
sowie Biege- und Zugfestigkeit, %-Bruchdehnung, Formbeständigkeit
und interlaminärer
Bindung und Faser-an-Matrix-Bindung getestet. Polymermodifizierte
Prüfkörper weisen erwartungsgemäß bessere
Leistung in mindestens einem dieser Tests auf, wenn das Emulsionspolymer
eine Glasübergangstemperatur
(Tg) von –25°C bis 150°C aufweist
und Härten/Trocknen
der Verbundwerkstoffvorstufe bei einer mindestens 10°C höheren Temperatur
als der Tg des Polymers stattfindet.
