DE69328350T2

DE69328350T2 - Hartplatte und herstellungsverfahren aus zurückgewonnenem papier

Info

Publication number: DE69328350T2
Application number: DE69328350T
Authority: DE
Inventors: E. Anderson; Molly Degezelle; Robert Degezelle; Carl Gruber; J. Reibel; Paul Torgusen
Original assignee: Phenix Biocomposites LLC
Current assignee: Phenix Biocomposites LLC
Priority date: 1992-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2013-08-12
Also published as: EP0613420A1; FI941669A; CA2121031A1; TW275653B; EP0613420B1; ATE191682T1; AU4806293A; WO1994004360A1; FI941669A0; DE69328350D1; EP0613420A4; JPH07501501A; JP3499555B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Abfallprodukte aus recyceltem Papier und insbesondere einen Formkörper, der aus einer oder mehreren relativ trockenen, gefärbten Chargen eines Beimischungsbestandteils geformt ist. Jeder Chargenbestandteil schließt ein aus Sojabohnen gewonnenes Klebebindemittel, ein separates Färbemittel und andere Additive ein. Es werden vorbestimmte Konzentrationen der Chargenbestandteile vereinigt und unter Druck in Gegenwart von Mikrowellen-, Hochfrequenz- oder thermischer Energie ausgehärtet.
Mit wachsenden Sorgen und Zwängen, alternative Verwendungen von Abfallmaterialien zu finden, waren zahlreiche Bestrebungen darauf ausgerichtet, Umwandlungsverfahren zum Gewinnen von brauchbaren Produkten aus recycelten Zeitungspapier- und anderen Papiermaterialien zu entwickeln. Der Großteil dieser Bestrebungen war darauf ausgerichtet, Bauisoliermaterialien in zerkleinerter Form und in einer geformten Schichtform herzustellen. Solche schichtförmigen Güter können recyceltes Papier oder relativ dichtere oder dickere Materialien umfassen, wie Füllbretter von Bauqualität oder ein Lianabrett. Diese Verfahren können die Zugabe verschiedener Klebemittel und Additive, Formungs- und Aushärtungsschritte einschließen.
Verfahren, die auf die Herstellung von Isoliermaterialien ausgerichtet sind, können gefunden werden in den US-Patenten der Nrn. 4,184,311 und 4,300,322. Das erstere Patent offenbart ein geformtes Isolierprodukt, das an eine äußere Umhüllung laminiert ist. Das letztere offenbart eine trockene zerkleinerte Mischung, die in eine Schlagumhüllung eingeleitet wird, und welche Umhüllung auf eine herkömmliche Weise befestigt werden kann. Es gibt auch Sprühverfahren, in denen zerkleinerte Zeitungspapierteilchen mit Wasser vermischt und in Bauzwischenräume gesprüht werden, wo das Material aushärtet, nachdem überschüssiges Material abgetragen wird. Die australische Anmeldung der Serien-Nr. 36603/84, mit dem Titel "Verbessertes Isolierprodukt", offenbart ebenfalls eine geformte Zeitungspapierisolierung. Das Material wird in der Hauptsache an Luft ausgehärtet, obwohl auch auf ein Aushärten mit Mikrowellen verwiesen wird.
Das US-Patent Nr. 4,148,952 offenbart ein Verfahren zum teilweisen Zerkleinern und Verfestigen von Abfallpapier zur Erleichterung des Transports. Die US-Patente der Nrn. 4,111,730 und 5,011,741 offenbaren ansonsten Verfahren, in denen ein Bindemittel, das aus einer gekochten Stärke und Harnstofformaldehydharz gewonnen wird, zu Aufschlämmungen gegeben wird, die unter Druck geformt und ausgehärtet werden, um nichtgefärbte Hartplatten zu bilden. Das erstere kann auch als ein Baumaterial verwendet werden.
Die US-Patente der Nrn. 4,994,148 und 5,064,504 offenbaren auch Verfahren zum Erstellen von geformten Baublöcken aus einer Zeitungspapieraufschlämmung, die gebildet wird in einer Gitterwand-Formkammer. Es ist auch ein Gips- oder Zementbindemittel offenbart. Das Aushärten der Blöcke wird durch Lufttrocknen bewirkt.
Im "Handbook of Adhesives", Van Nostrand Rheinhold (1962), sind für einen breiten Bereich an Laminatklebeanwendungen zahlreiche Klebemittelzubereitungen offenbart, die aus Sojabohnen gewonnene Klebemittel einschließen.
Nach dem Stand der Technik hergestellte fertige Materialien haben, insofern sie nicht extra mit einem dekorativen Abschlußlaminat laminiert wurden, auf einheitliche Weise unerwünschte mattgraue oder stumpfgraue Farben ohne irgendein ausgeprägtes oder ästhetisch ansprechendes Muster aufgezeigt.
Unbekannt nach dem Stand der Technik ist ein Verfahren, das nichtkomprimiertes Abfallpapier zur Ausbildung von dekorativen strukturstabilen Baumaterialien mit einem Natursteinaussehen verwendet, und wobei diese Materialien als schichtförmige Güter oder in einer Vielzahl von Gestaltungsformen geformt oder extrudiert werden können. Massen mit einem Natursteinaussehen, die spezifische Farbmuster der Masse und/oder ästhetisch ansprechende Oberflächentexturen erfordern, sind insbesondere für eine Verwendung als abschließende Oberflächenbehandlungen, wie für Böden, Wände, Decken und Möbel, unbekannt.
Das Fehlen solcher Baumaterialien begründet sich auf einer Vielzahl von Faktoren, einschließlich: (1) Das Zerkleinern und Aufschließen von Abfallpapier reduziert die Länge der Cellulosefasern und beeinflußt dadurch die Reiß- und Scherfestigkeit des fertigen Materials; (2) der derzeitige Mangel an Mitteln zur wiederholten Herstellung einer ästhetisch ansprechenden Textur und Färbung des fertigen Materials; (3) kostenintensives Entfärben und Bleichen der Fasermasse, was die Wettbewerbsfähigkeit des Materials verringert; und (4) das potentielle Vorkommen von unbekannten und unerwünschten Verunreinigungen in der Rohabfallpapiermasse kann auf negative Weise die Oberflächenerscheinung und strukturelle Integrität des hergestellten Materials beeinflussen.
Es wurde ansonsten herausgefunden, daß unregelmäßig gemusterte und mehrfarbige Materialien wie die mineralischen Aggregate und zum Beispiel Granit nicht leicht in modernen Verbundstoffen oder Laminaten dupliziert oder repliziert werden können. Diese Schwierigkeiten wurden durch eine Würdigung des Verfahrens zum Ausbilden von Na turstein und der Beziehung des menschlichen Wahrnehmungsvermögens von Naturstein gelöst.
Das heißt, Naturstein wird gebildet aus dichtgepackten zufälligen Kristallen von verschieden gefärbten Mineralien, die im Laufe der Zeit als Folge spezifischer physikalischer Gesetze sich in Richtung von Systemen mit minimaler Energie zusammenschließen. Ein solcher Prozeß zeigt Parallelen zu dem kürzlich gewonnenen Verständnis der Theorien von geordneten chaotischen Systemen, die zuerst von F. Mandelbrot beschrieben wurden. Die menschlichen Auge-Gehirn-Wahrnehmungen sind im Gegensatz dazu erlernt, und somit wird jede Erkennung und Einschätzung, ob ein Material "natürlich" oder "künstlich" ist, von jedem Beobachter durch einen gedanklichen Vergleich in Bezug auf erlernte Einschätzungen gemacht. Da die künstlich erzeugten Materialien der Erfindung der natürlichen zufälligen Anordnung von Stein, insbesondere Granit, sehr nahe kommen, wird das resultierende Material als Granit eingeschätzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter Berücksichtigung des oben Erläuterten und zur Überwindung der Nachteile des bekannten Stands der Technik möchte die vorliegende Erfindung ein strukturell starres Material zur Verfügung stellen, das kolonienförmige Muster und eine Massentextur aufweist, die Granit und anderen Natursteinen ähnelt. Die Erfindung offenbart auch das Verfahren, das notwendig ist, um wiederholt Hartplattenlaminate und Formteilprodukte herzustellen, die eine Vielzahl an farbigen und gemusterten Mustern aufweisen, die praktisch jeden verfügbaren am Bau verwendeten Stein simulieren.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung somit ein Verfahren zur Herstellung eines druckgeformten Artikels zur Verfügung, das dadurch charakterisiert ist, daß das Verfahren folgendes umfaßt:
(a) Herstellen eines Klebebindemittels mit einem pH von zwischen 10-13 aus einem Leguminosenderivat und Wasser; wobei das Klebebindemittel ein Färbemittel einschließt;
(b) Mischen des Klebebindemittels mit zerkleinertem Cellulosematerial zur Ausbildung eines halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials;
(c) Verringern des Feuchtigkeitsgehalts des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials;
(d) Vereinigen von mindestens zwei unterschiedlich gefärbten Ansätzen des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials; und
(e) Pressen des flockenartigen Einsatzmaterials, das einen verringerten Feuchtigkeitsgehalt besitzt, bei einer Temperatur und einem Druck, die wirksam sind, um einen Artikel mit einem steinartigen granulären Aussehen zu bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen druckgeformten Artikel zur Verfügung, der ein flockenartiges Einsatzmaterial umfaßt, das hergestellt ist aus einem wäßrigen, auf Leguminose basierenden Klebebindemittel und einem Cellulosematerial; wobei der druckgeformte Artikel eine steinartige granuläre Erscheinung besitzt.
In einem der Verfahren wird das Material unter Ausbildung eines schichtartigen Materials geformt oder wird zu verschiedenen Formen extrudiert, die weiter laminiert, zu Kamee oder Intaglio geprägt oder mit anderen Materialien eingelegt werden. Die Endprodukte sind herstellbar aus einem Basisverfahren, welches das Mischen von einer oder mehreren Chargen aus kolonienartigen Bestandteilen, die einen Cellulosebrei und ein an Proteinen reiches Klebebindemittel, am nennenswertesten ein verarbeitetes Sojabohnenderivat, enthalten, und dem Aushärten einer hergestellten Mischung in Gegenwart von Hochfrequenz-, Mikrowellenenergie oder thermischer Energie.
Es ist folglich eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Vielzahl von Produkten zur Verfügung zu stellen, die aus Mischungen erhältlich sind, welche zerkleinertes oder pulverisiertes Papier, vorzugsweise Zeitungspapier, ein Klebebindemittel und gewünschte Färbemittel enthalten, und unter Bedingungen von Wärme und Druck ausgehärtet werden.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Natursteinerscheinung und strukturstabile Materialien zu erhalten, die wiederholt hergestellt werden können.
Es ist eine weiterer Gegenstand der Erfindung, Mischungen zur Verfügung zu stellen, die ein Bindemittel einschließen, das Derivate von landwirtschaftlichen Getreidearten und Hülsenfrüchten, insbesondere Sojabohnen mit oder ohne natürlichen Ölen, umfaßt.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, Mischungen zur Verfügung zu stellen, die gesteuerte pH-Charakteristiken besitzen und Additive wie Natriumhydroxid, Polyvinylacetat und Aluminiumsulfat, welche die Koagulation in eine vergleichsweise trockene Mischung erlauben, einschließen und welche beim Verdichten in Gegenwart von Hochfrequenz-, Mikrowellen- oder thermischer Energie gewünschte Eigenschaften in dem erzeugten Material ermöglichen.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, eine Herstellungsmethode zur Verfügung zu stellen, die das Vortrocknen einer jeden gefärbten Bestandteilscharge oder die Zumischung zu einem bevorzugten Feuchtigkeitsgehalt einschließt, zum Beispiel durch einen oder mehrere Schritte des Erwärmens oder Aushärtens, vermischt mit mehrfachen Komprimierungsschritten, wodurch ein bevorzugter Feuchtigkeitsgehalt erhalten wird.
Es ist noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung, die Bestandteilmischungen in Gegenwart von Hochfrequenz, Mikrowellenenergie oder thermischer Energie zu erwärmen und/oder auszuhärten, und wobei die formgebenden Formen die Ofenelektroden umfassen können.
Zahlreiche der vorherigen Aufgaben, Vorteile und Unterschiede werden in einem bevorzugten Herstellungsverfahren erhalten, welches für ein einfarbiges Einsatzmaterial die Herstellung eines Klebebindemittels mit einem alkalischen pH aus einem Sojabohnenderivat und Wasser; das Zugeben eines Färbmittels zu dem Bindemittel; das Mischen des Bindemittels mit einem geeignet zerkleinerten oder pulverisierten Zeitungspapier und das Trocknen der Mischung zu einer "halbtrockenen" Masse mit einer bevorzugten Feuchtigkeit im Bereich von 12 bis 20 Prozent; Pressen der Mischung zum Formen; und Erwärmen der geformten Mischung bis zum Aushärten einschließt. In einem bevorzugten Verfahren wird ein kontrolliertes Aushärten in Gegenwart von Hochfrequenz- oder Mikrowellenenergie erhalten, die über Platten angewendet werden kann, welche in der Form eines geformten Endprodukts gearbeitet sind. Alternativ * dazu kann die Mischung in der Gegenwart von Mikrowellen-, HF- oder thermischer Energie oder Kombinationen davon extrudiert und/oder gehärtet werden. Die ausgehärtete Masse kann auch im Ofen getrocknet werden und in einer Umgebung mit kontrollierter Feuchtigkeit gelagert werden, um die Formbeständigkeit zu verbessern. Ein bevorzugtes Endprodukt ist ein Strukturlaminat mit einer Natursteinerscheinung. Die erkennbare Granularität oder das Muster des Materials wird bestimmt von der Beschaffenheit von getrennt gefärbten Bestandteilsausgangsmaterialien, die vermischt werden.
Man nimmt an, daß die steinartige Granularität das Ergebnis einer Koagulation oder eines "Verklumpens" ist, welches während des Vermischens des Klebebindemittels mit zerkleinerten Papierteilchen, die sauer gemacht wurden, und einem Farbadditiv stattfindet. Die resultierende Mischung zeigt eine nichtausblutende Farbstabilität und eine körnige oder "trockene" Konsistenz auf. Jedes gefärbte Ausgangsmaterial kann mit einem anderen gefärbten Ausgangsmaterial derselben oder einer anderen Granularität vermischt werden. Wenn die getrennt hergestellten Einsatzmaterialmischungen vermischt werden, unter Druck gesetzt und ausgehärtet werden, mit oder ohne dem Zusatz von Wärme, bildet die resultierende Feststoffmasse ein chaotisches oder nichtgeordnetes Farbmuster, welches das Auge als einen natürlichen steinartigen Feststoff wahrnimmt.
Während eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung einer Hartplatte mit einer einzelnen Farbe und mit Ausnahme der Sammlung der Rohmaterialien wird vier getrennten und verschiedenen Verfahrensstufen gefolgt. Die Stufe 1 beinhaltet die Herstellung eines relativ trockenen, auf Sojabohnen basierenden Klebebindemittels mit der Konsistenz von Brotteig oder von einem Spielteig für Kinder (PLAYDOUGH) und einem alkalischen pH der Größenordnung von 11 bis 13. Ein alkalischer Kleber ist wünschenswert, um die Proteinfragmente mit hohem Molekulargewicht der gemahlenen Sojabohne zu "entknäueln", welches entfettet sein kann oder nicht, welches jedoch typischerweise zu einer pulverartigen oder mehlartigen Konsistenz gesiebt und von der Hülse befreit wird.
Während der Stufe 2 werden verschiedene Additive mit dem Klebebindemittel vermischt, um die Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit zu verbessern und dem Endprodukt eine gewünschte mechanische Härte, Festigkeit und dergleichen zu verleihen. Zu dem Klebebindemittel werden Färbemittel, für gewöhnlich in der Form von Metalloxiden, zugegeben. Das gefärbte Klebemittel weist typischerweise einen pH im Bereich von 10-12 auf.
Separat wird ein zerkleinertes Fasermaterial hergestellt durch Zugeben eines sauren Mittels, zum Beispiel durch Sprühen, zu einem Cellulose-"Flaum" oder einer Fasermasse, welcher Flaum hergestellt wird durch Zerkleinern und Dreschen von Altpapier wie Zeitungspapier oder nichtgestrichenen Druckpapieren. Alternativ dazu können verschiedene im Handel erhältliche Isolierungen verwendet werden, welche Flammhemmittel wie Borsäure einschließen können. Die Granularität des Flaums kann wie gewünscht variiert werden durch zum Beispiel Mischen von zerkleinerten Teilchen verschiedener Größen. Der pH der resultierenden Fasermasse liegt typischerweise im Bereich von 9-11. Als nächstes werden das kolonisierte Klebebindemittel und die Fasermasse in Stufe 3 vermischt, um eine oder mehrere Einsatzmaterialmischungen zu bilden. Der pH einer jeden Einsatzmaterialmischung, welche in eine Form geformt oder extrudiert wird, liegt vorzugsweise im Bereich von 7-10. Der relative Feuchtigkeitsgehalt eines jeden Einsatzmaterials wird in dem Bereich von 12 bis 20 Prozent gelegt, welcher erhalten werden kann durch teilweises Trocknen des Einsatzmaterials in Gegenwart von erwärmter Luft.
Während der Stufe 4 können zwei oder mehrere einfarbige Einsatzmaterialmischungen weiter vermischt werden in bevorzugten Farbverhältnissen, die ausgewählt werden, um Mischungen von farbigen Teilchen zu ähneln, wie Quarz, der in natürlichem "Granit" oder anderen dekorativen Steinen vorkommt. Während der Stufe 5 kann ein einzelnes Einsatzmateral oder eine Einsatzmaterialmischung progressiv verdichtet werden bei kontrollierten Drücken im Bereich von 2,14 bis 53,5 · 10&sup5; Pa (2 bis 50 Tonnen pro ft²) und unter kontrollierten Temperaturen im Bereich von 45ºC bis 95ºC, um einen unerwünschten Anteil des Wassers weiter zu extrahieren. Das verdichtete Material wird schließlich bei geringfügig höheren Drücken erwärmt, um über die Zeit jegliches verbleibendes Wasser als Dampf auszutreiben, während das verdichtete Einsatzmaterial zur endgültigen Form "aushärtet". Die ausgehärtete Masse oder das resultierende Material kann weiter im Ofen getrocknet und bei einer kontrollierten Feuchtigkeit zur Steuerung der Formstabilität aufbewahrt werden.
Auf Basis einer visuellen Erscheinung der resultierenden ausgehärteten Masse bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge und sogar bei einer Vergrößerung in der Größenordnung von 10 ist zu glauben, daß die Naturgesetze, welche die Verdichtung und Aggregation der Mischung unter Wärme und Druck bestimmen, von ähnlicher Natur zu denen sind, welche das "geordnete Chaos" bestimmen, das in natürlich gebildeten dekorativen Steinen wie Granit zu sehen ist. Folglich weist die hergestellte Masse eine ähnliche steinartige Erscheinung von vergleichbarer Konsistenz und Gleichförmigkeit auf.
Die Dichte- und Maschinenverarbeitbarkeitseigenschaften der ausgehärteten Masse sind vergleichbar oder besser als Holz oder holzartige Materialien wie eine Spanplatte oder Holzspanplatte. Das Material kann zum Beispiel gesägt, gefräst, gehobelt, geschliffen und wie ein Holz von Tischlerqualität endbearbeitet werden. Das Material akzeptiert Nägel und Schrauben gleichermaßen, ohne zu brechen oder zu splittern. Das Material kann auch als ein Teil von großen oder komplexen Baueinheiten oder -strukturen verwendet werden, die aus einer Anzahl von einzelnen Brettern oder Stücken aufgebaut sind, welche mit herkömmlichen Tischlertechniken miteinander verbunden werden. Vorausgesetzt, daß die Bretter aus derselben Farbchargenmischung hergestellt sind, sind die Fugen, wenn sie einmal verbunden, geschliffen und endbearbeitet wurden, im wesentlichen unsichtbar.
Im Gegensatz zu poliertem Stein weist das Material weniger als die halbe Dichte auf, ist wie Holz maschinenverarbeitbar und weist keine Sprödigkeitsbrüche auf, wie dies natürliche Steinmaterialien wie Granit tun. Die eingeschränkte Porosität des hergestellten Materials macht es auch für eine Vakuumimprägnierung mit Acrylharzderivaten, Klarlacken oder anderen Oberflächenbehandlungen brauchbar, um die Eignung des Materials für Bauzwecke, dekorative oder strukturelle Zwecke zu erhöhen.
Abhängig von den Additiven und den angewendeten Drücken und den Heizzeiträumen können die Oberflächenhärte, das Biegemodul und die Zug- und Druckfestigkeit der ausgehärteten Masse auch von Werten, die mit denen einer beispielhaften Faserplatte mit niedriger Dichte vergleichbar sind, zu Werten, die jene von Eiche übersteigen, verändert werden. Eine Steifheit und Festigkeit, welche die übersteigt, die von Spanplatten von Bauqualität und von anderen Bauplatten gefordert werden, können ebenfalls erhalten werden. Die Dichte kann auch auf einen Bereich der Größenordnung von 720 bis über 1200 kg/m³ (45 bis über 75 pounds/ft³) maßgeschneidert werden.
Noch andere Aufgaben, Vorteile und Unterschiede der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführ lichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen und Tabellen offensichtlicher werden. Obwohl verschiedene derzeit bevorzugte Konstruktionen und Methoden beschrieben werden, sollte die Beschreibung nicht dahingehend aufgefaßt werden, daß sie darauf beschränkt ist, sonderen sollte vielmehr innerhalb des Umfangs der folgenden beigefügten Ansprüche interpretiert werden. Beabsichtigte Modifikationen und Verbesserungen der Erfindung werden entsprechend beschrieben. Es werden auch verschiedene getestete Eigenschaften definiert. Insofern bestimmte Eigenschaften beobachtet werden konnten, werden, auch wenn sie nicht vollständig verstanden wurden, in Betracht kommende Erklärungen vorgeschlagen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines bevorzugten Herstellungsverfahrens.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines alternativen Herstellungsverfahrens.
Fig. 3 ist eine Zeichnung einer Mikrowellen- oder HF-Aushärtungsstation, in der HF- oder Mikrowellen-Kopplungsplatten das Endprodukt komprimieren und formen.
Fig. 4 ist eine Photographie einer steinartigen granulären Struktur, die von einer Platte oder einer extrudierten Masse aufgezeigt wird, welche gemäß der Erfindung gebildet wurden.
Fig. 5 ist eine Zeichung einer kontinuierlichen Extruderstation.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein verallgemeinertes Blockdiagramm des vorliegenden bevorzugten Verfahrens aufgezeigt, das zur Herstellung einer Hartplatte aus unbehandelten (d. h. ungebleichten), aufgeschlossenen Papiermaterialien wie Zeitungspapier verwendet wird. Das bevorzugte Verfahren wird im weitesten Sinne in fünf verschiedenen Stufen durchgeführt, um eine Rohplatte oder Formmasse herzustellen. Die Rohmasse wird dann mit geeigneten Größenbearbeitungs-, Formgebungs- und Oberflächenveredelungsschritten endbearbeitet werden, um ein fertigbehandeltes Produkt herzustellen. Wenn es als ein Laminat oder ein Formakzent verwendet wird, würde eine veredelte Hartplatte typischerweise einer weiteren Bearbeitung für eine Befestigung an Möbeln oder möglicherweise Decken- oder Wandpaneelen unterzogen werden.
Während der ersten oder Anfangsstufe werden die erforderlichen Rohmaterialien ausgewählt, klassiert, sortiert und in geeigneten Behältern in einer für eine Vorverarbeitung in Stufe 2 fertigen Form gelagert. Diese Materialien umfassen typischerweise eine Cellulosefasermasse von auf geeignete Größe zerkleinerten Papierteilchen; ein verarbeitetes Sojabohnenderivat, Färbemittel, Wasser und verschiedenartige Additive. Jedes dieser Materialien wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Während der Stufe 2 wird eine Fasermasse hergestellt durch trockenes Zerkleinern von Abfallpapier wie Zeitungspaper oder anderen nichtgestrichenen Druckpapieren auf gewünschte Teilchengrößen und relative Größenkonzentrationen. Das zerkleinerte Papier wird, falls notwendig, mit anderen trockenen Materialien vermischt, um dem fertigen Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen (z. B. Flammbeständigkeit über die Zugabe von Bor säure oder ein saures Additiv zur Erleichterung des Bondierens).
Getrennt wird ein Klebebindemittel hergestellt durch Vermischen des verarbeiteten Sojabohnenderivats, welches ein Pulver oder Mehl umfassen kann, mit Wasser und anderen Additiven gemäß Anforderungen für das fertige Endprodukt. Wenn ein Sojabohnenpulver oder -mehl verwendet wird, wird das Pulver oder Mehl typischerweise hergestellt durch Mahlen von ganzen Bohnen mit Hüllen und Schalen in einem herkömmlichen Kaltmahlverfahren bis auf eine Granularität im Bereich von 150 bis 325 mesh. Das Pulver oder Mehl kann entfettet sein oder natürliche Öle einschließen. Wenn die Öle entfernt werden, kann dies unter Verwendung herkömmlicher mechanischer oder chemischer Extraktionstechniken erreicht werden. Das hergestellte Pulver oder Mehl wird ansonsten weder gewaschen noch behandelt.
Gemäß dem gewünschten Farbmuster, das für das Endprodukt vorgeschrieben ist, werden monochromatische Färbemittel ausgewählt.
Geeignete Färbemittel sind gemahlene Metalloxide, wie sie zum Färben von Zement oder Zementpaste verwendet werden. Jedes Färbemittel wird getrennt aufbewahrt, da die eventuelle Färbung der hergestellten Masse beim Vermischen von Anteilen der Mischungen, die in Stufe 3 hergestellt wurden, erhalten wird.
Während der Stufe 3 werden eine oder mehrere monochromatische Chargen an vorverarbeiteten Komponenten (d. h. zerkleinertes Papier, Klebebindemittel und Färbemittel) in definierten Anteilen vermischt. Die Fasern einer jeden Charge des Papierbreis werden mit einem Färbemittel gefärbt, das während des Mischens chemisch an die Fasern gebunden wird. Es wird eine Dreifarbencharge be schrieben, worin die Zuleitungen der verschiedenen Ausführungen das Mischen der drei getrennt gefärbten Chargen anzeigen. Jedes Einsatzmaterial kann auch teilweise bis auf einen Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von 12 bis 20 Prozent getrocknet sein. Das Trocknen kann erreicht werden, indem erwärmte Luft durch jede gefärbte Charge geleitet wird, wenn die Charge sich im flaumigen Zustand entlang eines Siebförderers bewegt oder geleitet wird.
In Stufe 4 werden die getrennt gefärbten Chargen wiederum in verschiedenen vorgeschriebenen Verhältnissen vereinigt oder vermischt, um ein gewünschtes Einsatzmaterial zur Verfügung zu stellen, das ein reproduzierbares "chaotisches" Farbmuster in dem Endprodukt ergibt. Die Einsatzmaterialmischung weist die Form eines locker aggregierten, mehrfarbigen, halbtrocken flockenförmigen Materials auf mit einer krautsalatartigen Konsistenz, welche nach dem Formen und Aushärten eine gewünschte steinartige Erscheinung ergibt.
In Stufe 5 wird das ausgehärtete Rohprodukt in einem Verfahren hergestellt, indem das Einsatzmaterial unter kontrollierter Wärme und Druck in einer Heißpresse unter Druck gesetzt und ausgehärtet wird. Alternativ dazu können die Einsatzmaterialien mittels einer Walze gepreßt, wobei auf Fig. 2 verwiesen wird, oder in einem Schneckenextruder extrudiert werden, wobei auf Fig. 5 verwiesen wird. Das Material wird vorzugsweise im Laufe der Zeit fortschreitend verdichtet und erwärmt, so daß jegliche enthaltene Feuchtigkeit ausgetrieben wird und das komprimierte Material ausgehärtet wird.
In der Endstufe wird das Rohformprodukt oberflächenveredelt, dimensioniert und gemäß verschiedener Marktanforderungen endgültig in Form gebracht durch Schleifen, Hobeln, Sägen, Formen oder anderes geeignetes Bearbeiten durch Maschinen. Die Oberfläche kann auch mit bevorzugten Versiegelungsmitteln, Lacken, Klarlacken oder dergleichen beschichtet oder imprägniert werden.
Durch Miteinanderverbinden von einzelnen Hartplattenkomponenten können nahtlos erscheinende komplexe Formen und Konstruktionen gebildet werden. Es können auch -Verbundstoffe mit anderen Materialien erhalten werden, wie Einlegearbeiten. Konstruktionen mit Nähten werden vorzugsweise aus einem Material gebildet, das aus Chargen mit gleicher Farbe hergestellt wurde, um jegliche Farbunterschiede zu minimieren.
Es folgt eine ausführlichere Beschreibung der Verfahrensstufen 2 bis 5 von Fig. 1. Hinsichtlich einer Anzahl von wünschenswerten Eigenschaften des Endprodukts werden auch verschiedene alternative Mischungen oder Verfahrensvariationen beschrieben.
Das Hauptanliegen bei der Herstellung des Klebebindemittels ist die Herstellung eines kostengünstigen Bindemittels, welches in der Lage ist, die Fasern und Färbemittel des Cellulosefaserbreis gleichmäßig zu benetzen, beschichten und verbinden. Die meisten Klebstoffe sind ziemlich teuer, sogar wenn sie in großen Mengen gekauft werden, und sind somit nicht für eine Verwendung in den bevorzugten Ausführungsformen geeignet. Folglich wurden viele Harzklebstoffe nicht berücksichtigt.
Abgesehen von den Kosten muß das Klebebindemittel vorzugsweise auch seine Stabilität in Gegenwart von Mikrowellen-, Hochfrequenz- oder thermischer Energie beibehalten. Zusätzliche wünschenswerte Eigenschaften sind die, daß das Klebemittel nicht leicht schäumt, einen relativ geringen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, einen alkalischen pH im Bereich von 8 bis 12 besitzt und eine Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist, wenn es einmal fest geworden oder ausgehärtet ist. Klebemittel, die nicht auf Erdöl basieren, und insbesondere auf Stärke und Proteinen basierende Klebemittel wurden vorteilhaft verwendet. Geeignete Klebemittel auf Basis von Proteinen können aus verschiedenen landwirtschaftlichen Getreiden und Hülsenfrüchten, insbesondere Sojabohnen, gewonnen werden.
Ein derzeit bevorzugtes Klebebindemittel wird aus verarbeiteten Sojabohnen gewonnen. Die Sojabohnen sind umhüllt, besitzen Schalen und werden zu einer pulverartigen oder mehlartigen Konsistenz gemahlen, welche bei einer mehlartigen Form in der Größenordnung von 150 bis 325 mesh liegt. Falls gewünscht, können die Bohnen vorher gewaschen und mittels bekannter mechanischer und chemischer Behandlungen von natürlichen Ölen befreit werden. Es können auch Öle zugegeben werden, um ein späteres Schäumen zu verringern. Zu dem Sojabohnenderivat werden, wie gewünscht oder notwendig, in geeigneten Mengen verschiedene Additive gegeben wie Natrium- oder Kaliumhydroxid, Natriumsilicat, Polyvinylacetat und Latex. Das letztere Additiv verleiht dem Endprodukt verschiedene wünschenswerte Eigenschaften und/oder erleichtert die Entfernung von Wasser und anderen Flüssigkeiten in späteren Arbeitsschritten. Feuchtigkeitsbeständigkeit, Flammbeständigkeit, Schimmelbeständigkeit, Elastizität und Oberflächenhärte stellen einige der zuvor erwähnten wünschenswerten Eigenschaften dar.
Es sind eine Vielzahl an industriellen Chargenmischern verfügbar, welche die Anforderungen zum Mischen des Klebebindemittels und der Färbemittel und des Faserbreis mit dem Bindemittel erfüllen und welche Platz für verschiedene Chargengrößen besitzen. Vorteilhafterweise kann auch ein Mischer mit kontinuierlicher Zuführung wie ein Bandmischer verwendet werden, um jede getrennt gefärbte Charge an Einsatzmaterial kontinuierlich zu mischen. Es sind geeignete Steuerungen der Verhältnisse erforderlich, um die geeignete Zusammensetzung der Einsatz materialbestandteile sicherzustellen. Unter Bezug auf Fig. 2 wird mehr der Einzelheiten einer solchen Ausrüstung beschrieben.
Das hauptsächliche Cellulosefüllstoffmaterial der bevorzugten Mischungen ist ein zerkleinertes oder pulverisiertes Zeitungspapier. Abhängig von verschiedenen Erscheinungen und mechanischen Eigenschaften, die für das fertige Endprodukt gewünscht sind, kann die Teilchengröße des Zeitungspapiers variiert werden. Das heißt, die Teilchengröße kann von fein gemahlenem Zeitungspapier, das zu der Konsistenz einer faserförmigen Materials wie Flachs oder Baumwolle gemahlen ist, bis zu einem gehäckselten Material mit Nominalteilchenabmessungen von ungefähr 0,635 bis 1,27 cm (1/4 bis 1/2 Inch) reichen. Es können auch Kombinationen aus Teilchen verschiedener Größen verwendet werden.
Eine wünschenswerte Eigenschaft von Zeitungspapier ist es, daß die daraus gewonnenen Cellulosefasern im wesentlichen ligninfrei sind, was die Oberflächenabsorption und Benetzung der Fasern der Cellulose mit dem Klebebindemittel erleichtert. Zeitungspapier und die meisten nichtgestrichenen Druckpapiere sind im wesentlichen ligninfrei, da das Lignin typischerweise während der Verarbeitung der Holzfasern entfernt wird. Es wird angenommen, daß die Proteinketten des vorliegenden, auf Sojabohnen basierenden Klebebindemittels beim Mischen in einer alkalischen bis neutralen Lösung mit dem Cellulosematerial an die Cellulosefasern binden, indem ein bewegtes Entwickeln und erneutes Verwickeln der Fasern beim Benetzen induziert wird. Das erneute Verwickeln hält die zugegebenen Färbemittel und benachbarten Fasern fest, um eine sehr starke molekulare interpartikuläre Bindung auszubilden.
In bevorzugten Mischungen wird das Zeitungspapier auf eine Teilchengröße im Bereich von 0,254 bis 0,635 bis 0,254 bis 1,27 cm (1/10 bis 1/4 bis 1/10 bis 1/2 Inch) zerkleinert. Es können auch Teilchen mit anderen Größen und Formen verwendet werden. Wenn sie auf die nachfolgend beschriebene Weise mit geeigneten Färbemitteln vermischt werden, stellen solche Teilchen Hartplatten zur Verfügung, die eine "steinartige" Erscheinung aufweisen. Das heißt, es wird eine granuläre Erscheinung aufgezeigt, die zum Beispiel Granit stark ähnelt. Es sind andere Erscheinungen erzielbar beim Variieren der Konzentrationen der klassierten Teilchen und Färbemittel. Fig. 4 zeigt eine Photographie der granulären Struktur und steinartigen Erscheinung eines Abschnitts einer Hartplatte, die mit der Erfindung hergestellt wurde.
Obwohl zerkleinertes Zeitungspapier als solches verwendet werden kann, können andere faserartige Materialien eingebracht werden, um bestimmte wünschenswerte Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. In das Einsatzmaterial können zum Beispiel zerkleinertes Fiberglas, gesponnener Kunststoff oder andere faserartige Additive von geeigneter Faserlänge eingebracht werden. Abhängig von dem faserartigen Material können die Fasern zufällig verteilt sein oder für vorbestimmte Ausrichtungen auf verschiedene Weise vermischt werden. Wo eine ausgerichtete Faserlage verwendet wird, kann eine Hartplatte entwickelt werden aus mehreren Laminierungen mit spezifischen axialen Ausrichtungen der zugegebenen Faser. Die erhaltene Hartplatte kann dadurch bevorzugte Biege-, Form-, Scher- oder Zugeigenschaften aufweisen. Alternativ können Laminierungen einer zufälligen Faserausrichtung aufeinandergelegt werden. In allen Fällen wird jedoch eine Hartplatte mit einer steinartigen Erscheinung erhalten, die eine verbesserte strukturelle Integrität besitzt.
Die in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Färbemittel bestehen aus verschiedenen, im allgemeinen anorganischen, auf Metall basierenden Färbematerialien. In den vorliegenden bevorzugten Mischungen werden gemahlene Metalloxidfärbemittel ohne eine weitere Verarbeitung eingebracht. Solche Färbemittel werden üblicherweise zum Färben von Zement und Zementpaste verwendet. Es wird angenommen, daß viele andere Arten an Färbemittel mit vergleichbaren Vorteilen verwendet werden könnten.
Die erforderlichen Eigenschaften eines jeden Färbemittels sind Farbechtheit unter Wärme und Druck. Am wichtigsten ist es, daß jedes Färbemittel, wenn es einmal mit den Faserbreiteilchen oder Fasern einer einfarbigen Charge vermischt ist, nicht ausbluten oder Farbe an benachbarte Fasern übertragen darf. Eine Farbechtheit muß vorhanden sein in jeder in Stufe 3 hergestellten gefärbten Charge, des in Stufe 4 gewonnenen zugemischten Einsatzmaterials und in der letztendlich ausgebildeten Platte oder Formmasse. All diese Anforderungen werden von im Handel erhältlichen Färbemitteln erfüllt, wenn sie gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden.
Wie in Stufe 3 des formgebenden Verfahrens der Fig. 1 diskutiert wurde, werden drei Chargen der vorverarbeiteten Einsatzmaterialien hergestellt. Jede Charge umfaßt ein einzelnes monochromatisches Färbemittel. Es werden mehr oder weniger Chargen desselben oder eines verschiedenen Volumens je nach Notwenigkeit vermischt, um die Verhältnisse zu erhalten, die notwendig sind, um einen gewünschten Typ und Farbe der Hartplatte zu erreichen. Die nachfolgende Tabelle I faßt einen bevorzugten Verfahrensablauf zur Herstellung einer einzelnen monochromatischen Charge eines Einsatzmaterials über die Stufen 2 und 3 zusammen. Tabelle I Herstellung eines einfach gefärbten Einsatzmaterials
*Anmerkung: Auf die aus Schritt 9 resultierende Mischung wird eine 40%ige Alaun-Lösung gesprüht, um den pH der Mischung auf ungefähr 6-7 zu verringern.
Es zeigte sich, daß maßvolle Variationen der Zubereitung der Tabelle I eine endgültig geformte Platte oder Formmasse mit stabileren oder optimierten mechanischen Eigenschaften erzeugten. Die nachfolgenden Tabellen II und III haben jeweils die Herstellung eines Materials mit verbesserten Eigenschaften der Härte- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit gezeigt.

Tabelle II

Einsatzmaterialzubereitung - Grundlinie

Bestandteil (Gew.-%)
Wasser 55,9
Cellulose (Papier) 16,9
Sojamehl 15,8
Natriumsilikat 4,1 (50% in Wasser)
Natriumhydroxid 2, 3 (50% in Wasser)
Kalk 1,9
Styrol-Butadien-Latex 1,6
Ton 0,7
Pine Oil 0,5
H. B. Fuller WB-2523 0,3
100,0

Tabelle III

Einsatzmaterialzubereitung - wasserbeständig

Bestandteil (Gew.-%)
Wasser 54,8
Cellulose (Papier) 17,7
Sojamehl 15,4
Natriumsilikat 4,0 (50% in Wasser)
Kaliumhydroxid 3,1 (45% in Wasser)
Kalk 1,9
SBR-Latex 1,6
Ton 0,7
Pine Oil 0,5
H. B. Fuller WB-2523 0,3
100,00
Zur Herstellung einer jeweils getrennten Charge an unterschiedlich gefärbtem Einsatzmaterial wird einem ähn lichen Verfahren gefolgt. Einmal hergestellt, wird jede der getrennten Einsatzmaterialchargen bis zum Vereinigen in der Stufe 4, wie in Fig. 1 aufgezeigt, gelagert.
In Stufe 4 werden gewünschte Verhältnisse der vorverarbeiteten Einsatzmaterialchargen in einem Haupt- oder primären Mischungsschritt vermengt, um das endgültige in der Verarbeitung der Stufe 5 verwendete Einsatzmaterial zur Verfügung zu stellen. Das sich in der erhaltenen Hartplatte ergebende Farbmuster wird gänzlich von den relativen Verhältnissen einer jeden der Chargeneinsatzmaterialien in der Mischung bestimmt. Um zum Beispiel ein Hartplattenprodukt zur Verfügung zu stellen, das praktisch die Erscheinung von natürlichem "rotem" Granit dupliziert, werden getrennte rote, schwarze und weiße Einsatzmaterialchargen hergestellt. Die einzelnen weißen, roten und schwarzen Chargenmassen werden dann in Gewichtsprozentverhältnissen von 25 : 37, 5 : 37,5 vermischt, um das Einsatzmaterial der Stufe 5 zu bilden.
Nach dem Vermischen der gefärbten Einsatzmaterialchargen in Stufe 4 wird eine relativ trockene Mischung erhalten. Die Konsistenz der Mischung ist einem Krautsalat ähnlich. Diese Konsistenz ist deutlich verschieden von den wäßrigen Aufschlämmungen, die in den Verfahren mit recyceltem Zeitungspapier, auf die früher verwiesen wurde, hergestellt werden.
Trotz des relativ geringen Wassergehalts der Einsatzmaterialmischung der Stufe 4 wird die Mischung in der Stufe 5 vorzugsweise einem Vortrocknen unterzogen, welches für das Druckformverfahren der Fig. 1 einen oder mehrere vorformende oder teilweise Komprimierungsschritte einschließt, um einen Anteil der alkalischen Flüssigkeit zu entfernen und die Mischung zu konsolidieren. Eine endgültige Wasserentfernung findet bei dem "Heißpreß- Schritt" der Stufe 5 der Fig. 1 statt oder im zweiten Walzenkomprimierungsschritt der Stufe 5 im kontinuierlichen Extruderverfahren der Fig. 2. Während eine geringe Menge an Feuchtigkeit die Reaktion des Klebebindemittels mit der faserförmigen Cellulose und den Additiven erhöht und die bevorzugte Bindung fördert, kann nicht dazugehöriges Wasser ein späteres Aushärten verhindern und die Herstellungskosten erhöhen.
Während des Vortrocknens der Fig. 1 wird eine Menge an Wasser im Bereich von 50 bis 65 Gewichtsprozent des anfänglich in dem zugemischten Einsatzmaterial vorhandenen Wassers entfernt. Zum Beispiel wird für eine Einsatzmaterialcharge, die anfänglich 5,9 kg (13 pounds) wog, ein Volumen an Wasser, das ungefähr 1,8 kg (4 pounds) wog, entfernt, bevor das Material einem oder mehreren abschließenden Erwärmungs- und Härtungsschritten unterzogen wird.
Das Wasser wird entfernt durch teilweises Komprimieren des Einsatzmaterials während einem oder mehreren Komprimierungszyklen oder durch über die Zeit zunehmendes Komprimieren. Das Ausgangsmaterial kann gleichzeitig Mikrowellen- oder Hochfrequenzenergien oder einer thermisch gesteuerten Umgebung während einer ausreichenden Dauer ausgesetzt werden, um die Mischung auf eine mittlere Querschnittstemperatur im Bereich von 45-95ºC gleichmäßig zu erwärmen. Ein derartiges Erwärmen erleichtert eine Feuchtigkeitsfreisetzung. Da ein Erwärmen mittels Mikrowelle oder Hochfrequenz eine relativ gleichförmige Energieverteilung durch das Volumen des Materials zur Verfügung stellt, ist ein derartiges Heizverfahren bevorzugt. Alternativ dazu können Infrarot- und andere Konvektions- oder Kontaktheizverfahren verwendet werden.
Das zugemischte Einsatzmaterial aus Stufe 4 kann auch vor einem Vorformen in Stufe 5 mit Luft vorgetrocknet werden. Dies kann erreicht werden, indem zum Beispiel trockene erwärmte Luft durch eine Schicht des Einsatzmaterials geleitet wird, das von einem offenen Metallgitterband getragen wird. Es kann eine Lufttemperatur von 60ºC bis 82,2ºC (140 bis 180 Grad Fahrenheit) und eine Einwirkungszeit von bis zu 30 Minuten verwendet werden, um den Feuchtigkeitsgehalt vor dem Heißpressen auf 12 bis 20 Prozent zu verringern. Die Extraktion von Wasser aus dem zugemischten Einsatzmaterial erlaubt ein schnelleres Erwärmen in der Formpresse, ohne daß signifikante Mengen an Dampf oder Flüssigkeit erzeugt werden. Zum Beispiel kann eine ausgehärtete Platte mit einer Dicke von 2,54 cm (1 Inch) während des Heißpreßschritts der Fig. 1 ausgebildet werden nach einem Anwenden von 2,07 · 10&sup6; bis 3,79 · 10&sup6; Pa (300 bis 550 psi) auf das vorgetrocknete Einsatzmaterial mittels Preßplatten, die auf 137,8ºC bis 160ºC (280 bis 320 Grad Fahrenheit) gehalten werden, während eines Zeitraums von 5 bis 30 Minuten. Ohne einem Lufttrocknen des Einsatzmaterials wären mehrere zusätzliche Minuten notwendig mit einem daraus resultierenden größeren Energieverbrauch. Unabhängig von dem Aushärtungsverfahren stellt ein Vortrocknen des Einsatzmaterials mit Luft Vorteile für das Gesamtverfahren zur Verfügung.
Ohne einem Vortrocknen oder Lufttrocknen des Einsatzmaterials haben herkömmliche Verfahren der thermischen Erwärmung bestimmte Nachteile aufgezeigt. Das heißt, wenn das Material keinen relativ langen Erwärmungszeiten unterzogen wird, kann ein "Hauteffekt" auftreten, der dazu neigt, die Außenoberflächen der Hartplatte zu verhärten und die Freisetzung von innerer Feuchtigkeit zu verhindern. Es können Innentemperaturen auch künstlich bis zu dem Punkt ansteigen, bei dem die chemische Bindung zwischen dem Klebstoff und den Fasern zerstört wird. Kanten können auch verkohlen oder brüchig werden bis zu dem Punkt, bei dem ein zusätzliches mechanisches Bearbeiten erforderlich ist, um die nicht brauchbaren Kanten zu ent fernen. Ein Vortrocknen des zugemischten Einsatzmaterials mit Luft ist daher für ein Produktionsverfahren wünschenswert, welches ein herkömmliches Strahlungsheizen oder eine thermische Aushärtungsausrüstung einschließt.
Ein endgültiges Aushärten während des Heißpreßschritts aus Fig. 1 kann in einer mittels Mikrowellen oder Hochfrequenz erwärmten Umgebung erreicht werden. Obwohl solche Heizgeräte gegenüber Feuchtigkeit tolerant sind, werden die Energieanforderungen verringert, wenn unnötige Feuchtigkeit zuerst entfernt wird, wie durch ein Vortrocknen der Einsatzmaterialzumischung. Drücke im Bereich von 1,38 · 10&sup6; bis 2,07 · 10&sup6; Pa (200 bis 300 psi) werden typischerweise ansteigend während des Vorformschritts angewendet und während des endgültigen Aushärtungsschritts auf 2,07 · 10&sup6; bis 3,45 · 10&sup6; Pa (300 bis 500 psi) erhöht. Einmal in eine Endform gepreßt, wird das Einsatzmaterial während einer letzten Bestrahlung erneut der Mikrowellen- oder Hochfrequenz-Erwärmungsenergie ausgesetzt und zur endgültigen Gestalt ausgehärtet. Es sei angemerkt, daß das verdichtete Einsatzmaterial entweder abwechselnd erwärmt und komprimiert wird oder gleichzeitig erwärmt und komprimiert wird.
Die Dauer der abschließenden Aushärtungsbestrahlung und die angewendete thermische Energie werden in Bezug auf die Dicke und gewünschte Dichte der hergestellten Hartplatte gewählt. Für eine Nominalhartplatte mit einer Dicke von 2,54 cm (1 Inch) hat eine Bestrahlungszeit im Bereich von 3 bis 5 Minuten und 4,5 · 10&sup5; bis 1,12 · 10&sup6; Wm&supmin;² (2 bis 5 kW pro Quadratfuß) bei Mikrowellenfrequenzen von bis zu 2,5 GHz eine geeignete Hartplatte hergestellt. Obwohl Mikrowellen mit höherer Frequenz bestimmte Vorteile zur Verfügung stellen können, arbeiten die meisten Öfen zum kommerziellen Einsatz bei niederen HF-Frequenzen von 13,6, 27,44 und 100 MHz. Die geringeren HF-Frequenzen sind zum Erhalten eines endgültigen Aushärtens im gleichen Maße wirksam.
Abhängig von dem hergestellten Material wird ein geeigneter Ofen oder eine erwärmte Presse gewählt, welcher oder welche in der Lage ist, das Einsatzmaterial auf eine gewünschte Größe zu verdichten und eine bevorzugte Materialdurchsatzrate und Energieverbrauch zur Verfügung zu stellen. Die speziell erwärmte, rein absatzweise betriebene Formpresse oder "Heißpresse", die im Verfahren der Fig. 1 verwendet wird, ist in Fig. 3 in einer Querschnittsansicht aufgezeigt. Diese erwärmte Formpresse ist geeignet für ein Heißpressen eines einzelnen Stücks einer Hartplatte.
Der Körper der Preßform ist aus geeigneten Schwermetallseiten- und Bodenwänden 1 konstruiert. Die Wände 1 müssen in der Lage sein, dem maximalen Formdruck standzuhalten und können mit einem porösen Bauteil 2 ausgekleidet sein oder nicht, um die Entfernung von extrahierter Flüssigkeit zu erleichtern, wie einem Gitter. Eine bewegbare obere Wand oder Druckplatte 3 ist über den oberen Teil der Form vorgesehen und ist mit hydraulischen Bauteilen gekoppelt (welche der Einfachheit und Klarheit halber nicht aufgezeigt sind, jedoch ähnlich dem nachfolgend beschriebenen Kolben 20 sind) zum Antreiben der Platte 3, um jegliches Einsatzmaterial, das in dem Formhohlraum 4 enthalten ist, zu komprimieren.
Die Druckplatte 3 beinhaltet eine HF- oder Mikrowellenplattenelektrode 5, welche über ein geeignetes Koaxialkabel oder einen Hohlleiter 6 über einen Stecker 7 von einem HF- oder Mikrowellengenerator 10 gespeist wird. Der Mittelleiter 8 des Kabels 6 läuft durch eine elektrische und thermische Isolatorplatte 9, welche die Druckplatte 3 von der Elektrode 5 trennt. Jede Ersatzplatte 5 sollte in der Lage sein, ein angemessenes Erwärmen des Einsatzmaterials zur Verfügung zu stellen.
Ist das Einsatzmaterial einmal zu einer endgültigen Materialform, wie mit 11 aufgezeigt, komprimiert und erwärmt, wird die Masse des Formhohlraums 4 über den Kolben 20 extrahiert. Der Kolben 20 ist an einer Platte 12 entlang der Bodenwand 1 der Form befestigt. Es kann ein zusätzliches poröses Bauteil 13 unterhalb des Bauteils 2 und zwischen der gebildeten Hartplatte 11 und der Platte 12 angeordnet sein, um die Entfernung von freigesetzter Feuchtigkeit zu erleichtern. Eine oder beide der Bodenplatten und oberen Platten 12, 5 enthalten auch ein Feld von Löchern oder Kanälen 14, um die Extraktion von freigesetzter Feuchtigkeit über eine isolierte Rohrleitung 15 und eine Vakuumpumpe oder eine andere geeignete Saugpumpe 16 zu ermöglichen.
Als nächstes wird das Extrudierverfahren der Fig. 2 betrachtet, wo ein allgemeines Blockdiagramm eines kontinuierlichen Herstellungsverfahrens im Gegensatz zu einem absatzweise betriebenen Verfahren aufgezeigt ist. Ein solches Verfahren und die diesbezügliche Produktionsausrüstung kann konstruiert sein, um Hartplattendicken zur Verfügung zu stellen, die von 0,32 bis 5,08 cm (1/8 bis 2 Inch) in der Dicke variieren, und würde typischerweise eine Strangpreßvorrichtung einschließen, die einen kontinuierlichen Zuführofen oder eine Heizausrüstung einschließt. Der Aufbau einer Extrudiervorrichtung vom Schneckentyp 30, die in dem Extrudierverfahren verwendet werden könnte, ist in Fig. 5 aufgezeigt.
Mit Ausnahme der Endstufe 5 sind alle Verfahrensstufen der Fig. 1 und 2 gleich, verwenden eine vergleichbare Ausrüstung und folgen im allgemeinen den Schritten und der Verwendung von Einsatzmaterialien der Tabellen I, II und III. Das heißt, wie in Fig. 1 wird ein Mischer bei Stufe 2 zur Verfügung gestellt, um von den Rohmateriallagerungstrichtern oder Flüssigkeitszuführleitungen der Stufe 1 geeignete Feststoffe oder Flüssigkeiten zu empfangen. Vor dem Übertragen der Bestandteilmischungen zu einer Mischstation in Stufe 3 zum Herstellen einer jeden der kolonisierten Einsatzmaterialchargen werden die getrennten Fasermassen- und Haftbindemittelbestandteile mittels motorangetriebener Rührer oder Schnecken vermischt.
Anstelle von getrennten Mischstationen in den Stufen 2 und 3 kann ein einzelner Mischer zur Verfügung gestellt werden, der einen Trichter einschließt. Der Trichter kann eine geeignete Zuführung von zerkleinerter, vorverarbeiteter Fasermasse enthalten. Der Trichter kann auch einen Zerkleinerungsmechanismus enthalten zum endgültigen Zerkleinern der Fasermasse zu einer geeigneten Teilchengröße oder Zerkleinern einer zusätzlichen Fasermasse, die mit der Grundfasermasse vermischt wird. Sind dem Mischer einmal geeignete Mengen des Klebebindemittels und der Fasermasse zugeführt worden, werden die Materialien mit dem Färbemittel und irgendwelchen zusätzlichen Additiven wie Verfestigungsfasern usw. vermischt.
Als nächstes werden in Stufe 4 die Chargen der monochromatischen Färbemittelmischungen an entweder einer davon verschiedenen Mischstation oder vereinigt unter Verwendung des Mischers der Stufe 3 vermischt. Das hergestellte Einsatzmaterial wird als nächstes durch einen Schneckenextruder 30, wie in Fig. 5 aufgezeigt, geleitet. Im speziellen wird das Einsatzmaterial an einer Materialaufnahme 32 und einer tiefliegenden Schnecke 34 empfangen, welche von einem Antriebssystem 35 angetrieben wird, wird das Einsatzmaterial fortlaufend komprimiert, werden Fremdflüssigkeiten entfernt und das Einsatzmaterial geformt, indem das Einsatzmaterial durch eine geeignet gestaltete Extruderdüse 36 gedrückt wird. Die Form der Düsenöffnung 38 kann je nach Wunsch variiert werden. Für eine Hartplatte wird eine breite rechteckige Düse 38 mit einer geringen Höhe verwendet. Die Temperatur des Einsatzmaterials entlang des Wegs der Schnecke 34 kann mit vorgesehenen Heizungen, welche die Schnecke 34 umschließen, und Steuersignalen, die auf Temperatursteuerleitungen 40 gesendet werden, variiert werden.
Nach dem Austritt aus der Extruderdüse 36 wird das extrudierte Material typischerweise einer sequentiellen Anordnung von Formwalzen wie Walzenformern oder Treibrollen zugeführt, welche HF-, Mikrowellen- oder thermische Heizanwendungen einschließen oder getrennt davon dazwischen aufweisen können. Beim weiteren Erwärmen wird das Einsatzmaterial fortschreitend komprimiert. Das endgültige Komprimieren und Formen findet am äußersten Abschnitt der Formwalzen statt. Restliche Feuchtigkeit und Dampf werden an jedem Walzenabschnitt, bevor das geformte Einsatzmaterial endgültig ausgehärtet wird, ausgetrieben. Ein endgültiges Aushärten kann in einer größeren Ofenvorrichtung, welche die Walzen umschließen kann, oder in einer davon getrennten Ofenvorrichtung stattfinden, welche das geformte Einsatzmaterial zu einer geeigneten Zusammensetzung und Trockenheit aushärtet.
Ein Nachhärten oder Ofentrocknungsverfahren, wie mit gestrichelten Linien angezeigt, kann in jedes der Verfahren der Fig. 1 und 2 eingebracht werden. Die Rohmasse wird, ob sie durch Komprimieren in Fig. 1 und 3 oder Extrudieren in Fig. 2 und 5 geformt wird, typischerweise 9 bis 12 Prozent an Feuchtigkeit behalten. Dies kann in einem geheizten Ofen vorzugsweise auf unter 4 Prozent oder sogar deutlich unter 2 Prozent verringert werden. Ein Ofentrocknen wird typischerweise über 6 bis 24 Stunden bei einer Ofentemperatur von 121,1ºC bis 160ºC (250 bis 320 Grad Fahrenheit) durchgeführt. Ist das Rohmaterial einmal getrocknet, wird es vorzugsweise in einer Umgebung mit kontrollierter Feuchtigkeit gelagert, um auf eine Feuchtigkeit von 6 bis 8 Prozent zurückzukehren, um eine Langzeit-Formstabilität zu erhöhen.
Einmal ausgehärtet und infolge von entweder dem absatzweise betriebenen Verfahren der Fig. 1 oder dem kontinuierlichen Extrusionsverfahren von Fig. 2 wird das Rohmaterial nacheinander einer geeigneten Oberflächenbearbeitungs-, Größenbearbeitungs- und Formgebungsstationen zugeführt, wo geeignete Schleif- und Oberflächenformungsvorrichtungen das Material auf geeignete Dimensionen bearbeiten. Anschließend wird das Material einer abschließenden Beschichtungsstation zugeführt, wo auf das Material geeignete Oberflächenbeschichtungen angewendet werden. Von der vorliegenden Erfindung wird entweder in dem primären Formverfahren oder nach einer anschließenden Oberflächenendbearbeitung eine Hartplatte der Dicke im Bereich von 0,32 bis 2,54 cm (1/8 bis 1 Inch) erhalten. Durch Verfahrensanpassungen können auch andere Dicken erhalten werden.
Die nachfolgende Tabelle IV offenbart eine Auflistung bestimmter, gemessener mechanischer Eigenschaften, welche die Integrität der erhaltenen Hartplatten bestätigen, die aus den Einsatzmaterialmischungen der Tabellen I, II und III gewonnen wurden. Solche Messungen wurden unter Verwendung von allgemein anerkannten Testverfahren und Ausrüstung gewonnen. Tabelle IV Eigenschaften der hergestellten Hartplatte aus Tabelle I
Die Tabelle V zeigt vergleichbare gemessene Werte von Produkten auf Holzbasis zu Hartplattenrohproben A-D mit einer Dicke von 2,54 cm (1 Inch), welche wie oben hergestellt wurden. Tabelle V Vergleichseigenschaften
Ein wünschenswertes Merkmal der Hartplatte, die durch eines der Verfahren der Fig. 1 oder 2 hergestellt wurde, ist es, daß das Material relativ dicht ist und somit zu einer relativ glatten Oberfläche endbearbeitet werden kann. Die Kanten werden entsprechend einer herkömmlichen verzahnten oder Stoßverbindung und anderer Verbindungstechniken angepaßt, um die Herstellung größerer komplexerer Stücke aus mehreren kleineren Stücken zu ermöglichen. Auch aufgrund der einzigartigen homogenen Farbmuster, die durch das gesamte Volumen des hergestellten Materials vorhanden sind, werden im wesentlichen nahtlose Verbindungen erhalten. Es können auch komplexe Formen wie Eckformungen, Konturen und orthogonal verbundene Ecken mit unsichtbaren Nähten an den Verbindungsstellen der beiden Stücke desselben Materials ausgebildet werden.
Ein weiteres Merkmal der hergestellten Hartplatten ist es, daß unter Verwendung des absatzweise betriebenen Herstellungsverfahrens Verbundhartplatten oder eingelegte Hartplatten hergestellt werden können. In solchen Fällen und für das Verfahren der Fig. 1 können in die Preßform vor der Stufe 5 getrennt hergestellte Einlegebauteile eingelegt werden, wie Gedenktafeln, Namensschilder oder dergleichen, welche nahezu jegliches organisches Material (z. B. Holz oder Kunststoffe) oder anorganisches Material (z. B. Metall) umfassen können. Wenn das Einsatzmaterial einmal zugegeben und während des Formungsverfahrens komprimiert wurde, umschließt es und bildet es einen innigen Kontakt mit dem Einlagematerial. Nach dem endgültigen Aushärten ist ein starker Kontakt zwischen der Einlage und der Platte bewerkstelligt, und die Einlage wird zu einem integralen Teil der resultierenden Hartplatte.
Noch ein anderes Merkmal der Erfindung, unter Verwendung des Verfahrens und der Ausrüstung der Fig. 1 und 3, ist die Fähigkeit, die oberen und/oder unteren Platten entweder in Kamee oder Intaglio mit einer gewünschten Figur oder Gestalt zu bearbeiten. Wenn das Einsatzmaterial in der Form gepreßt wird, wird die Hartplatte eine Abbildung des in der Modusplatte vorgesehenen Musters entweder in Intaglio oder Kamee erhalten, abhängig davon, ob das Formplattenmuster erhöht oder vertieft ist. Nach dem Aushärten des Rohprodukts oder der Hartplatte bleibt das Muster in feinem Detail erhalten.
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf verschiedene derzeit bevorzugte Mischungen und einer Herstellungsausrüstung beschrieben wurde, ist es angedacht, daß auch andere Verfahren und Mischungen dem Durchschnittsfachmann naheliegen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines druckgeformten Artikels, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt:

(a) Herstellen eines Klebebindemittels mit einem pH von zwischen 10-13 aus einem Leguminosenderivat und Wasser; wobei das Klebebindemittel ein Färbemittel einschließt;

(b) Mischen des Klebebindemittels mit zerkleinertem Cellulosematerial zur Ausbildung eines halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials;

(c) Verringern des Feuchtigkeitsgehalts des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials;

(d) Vereinigen von mindestens zwei unterschiedlich gefärbten Chargen des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials; und

(e) Pressen des flockenartigen Einsatzmaterials, das einen verringerten Feuchtigkeitsgehalt besitzt, bei einer Temperatur und einem Druck, die wirksam sind, um einen Artikel mit einem steinartigen granulären Aussehen zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Cellulosematerial Zeitungspapier ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei das Leguminosenderivat ein Hülsenfruchtderivat ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Hülsenfruchtderivat ein Sojabohnenderivat ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Hülsenfruchtderivat Sojaschrot ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Schritt des Vereinens von mindestens zwei unterschiedlich gefärbten Chargen des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials vor dem Schritt des Verringerns des Feuchtigkeitsgehalts des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials stattfindet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Färbemittel ein Metalloxidfärbemittel ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Metalloxidfärbemittel ein Eisenoxidfärbemittel ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der Schritt des Pressens das Pressen des flockenartigen Einsatzmaterials in einer Heißpresse umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der Schritt des Pressens ein Extrudieren einschließt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der Schritt des Verringerns des Feuchtigkeitsgehalts des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials ein Komprimieren des halbtrockenen flockenartigen Einsatzmaterials in einer Form umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der Schritt des Pressens des flockenartigen Einsatzmaterials ein Einwirken von Mikrowellenenergie auf das Material umfaßt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der Schritt des Pressens des flockenartigen Einsatzmaterials das Einsatzmaterial unter Ausbildung eines Artikels verschmilzt.

14. Druckgeformter Artikel, umfassend ein flockenartiges Einsatzmaterial, das aus einem wäßrigen, auf einem Leguminosenderivat basierenden Klebebindemittel und einem Cellulosematerial hergestellt ist, wobei der druckgeformte Artikel ein steinartiges granuläres Aussehen besitzt.

15. Druckgeformter Artikel nach Anspruch 16, wobei das Cellulosematerial pulverisiertes Zeitungspapier umfaßt und das auf einem Leguminosenderivat basierende Klebebindemittel ein gemahlenes Leguminosematerial umfaßt, das eine gemahlene Hülsenfrucht umfaßt.