FI100100B - Komposiittimateriaali ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

100100

Komposiittimateriaali ja menetelmä sen valmistamiseksi

Keksinnön kenttä Tämä keksintö koskee uutta komposiittimateriaalia; 5 tarkemmin määriteltynä kipsi-selluloosakuitukomposiittima- teriaalia, joka on erityisen käyttökelpoinen rakennus- ja rappausmateriaalien valmistukseen; ja vielä tarkemmin määriteltynä tulenkestävää kipsi-puukuitukomposiittilevyä.

Tausta ja tekniikan taso 10 Kipsin (kalsiumsulfaattidihydraatin) tietyt ominai suudet tekevät siitä hyvin suositun teollisuus- ja raken-nuslaastien ja muiden rakennustuotteiden, erityisesti kip-siseinälevyn, valmistuksessa. Se on runsaasti saatavissa oleva ja yleensä halpa raaka-aine, jota voidaan dehydra-15 tointi- ja rehydratointimenetelmän kautta valaa, muovata tai muotoilla muulla tavalla käyttökelpoisiin muotoihin. Se on myös palamatonta ja suhteellisen mitanpitävää joutuessaan alttiiksi kosteudelle. Koska se on haurasta, kiteistä materiaalia, jolla on suhteellisen alhainen veto-20 ja taivutuslujuus, sen käyttö rajoittuu kuitenkin tyypil-·. ; lisesti sovellutuksiin, joissa se ei ole rakenteellisena, kantavana eikä iskuja vaimentavana materiaalina.

.. I Kipsiseinälevy, jota kutsutaan myös kipsilevyksi ", ", tai "kuivaseinäksi" ("drywall") , koostuu uudelleenhydra- ’· *· 25 toidusta kipsiytimestä, joka on sijoitettu monikerroksis- • · · · * * ten paperipintakerrosten väliin, ja sitä käytetään suurel- • · · ; ta osin sisäseinä- ja sisäkattotarkoituksiin. Paperipinta- kerrokset parantavat merkitsevästi kipsilevyn lujuutta, mutta heikentävät samalla sen tulenkestävyyttä. Lisäksi ;’·*· 3 0 tavanomainen kipsilevy ei haurautensa ja heikkojen naulan- ja ruuvinpito-ominaisuuksiensa vuoksi voi itsessään kan- • · ** nattaa raskaita ripustettuja kuormia eikä vaimentaa mer- « · '···* kittäviä iskuja.

Niinpä on pitkään vakavasti etsitty ja etsitään 35 edelleen keinoja parantaa kipsirappausten ja -rakennus- 100100 2 tuotteiden veto-, taivutus-, naulanpito- ja ruuvinpitolu-juutta ja iskunkestävyyttä.

Eräs toinen helposti saatavissa oleva ja edullinen matriaali, jota myös käytetään laajasti rakennustuotteis-5 sa, on lignoselluloosamateriaali, erityisesti puu- ja pa-perikuitujen muodossa. Sahatavaran lisäksi ovat esimerkiksi lastulevy, kuitulevy, kennolevy, vaneri ja kovalevy (suuritiheyksinen kuitukevy) eräitä rakennusteollisuudessa käytettäviä lignoselluloosamateriaalituotteiden muotoja. 10 Mainitunlaisilla materiaaleilla on parempi veto- ja taivutuslujuus kuin kipsillä. Ne ovat kuitenkin myös yleensä kalliimpia, niillä on heikompi tulenkestävyys ja ne ovat usein herkkiä turpoamaan tai käyristymään joutuessaan alttiiksi kosteudelle. Siksi toivotaan myös kannattavia kei-15 noja parantaa näitä selluloosamateriaalista valmistettujen rakennustuotteiden käyttöä rajoittavia ominaisuuksia.

Aiemmilla yrityksillä yhdistää kipsin ja selluloo-sakuitujen, erityisesti puukuitujen, suotuisat ominaisuudet on ollut hyvin rajoitettu menestys. Yritykst lisätä 20 selluloosakuituja (tai muitakin kuituja) kipsilaastiin *. ; ja/tai kipsilevyn ytimeen ovat yleensä parantaneet lujuut- ta vain vähän jos ollenkaan, koska tähän mennessä ei ole .]; pystytty saavuttamaan merkittävää sitoutumista kuitujen ja \ kipsin välillä. US-patenttijulkaisuissa 4 328 178; '· 25 4 239 716; 4 392 896 ja 4 645 548 esitetään viimeaikaisia • · · · * * esimerkkejä, joissa puukuituja tai muita luonnonkuituja on • · · V · sekoitettu stukko(kalsiumsulfaattihemihydraatti-)liettee seen palvelemaan rehydratoidun kipsilevyn tms. lujittaji-na. Vastaavasti yritykset lisätä kipsihiukkasia puukuitu-30 tuotteisiin ovat tuottaneet pettymyksen, koska ei ole pys-tytty pidättämään riittävästi kipsiä tuotteessa perusmate- • · • ** riaalin tulenkestävyyden tai mitanpitävyyden parantamisek- • · ’···’ si olennaisesti.

Viime aikoina muutamilla valmistajilla on ollut 35 rajoitetusti menestystä kipsin ja puu- tai paperikuitujen 100100 3 yhdistelmää käsittävien levytuotteiden valmistuksessa. Muutamissa näistä menetelmistä sekoitetaan kalsinoitua kipsiä (stukkoa) puu- tai peprikuituihin ja veteen lietteeksi ja tehdään sitten puristus stukon uudelleenhydra-5 toituessa kiinteytyneeksi kipsiksi tai ennen sitä.

Yhdessä tällaisessa menetelmässä (tekniikan tasoa vastaava menetelmä A) sekoitetaan jätepaperia vesilietteessä olevaan stukkoon, joka liete syötetään sitten huo-pautuskuljettimelle ja tehdään vedenpoisto. Ohut hemihyd-10 raatti-paperikakku kääritään kierteisesti sylinterille, niin että saadaan aikaan levyn paksuus, ja leikataan sitten sopivaan mittaan. Tuoreet huovat pinotaan kärryille kovalevyjen väliin ja niiden annetaan hydratoitua noin 3 -4 tuntia. Sitten kovetetut levyt kuivataan, tasataan nii-15 den reunat ja ne hiotaan ja varustetaan sulkukerroksella tarvittaessa.

Niin kutsutussa "puolikuivassa" menetelmässä (tekniikan tasoa vastaava menetelmä B) stukko ja jätepaperi sekoitetaan keskenään kuivina. Osa uudelleenhydratointiin 20 tarvittavasta vedestä lisätän toisessa sekoittimessa ja ·.’·.· sekoitetusta materiaalista muodostetaan erilaisia kerrok- :. siä jatkuvalla juoksuhihnalla. Loppuosa tarvittavasta ve- : destä suihkutetaan muutamalle kerrokselle, jotka sitten yhdistetään monikerroksiseksi matoksi ennen syöttämistä ·φ..: 25 jatkuvatoimiseen puristimeen. "Alkukovetuksen" jälkeen raakatuotelevyt leikataan ja tasataan reunoistaan, anne- • · · taan niiden "kovettua täydellisesti" välisäilytyshihnalla .. ja kuivataan ne sitten.

• ·

Eräässä toisessa niin kutsutussa "puolikuivassa" • · « 30 menetelmässä (tekniikan tasoa vastaava menetelmä C) stukko ja puuhiutaleet esisekoitetaan kuivina. Vettä annostellaan t***; jään tai lumikiteiden muodossa seokseen, joka sitten levi- • » « .· . tetään päättymättömälle matolle jatkuvatoimisen puristimen ; pohjalle. Jää sulaa hitasti, sen jälkeen kun matto on pu- *···* 35 ristettu haluttuun paksuuteen, ja tapahtuu hydratoitumi- 100100 4 nen. Kun levy on kovettunut lopullisesti, se leikataan, tasataan reunoistaan ja kuivataan. Myös hionta on todennäköisesti toivottava ellei välttämätön.

Näillä menetelmillä valmistettujen kaupallisten 5 levyjen tarkastelu osoittaa, että ne muodostuvat erillisistä kipsi- ja kuitumateriaaleista koostuvasta tiivistetystä seoksesta, ts. ne ovat ennemminkin fysikaalinen seos kuin homogeeninen komposiitti. Vaikka saatettaisiin sanoa, että kipsi toimii kuitujen sideaineena näissä levyissä, ei 10 näytä siltä, että kipsikiteiden ja kuitujen välillä tapahtuisi mainittavaa suoraa fysikaalista yhteenlukkiutumista tai kemiallista sitoutumista. Lisäksi näiden levyjen muo-dostustavan, kipsikiteiden ja kuitujen mekaanisen sekoittamisen ja/tai paperikuitujen tai stukon paakkuuntumisen 15 vuoksi näiden levyjen ominaisuuksien, kuten tiheyden ja lujuuden, homogeenisuus ja yhtenäisyys ei ole hyvä kaikkialla levyssä.

Yhden vähän aikaa sitten ilmestyneessä US-patentti-julkaisussa 4 734 163 kuvatun menetelmän (tekniikan tasoa 20 vastaava menetelmä D) mukaisesti raaka- tai kalsinoimaton kipsi jauhetaan hienoksi ja märkäsekoitetaan paperimassan V?,·’ (5 - 10 %) kanssa. Seokselle tehdään osittainen vedenpois- : ' : to, se muovataan kakuksi ja jatketaan vedenpoistoa puris- tusteloilla, kunnes veden ja kiintoaineen suhde on alle ·...: 25 0,4. Kakku leikataan raakalevyiksi, jotka reunojen tasaa- misen ja leikkauksen jälkeen pinotaan kaksinkertaisten te- • · * räslevyjen väliin ja laitetaan autoklaaviin. Autoklaavissa

.. vallitseva lämpötila nostetaan suunnilleen arvoon 140 °C

♦ · * ·« *.#φ kipsin muuttamiseksi kalsiumsulfaatti-alfa-hemihydraatik- • ♦ · 30 si. Tätä seuraavan astiassa olevien levyjen vähittäisen j\. jäähtymisen aikana hemihydraatti rehydratoituu takaisin j***. dihydraatiksi (kipsiksi) ja levy muuttuu yhtenäiseksi.

• · · .· . Sitten levyt kuivataan ja viimeistellään tarvittaessa.

* « « • * ti 100100 5 Tämä menetelmä on erotettavissa aiemmista siinä suhteessa, että kipsin kalsinointi tapahtuu paperikuitujen läsnä ollessa.

Yhteenveto keksinnöstä 5 Tämän keksinnön päätavoitteena on tarjota käyttöön komposiittimateriaali, jossa yhdistetään kipsi toiseen aineeseen, jolla on suurempi lujuus, kuten puukuituun, ja joka on tarkoitettu käytettäväksi lujempien valutuotteiden, rappauslaastien, rakennustuotteiden valmistukseen ja 10 muihin tarkoituksiin.

Yhtenä edelliseen liittyvänä päämääränä on tarjota käyttöön menetelmä mainitunlaisen komposiittimateriaalin valmistamiseksi.

Keksinnön yhtenä spesifisempänä tavoitteena on tar-15 jota käyttöön paperiton komposiittimateriaalista koostuva seinälevy, joka on homogeeninen; jolla on yhtenäisesti, kaikkialla levyssä hyvä lujuus, mukaan luettuna kyky vastustaa naulojen ja ruuvien irtoamista; joka on paremmin mitanpitävää ja säilyttää lujuutensa kosteassakin ympäris-. # 20 tössä; joka on tulenkestävää; ja jota voidaan valmistaa * '·' kohtuullisin kustannuksin.

• * f

Yhtenä erityispäämääränä on lisäksi tarjota käyt-.· ’.· töön menetelmä edellä mainitun seinälevyn tuottamiseksi taloudellisesti.

·.’·.· 25 Nämä päätavoitteet saavutetaan keksinnön mukaises- ·*·*· ti, sen laajimmassa mielessä, kalsinoimalla jauhettu kipsi paineen alaisena laimeassa lietteessä vahvempaa materiaa- :·, lia olevan isäntähiukkasen läsnä ollessa.

.* ··

Keksintö koskee komposiittimateriaalia, jolle on • · · 30 tunnusomaista, että se käsittää lujitemateriaalia olevan • · • *·· isäntähiukkasen, jonka pinnalla ja/tai rakenteen osassa on • · « * : tyhjiä tiloja; ja kalsiumsulfaatti-a-hemihydraattikiteitä, ,-·) ; joista ainakin osa on muodostunut in situ isäntähiuk- kasessa olevissa tyhjissä tiloissa ja niiden ympärille, 100100 6 jolloin muodostuu isäntähiukkasen kanssa fysikaalisesti yhteenlukkiutunut kalsiumsulfaattidematriisi.

Keksintö koskee myös komposiittimateriaalia, jolle on tunnusomaista, että se käsittää lujitemateriaalia 5 olevan isäntähiukkasen, jonka pinnalla tai rakenteen osassa on tyhjiä tiloja; ja kalsiumsulfaattidihydraatti-kiteitä, joista ainakin osa on muodostunut in situ isäntähiukkasessa olevissa tyhjissä tiloissa ja niiden ympärille, jolloin muodostuu isäntähiukkasen kanssa 10 fysikaalisesti yhteenlukkiutunut kalsiumsulfaattikidemat- riisi.

Keksintö koskee lisäksi kipsi-puukuitukom-posiittiseinälevyä, jolle on tunnusomaista, että se käsittää yhteenkietoutuneista komposiittihiukkasista 15 koostuvan tiivistetyn massan, jolloin kukin hiukkanen koostuu isäntäpuukuidusta ja kipsistä, joka on uudelleenhydratoitujen, neulamaisten a-hemihydraatti-kiteiden muodossa, jotka ovat muodostuneet puukuidun pinnalla tai rakenteessa oleviin tyhjiin tiloihin tai . ^ 20 niiden päälle tai ympärille, niin että ne lukkiutuvat ’· '·’ fysikaalisesti yhteen kuidun kanssa.

' *.· Keksintö koskee edelleen menetelmää komposiitti- ; .·’ materiaalin valmistamiseksi. Menetelmälle on tunnus- omaista, että kipsiä kalsinoidaan käyttäen korotettua ·.··; 25 lämpötilaa ja korotettua painetta nestemäisessä ;*»*. väliaineessa, joka edistää neulamaisten kalsiumsulfaatti- α-hemihydraattikiteiden kasvua ja johon on suspendoitu ··. suuri määrä isäntähiukkasia, jolloin jokaisen hiukkasen *... pinnalla tai sen sisällä on tyhjiä tiloja, joihin väliaine • * · *. 30 voi tukeutua.

♦ · • *·· Keksintö koskee myös menetelmää levyn valmista- i **: miseksi komposiittimateriaalista. Menetelmälle on tunnus- ··· . omaista, että jauhettua kipsiä ja isäntähiukkasia sekoite ♦ , * taan yhdessä riittävän vesimäärän kanssa lietteen muodos-··* 35 tamiseksi, jolloin jokaisen hiukkasen pinnalla tai sen tl 100100 7 sisällä on tyhjiä tiloja, joihin suspendoitua ja/tai liuennutta kipsiä sisältävä lieteväliaine voi tunkeutua, jolloin liete on riittävän laimeaa isäntähiukkasissa olevien tyhjien tilojen kostuttamiseksi oleellisesti 5 kokonaan ja edistämään kalsiumsulfaatti-a-hemihydraatti- kiteiden muodostumista kuumennettaessa paineen alaisena; kuumennetaan liete paineastiassa jatkuvasti sekoittaen riittävään lämpötilaan kipsin kalsinoimiseksi kalsium-sulfaatti-a-hemihydraatiksi ja pidetään liete mainitun-10 laisessa lämpötilassa, kunnes ainakin osa kalsiumsulfaat-ti-a-hemihydraatista on oleellisesti kiteytynyt isäntähiukkasissa oleviin tyhjiin tiloihin ja niiden ympärille; syötetään kuuma liete tasaiselle huokoiselle muo-dostuspinnalle ja poistetaan siitä olennainen osa vedestä, 15 jolloin muodostuu suodatuskakku; puristetaan suodatuskakku levyn muodostamiseksi ja veden poistamiseksi siitä edelleen ennen levyn lämpötilan laskemista alemmaksi kuin lämpötila, jossa kalsiumsulfaattihemihydraatti uudel-leenhydratoituu kipsiksi; jäähdytetään levy uudelleenhyd-, ( 20 ratoitumislämpötilan alapuolelle ja annetaan kalsiumsul- * '·' faattihemihydraatin uudelleenhydratoitua kipsiksi; ja kui- ·* vataan levy jäljellä olevan vapaan veden poistamiseksi.

: ,· Termi "kipsi" tarkoittaa tässä käytettynä stabii- : lissa dihydraattitilassa olevaa kalsiumsulfaattia, ts.

.·.’ 25 CaS04 *2H20:ta, ja se piiriin kuuluvat luonnossa esiintyvä ·*·*; mineraali, sen synteettisesti valmistetut vastineet ja • dihydraattimateriaali, joka on muodostettu hydratoimalla ,··. kalsiumsulfaattihemihydraattia (stukkoa) tai anhydriittiä.

: ·· ... Termillä " isäntähiukkanen" tarkoitetaan mitä ; * * 30 tahansa makroskooppista hiukkasta, kuten kuitua, lastua * « • *>· tai hiutaletta, joka on muuta ainetta kuin kipsiä.

• f# * i Hiukkasessa tulisi myös olla saavutettavissa olevia tyhjiä ; tiloja, joko huokosia, halkeamia, rakoja, ontelolta tai muita pinnan epäsäännöllisyyksiä, joiden sisällä '·* 35 kalsiumsulfaattikiteitä voi muodostua. On myös 100100 8 toivottavaa, että tällaisia tyhjiä tiloja on läsnä huomattavassa osassa hiukkasta; onhan ilmeistä, että mitä enemmän tyhjiä tiloja on ja mitä paremmin ne ovat jakautuneina, sitä voimakkaampi ja geometrisesti 5 stabiilimpi on kipsin ja isäntähiukkasen välinen fysikaalinen sidos. Isäntähiukkasmateriaalilla tulisi olla kipsiltä puuttuvia toivottavia ominaisuuksia ja edullisesti ainakin korkeampi veto- ja taivutuslujuus. Ligno-selluloosakuitu, erityisesti puukuitu, on yksi esimerkki 10 isäntähiukkasesta, joka soveltuu erityisen hyvin tämän keksinnön mukaiseen komposiittimateriaaliin ja menetelmään. Niinpä, haluamatta rajoittaa "isäntähiukkaseksi" soveltuvia materiaaleja ja/tai hiukkasia, puukuitu(j)a käytetään usein jäljempänä kätevyyden vuoksi laajemman 15 termin sijasta.

Kalsinoimaton kipsi ja isäntähiukkaset sekoitetaan yhteen riittävän nestemäärän kanssa laimean lietteen muodostamiseksi, jota sitten kuumennetaan paineen alaisena kipsin kalsinoimiseksi, jolloin se muuttuu kalsiumsulfaat-20 ti-alfa-hemihydraatiksi. Vaikka tämän keksinnön mikromeka- t nilkkaa ei vielä täysin tunneta, otaksutaan, että laimea • i i ’ ' liete kostuttaa isäntähiukkasen ja kuljettaa kalsiumsul- ! faattia siinä oleviin tyhjiin tiloihin. Lopulta muodostuu hemihydraattikiteytymiskeskuksia ja kiteitä, pääasiassa . : 25 neulamaisia kiteitä, in situ tyhjiin tiloihin ja niiden ; **: ympärille. Lietteeseen voidaan haluttaessa lisätä kiteitä muuntavia aineita. Tuloksena oleva komposiitti on isäntä- ;·. hiukkanen, joka on fysikaalisesti lukkiutunut yhteen kal- : ·· ,·· siumsulfaattikiteiden kanssa. Tämä yhteenlukkiutuminen ei * · · 30 pelkästään saa aikaan hyvää sidosta kalsiumsulfaatin ja • *· : *·· lujemman isäntähiukkasen välillä, vaan estää kalsiumsul- lr» *1>(! faatin vaeltamisen pois isäntähiukkasesta, kun hemihyd- ,·’ · raatti myöhemmin rehydratoidaan takaisin dihydraatiksi (kipsiksi). Jos komposiitti on määrä muuttaa heti suoraan 35 käyttökelpoiseksi tuotteeksi, siitä voidaan vaihtoehto!- ti 100100 9 sesti erottaa suurin piirtein kaikki neste rehydraatioon tarvittavaa lukuun ottamatta, yhdistää se muihin samanlaisiin komposiittihiukkasiin halutuksi muodoksi ja tehdä sitten rehydratointi kovettuneeksi ja stabiloituneeksi 5 kipsikomposiittimassaksi.

Suuri määrä tällaisia komposiittihiukkasia muodostaa materiaalimassan, joka voidaan tiivistää, puristaa levyiksi, valaa, veistää, muovata tai muulla tavalla muotoilla haluttuun muotoon ennen lopullista kovetusta. Lo-10 pullisen kovetuksen jälkeen komposiittimateriaalia voidaan leikata, kaivertaa, sahata, porata ja työstää muulla tavalla. Lisäksi sillä on kipsin toivottu tulenkestävyys ja mitanpitävyys ynnä tiettyjä isäntähiukkasmateriaalin antamia parantuneita ominaisuuksia (erityisesti lujuus ja sit-15 keys).

Tämän keksinnön yhden edullisen suoritusmuodon mukaisesti isäntähiukkanen on puukuitu tai -lastu. Keksinnön mukainen menetelmä kipsi-puukuitukomposiittimateriaalin valmistamiseksi lähtee siitä, että sekoitetaan noin 0,5 -20 30, edullisesti 10 - 20 paino-% puukuituja jauhettuun, . . mutta kalsinoimattomaan kipsiin, joka muodostaa loppuosan • ·’ seoksesta. Kuivaseos yhdistetään riittävään määrään nes- ’ :·· tettä, edullisesti vettä, laimean lietteen muodostamisek- : .· si, joka sisältää noin 70 - 95 paino-% vettä. Liete käsi- ·.'·· 25 tellään paineastiassa riittävässä lämpötilassa kipsin *·**: muuttamiseksi kalsiumsulfaattihemihydraatiksi. On edullis- ta pitää liete jatkuvasti liikkeessä varovasti hämmentä- « mällä tai sekoittamalla mahdollisten kuitupaakkujen rik- :·. komiseksi ja kaikkien hiukkasten pitämiseksi suspendoitu- • · · #·*·t 30 neina. Kun hemihydraatti on saostunut liuoksesta ja uudel-• · · leenkiteytynyt, tuoteliete poistetaan autoklaavista ja sen • · : *·· ollessa vielä kuumaa poistetaan siitä olennainen osa ve- • · · destä, jolloin muodostuu suodatuskakku. Lietteestä poiste-.·. : taan edullisesti noin 70 - 90 % sitoutumattomasta vedestä 35 prosessin tässä vaiheessa.

100100 10

Jos komposiittimateriaalin hemihydraattitila on toivottu, suodatuskakkua pidetään korkeassa lämpötilassa, esimerkiksi suunnilleen lämpötilassa 82 °C, kunnes kaikki jäljellä oleva vapaa vesi on poistunut. Kuivattu suodatus-5 kakku murskataan sitten jauheeksi tai hiukkasmaiseksi materiaaliksi käsittelyn, varastoinnin ja uudelleenmuotoilun helpottamiseksi.

Vedenpoistossa saatu suodatuskakku voidaan vaihtoehtoisesti puristaa, muovata tai muotoilla muulla taval-10 la välittömästi ja antaa sen jäähtyä lämpötilaan, jossa kalsiumsulfaattihemihydraatti hydratoituu kipsiksi in situ ollessaan vielä puukuiduissa ja niiden ympärillä. Kun hyd-ratoituminen on mennyt loppuun, kiinteytynyt massa kuivataan edullisesti nopeasti mahdollisen jäljellä olevan va-15 paan veden poistamiseksi.

Tämän keksinnön yhden erityissuoritusmuodon mukaisesti tarjotaan käyttöön menetelmä kipsi-puukuitukompo-siittilevyn valmistamiseksi. Menetelmä kipsi- ja puukuitu-lietteen sekoittamiseksi ja autoklavoimiseksi on sama kuin 20 edellä kuvattu. Tiettyjä prosessia muuntavia tai ominai- . suuksia parantavia lisäaineita, kuten nopeuttimia, hidas- * .· timia, painoa pienentäviä täyteaineita jne., voidaan lisä- ';··* tä tuotelietteeseen, edullisesti kun se on poistettu auto- ·’ ·* klaavista ja ennen vedenpoistoa. Tuoteliete syötetään jat- 25 kuvatoimiselle huopautuskuljettimelle, kuten paperinval- *·*" mistustoimenpiteissä käytettävää tyyppiä olevalle kuljetti’: timelle, ja tehdään vedenpoisto sitoutumattoman veden poistamiseksi mahdollisimman suurelta osin. Alustavat la-ϊ*. boratoriokokemukset ovat osoittaneet, että tässä vaiheessa 30 voidaan poistaa jopa 90 % vedestä. Tuloksena oleva suoda- • · · tuskakku märkäpuristetaan sen ollessa vielä kuuma paksuu-·« *· : *· deltaan ja/tai tiheydeltään halutunlaiseksi levyksi. Jos • Il levylle on määrä antaa tietty pintarakenne tai laminoitu .·. : pintaviimeistely, tämä tapahtuisi edullisesti prosessin • · .··, 35 tämän vaiheen aikana tai sen jälkeen. Märkäpuristuksen 11 100100 11 aikana, joka tehdään edullisesti nostaen painetta asteittain tuotteen yhtenäisyyden säilyttämiseksi, tapahtuu kaksi asiaa. Vettä poistuu edelleen, esimerkiksi noin 80 -90 % jäljellä olevasta vedestä. Tämän seurauksena suoda-5 tuskakku jäähtyy edelleen. Voi silti olla vielä välttämätöntä käyttää ulkopuolista lisäjäähdytystä puristetun maton lämpötilan saattamiseksi rehydratoutumislämpötilan alapuolelle hyväksyttävässä ajassa. Kun rehydratoituminen on mennyt loppuun, levyt voidaan haluttaessa leikata ja 10 tasata reunoistaan ja syöttää kuivausuunin läpi. Kuivaus-lämpötila tulisi edulisesti pitää kyllin matalana pinnalla mahdollisesti olevan kipsin uudelleenkalsinoitumisen välttämiseksi .

Edellä mainitulla menetelmällä valmistettu kipsi-15 puukuitukomposiittilevy tarjoaa toivottavien piirteiden ja ominaisuuksien synergistisen yhdistelmän, jollaista nykyisin saatavissa olevat levyt eivät mahdollista. Se tarjoaa tavanomaiseen kipsilevyyn nähden parantuneen lujuuden, mukaan luettuna kyky vastustaa naulojen ja ruuvien ir-20 toamista. Se tarjoaa paremman tulenkestävyyden ja paremman ·.: mitanpitävyyden kosteassa ympäristössä kuin sahatavara, kuitulevy, lastulevy, puristettu pahvi tms. Lisäksi sitä .1.’ voidaan valmistaa tiheyeltään ja paksuudeltaan vaih- \ ·_’ televana. Kuten jäljempänä olevat taulukot osoittavat, tä- '· " 25 män keksinnön avulla voidaan lisäksi valmistaa komposiit- * * tilevy, jonka murtomoduuli (MOR) on kilpailukykyinen aiem- • · · V · niin kuvatuilla tekniikan tasoa vastaavilla menetelmillä valmistettujen kipsikuitulevutuotteiden kanssa; tiheys on kuitenkin pienempi, ja siksi paino on alhaisempi ja toden-.*i*. 30 näköisesti myös hinta.

Keksinnön nämä ja muut piirteet ja edut käynevät •^1* ilmeisiksi ammattimiehille seuraavasta keksinnön yksityis- l.·.* kohtaisemmasta käsittelystä, jossa viitataan liitteenä ;*·,· oleviin piirustuksiin, jotka muodostavat osan tästä seli- 35 tyksestä ja joissa: • » · 100100 12

Piirustusten lyhyt kuvaus

Kuvio 1 on kaavio tämän keksinnön yhden puolen mukaisesta menetelmästä komposiittimateriaalin muodostamiseksi; 5 kuvio 2 on kaavio tämän keksinnön yhden toisen puo len mukaisesta menetelmästä komposiittilevyn muodostamiseksi; kuvio 3 on pyyhkäisyelektronimikroskooppi(SEM-)kuva (100X) ryhmästä puukuituja; 10 kuvio 4 on SEM-kuva (100X) ryhmästä kipsi-puukuitu- komposiittihiukkasia; kuvio 5 on SEM-kuva (1000X) puukuitukimpun poikkileikkauksesta; kuvio 6 on SEM-kuva (1000X) tämän keksinnön mukai-15 sen komposiittihiukkasen poikkileikkauksesta; kuvio 7 on SEM-kuva (1000X) puukuidun pinnasta; kuvio 8 on SEM-kuva (4000X) samasta puukuidusta kuin kuvio 7 ja esittää kipsikidettä rengashuokosen aukossa; 20 kuviot 9(a), 9(b), 9(c), 9(d), 9(e) ja 9(f) ovat ·_ . SEM-kuvia (20X, 100X, 200X, 500X, 1000X ja vastaavasti * . * 1000X) teniikan tasoa vastaavalla menetelmällä valmistetun komposiittiseinälevyn poikkileikkauksesta; ja ; ·* kuviot 10(a), 10(b), 10(c), 10(d) ja 10(e) ovat *· ·: 25 SEM-kuvia (50X, 100X, 500X, 1000X ja vastaavasti 2500X) ***‘: tämän keksinnön mukaisesti valmistetun komposiittiseinäle- • · « : vvn poikkileikkauksesta.

Perusprosessi, joka esitetään kaaviona kuviossa 1, alkaa kalsinoimattoman kipsin, isäntähiukkasten (puukuitu-30 jen) ja veden sekoittamisella laimeaksi vesilietteeksi.

• · ·

Kipsilähde voi olla raakamalmi tai poistokaasujen rikin- • · • ** poiston tai fosforihappoprosessin sivutuote. Kipsin puh- ··· ‘,..· tausasteen tulisi olla suhteellisen korkea, edullisesti : vähintään noin 92 - 96 %, ja sen tulisi olla hienoksi jau- .··. 35 hettua, esimerkiksi 92 - 96 % alle 100 meshiä tai hienoja-

II

100100 13 koisempaa. Suuremmat hiukkaset saattavat pidentää muut-tamisaikaa. Kipsi voidaan syöttää joko kuivana jauheena tai vesilietteen kautta.

Selluloosakuitulähde voi olla jätepaperi, puumassa, 5 puuhiutaleet ja/tai jokin muu kasvikuitulähde. On edullista, että kuitu on huokoinen, ontto, halkaistu ja/tai kar-keapintainen, niin että sen fyskaalinen geometria tarjoaa saavutettavissa olevia välitiloja tai onttoja tiloja, jotka mahdollistavat liuenneen kalsiumsulfaatin tunkeutumi-10 sen. Joka tapauksessa lähde, esimerkiksi puumassa, saattaa tarvita myös esikäsittelyä paakkujen rikkomiseksi, liian suuren ja pienen materiaalin erottamiseksi ja joissakin tapauksissa kipsin kalsinointiin mahdollisesti haitallisesti vaikuttavien lujuutta heikentävien materiaalien 15 ja/tai epäpuhtauksien, kuten hemiselluloosien, etikkahapon jne. esiuuttamiseksi.

Jauhettua kipsiä ja puukuituja sekoitetaan yhteen sellaisessa suhteessa, että puukuitujen osuus on noin 0,5 - 30 paino-%. Vettä lisätään riittävästi, jotta saa-20 daan liete, jonka konsistenssi on noin 5-30 paino-% ·. : kiintoainetta, vaikka tähän asti kiintoainepitoisuus 5 - ’ 10 paino-% on ollut edullinen käytettävissä olevilla labo- . ratoriolaitteilla tapahtuvan työstämisen ja käsittelyn \ ·’ tehokkuuden kannalta.

’ '· 25 Liete syötetään paineastiaan, joka on varustettu ** jatkuvatoimisella hämmennys- tai sekoitusvälineellä. Ki- V ; teitä muuntavia aineita, kuten esimerkiksi orgaanisia hap poja, voidaan haluttaessa lisätä lietteeseen tässä vai-heessa kiteytymisen edistämiseksi tai hidastamiseksi tai 30 kalsinointilämpötilan alentamiseksi. Kun astia on suljet-tu, siihen suihkutetaan vesihöyryä astian sisälämpötilan • · nostamiseksi alueelle 100 - 177 °C, jolloin paine kohoaa v · *··' vastaavasti; alempi lämpötila on suunnilleen minimiarvo, :*·.:* jossa kalsiumsulfaattidihydraatti käytännössä kalsinoituu ;···. 35 hemihydraattitilaan kohtuullisessa ajassa; ylempi lämpöti- 100100 14 la on suunnilleen maksimilämpötila hemihydraatin kalsinoi-miseksi ilman tarpeetonta vaaraa siitä, että aiheutetaan kalsiumsulfaattihemihydraatin muuttuminen osittain anhyd-riitiksi. Tähän mennessä tehdyn työn perusteella autoklaa-5 vin lämpötila on edullisesti suuruusluokkaa 140 - 152 °C.

Kun lietettä käsitellään näissä olosuhteissa riittävän pitkään, esimerkiksi noin 15 min, kalsiumsulfaatti-dihydraattimolekyylistä poistuu riittävästi vettä sen muuttamiseksi hemihydraattimolekyyliksi. Liuos kostuttaa 10 hiukkaset suspendoituneina pitävän jatkuvan sekoituksen avustamana isäntäkuiduissa olevat avoimet ontot tilat ja tunkeutuu niihin. Kun saavutetaan liuoksen kyllästyspiste, hemihydraatti muodostaa kiteytymiskeskuksia ja alkaa muodostaa kiteitä onttoihin tiloihin, niiden päälle ja ympä-15 rille ja pitkin isäntäkuitujen seinämiä.

Kun dihydraatin muuttuminen hemihydraatiksi on mennyt loppuun, voidaan lisätä mahdollisia lisäaineita ja syöttää liete vedenpoistovälineelle. Vedenpoistovälineessä poistetaan jopa 90 % lietteen vedestä, jolloin jäljelle 20 jää suodatuskakku, jonka vesipitoisuus on noin 35 paino-%. ·. ; Tässä vaiheessa suodatuskakku koostuu puukuiduista, jotka ' ovat lukkiutuneet yhteen rehydratoitavissa olevien kal- .. : siumsulfaattihemihydraattikiteiden kanssa, ja se on vielä :t rikottavissa yksittäisiksi komposiittikuiduiksi tai kuitu- '· “· 25 noduuleiksi, muotoiltavissa, valettavissa tai tiivistet- « *·*’* tävissä suurempaa tiheyteen. Jos halutaan säilyttää kompo- - · ♦ V ·' siittimateriaali tässä rehydratoitavissa olevassa tilassa myöhempää käyttöä varten, on välttämätöntä kuivata se no-peasti, edullisesti suunnilleen lämpötilassa 93 °C, jäl-30 jellä olevan vapaan veden poistamiseksi ennen hydratoitu- « ..· misen alkamista.

♦ i

Vaihtoehtoisesti suodatuskakku, jolle on tehty ve-denpoisto, voidaan muotoilla suoraan tuotteen muotoon ja :\f uudelleen hydratoida sitten kiinteytyneeksi kalsiumsul- 35 faattidihydraatin ja puukuitujen komposiitista koostuvaksi il 100100 15 massaksi. Tämä toteuttamiseksi muotoillun suodatuskakun lämpötila lasketaan alemmaksi kuin noin 49 °C. Vaikka veden poistaminen suurimmaksi osaksi vedenpoiston aikana edistää merkittävästi suodatuskakun lämpötilan alenemista, 5 ulkoista lisäjäähdytystä saatetaan tarvita halutun tason saavuttamiseksi kohtuullisessa ajassa.

Lietteeseen lisätyistä nopeuttimista, hidastimista, kiteitä muuntavista aineista tai muista lisäaineista riippuen hydratonti saattaa kestää vain muutamasta minuutista 10 tuntiin tai pidempään. Sen ansiosta, että neulamaiset he-mihydraattikiteet ovat lukkiutuneina puukuitujen sisään ja suodatuskakusta poistetaan suurin osa kantajanesteestä, kalsiumsulfaatin vaeltaminen estyy, jolloin jäljelle jää homogeeninen komposiitti. Uudelleenhydratointi saa aikaan 15 hemihydraatin uudelleenkiteytymisen dihydraatiksi paikal laan ontoissa tiloissa ja niiden ympärillä ja puukuiduilla ja niiden ympärillä ja säilyttää siten komposiitin homogeenisuuden. Kiteiden kasvu myös yhdistää vierekkäisillä kuiduilla olevia kalsiumsulfaattikiteitä, jolloin muodos-20 tuu kaikilta osiltaan kiteinen massa, jonka lujuutta pa- ·, ; rantaa puukuituvahvistus.

* t ·’ Ennen kuin hydratoituminen on mennyt loppuun, on toivottavaa kuivata komposiittimassa nopeasti jäljellä \ ·’ olevan vapaan veden poistamiseksi. Hygroskooppisilla puu- I / * · 25 kuiduilla on muutoin taipumus pidättää tai jopa absorboida 100100 16 edistämät toivotut ominaisuudet. Puukuidut parantavat kip-simatriksin lujuutta, erityisesti taivutuslujuutta, kun taas kipsi toimii päällyste- ja sideaineena ja suojaa puu-kuitua, tekee tuotteesta tulenkestävän ja vähentää kosteu-5 den aiheuttamaa laajenemista.

Edellä käsitellyn kipsi-puukuitukomposiittimateri-aalin eräs erityisen sopiva käyttökohde on komposiittisei-nälevyn valmistus. Kuviossa 2 valaistaan kaavion avulla yhtä prosessia komposiittiseinälevyn valmistamiseksi.

10 Samoin kuin kuvion 1 mukaisessa perusprosessissa, syötemateriaalit koostuvat kalsinoimattomasta kipsistä, hienonnetusta selluloosakuidusta, edullisesti puukuidusta, ja vedestä. Kipsiä ja puukuituja sekoitetaan suunnilleen suhteessa 5:1 ja lisätään seos riittävään määrään vettä 15 lietteen valmistamiseksi, jonka kiintoainepitoisuus on edullisesti noin 5 - 10 %. Liete käsitellään vesihöyryau-toklaavisa edullisesti suunnilleen lämpötilassa 140 -152 °C höyrynpaineen aikaansaamassa paineessa riittävän pitkään kaiken kipsin muuttamiseksi kuitumaiseksi kalsium- 20 sulfaattihemihydraatiksi. Lietettä on edullista sekoittaa tai hämmentää jatkuvasti kuitupaakkujen rikkomiseksi ja '· · materiaalin pitämiseksi suspendoituneena muuttumisen ta- : ·,’ pahtuessa.

• V Tässäkin tapauksessa otaksutaan, että autoklavoin- • 25 titoimenpiteen aikana liennut kalsiumsulfaatti tunkeutuu ·.··· puukuiduissa oleviinionttoihintiloihin ja saostuu sitten neulamaisina hemihydraattikiteinä ontoissa tiloissa ja niiden pinnalla ja ympärillä ja puukuitujen pinnoilla. Kun muuttuminen on mennyt loppuun, lisätään halutut lisäaineet • ·· 30 ja liete syötetään vedenpoistokuljettimelle. Vettä poiste- • · · ** * taan mahdollisimman paljon tuotelietteen lämpötilan olles- • · • *.. sa vielä korkea. Vedenpoiston jälkeen ja ennen lämpötilan laskua rehydratoitumislämpötilan alapuolelle suodatuskak- / . kua märkäpuristetaan muutamia minuutteja vesipitoisuuden • « · 35 pienentämiseksi edelleen ja lopputuotteen halutun paksuu- * · n 100100 17 den ja/tai tiheyden saavuttamiseksi. Suodatuskakun lämpötila lasketaan tässäkin tapauksessa tarpeen vaatiessa ulkopuolisen jäähdytyksen avulla suunnilleen arvon 49 °C alapuolelle, niin että rehydratoituminen pääsee tapahtu-5 maan. Rehydratoituminen saa aikaan kipsin uudelleenkite-ytymisen paikallaan, lukkiutuneena fysikaalisesti puukui-tuihin. Puristettu levy kuivataan sitten nopeasti suunnilleen lämpötilassa 43 - 52 °C, edullisesti noin 49 °C. Kovetettu ja kuivattu levy voidaan leikata ja viimeistellä 10 muulla tavalla halutunlaiseksi.

Jos halutaan tehdä levylle erityinen pintaviimeis-tely, voidaan edellä esitettyä menetelmää muuntaa lisävaiheen toteuttamiseksi. On esimerkiksi helposti ajateltavissa, että ylimääräistä kuivaa jauhettua dihydraattia voi-15 täisiin lisätä autoklaavista poistettuun tuotelietteeseen, ruiskuttaa kuuman lietteen pinnalle sen ollessa levitettynä vedenpoistokuljettimelle tai sirotella muodostetulle suodatuskakulle ennen täydellisen vedenpoiston tekemistä sileämmän, vaaleamman ja/tai runsaasti kipsiä sisältävän 20 pinnan aikaansaamiseksi valmiille levylle. Suodatuskakulle voidaan antaa erityinen pintarakenne märkäpuristustoimen-'· '· piteessä levyn varustamiseksi tekstuuriviimeistelyllä.

Pintalaminaatti tai päällyste levitettäisiin todennäköi- sesti märkäpuristusvaiheen jälkeen ja mahdollisesti lopul- 25 lisen kuivauksen jälkeen. Joka tapauksessa monet menetel- ·.··· män tämän puolen lisävariaatiot lienevät ilmeisiä ammat- timiehille.

« · · Tämän menetelmän yksi odotettu lisäpiirre on se, ··. että koska tuote on suurin piirtein vedettömäksi tehty pa- * · · 30 periton levy, kuivaukseen tarvitaan merkittävästi vähemmän • · · *. energiaa kuin valmistetaessa vertailukelpoista tavanomais- • · • 1.. ta kipsilevyä.

: : Esimerkki 1 . Taulukossa I esitetyt neljä komposiittimateriaali- * # » ' ,1 35 näytettä valmistettiin tekemällä 4 eri panosajoa edellä 100100 18 kuvatulla menetelmällä. Kussakin tapauksessa syötettävä kalsinoimaton kipsi oli kipsiä, jonka hiukkasista 92 -95 % oli kooltaan alle 100 meshiä, ja syötettävät isäntä-hiukkaset olivat peräisin kuumahierremenetelmällä valmis-5 tetusta mäntymassasta.

Kaikki neljä näytettä, A, B, C ja D, puristettiin sitten levynäytteiksi. Vedenpoistokäsitellyn lietteen puristus levynäyteiden valmistamiseksi tehtiin suurentamalla asteittain paine arvoihin 331, 710, 1193, 1669, 2144 ja 10 2620 kPa 30 s:n välein. Näytettä A puristettiin kuitenkin vain 1½ min maksimipaineen ollessa 1193 kPa. Tämän seurauksena näytteen A lämpötila säilyi niin korkeana, että kuivuminen tapahtui ennen rehydratoitumista, ja näyte A koostui testattaessa pääasiassa hemihydraattimateriaalis-15 ta.

Näytteitä B, C ja D puristettiin sen sijaan täydet 3 min ja niiden annettiin sitten rehydratoitua täysin kovettuneeksi dihydraatiksi.

Tiheys- ja ja MOR-mittaukset tehtiin kahdesta kap-20 paleesta kutakin näytettä, ja taulukossa I ilmoitetaan näiden kahden mittauksen keskiarvo. Tiheys määritettiin jakamalla mitattu massa mitatulla tilavuudella, kun taas :; MOR määritettiin testimenetelmällä ASTM D1037.

• i * · · · • · • M • · · • · · ·· • · • · · • M • · · • · · • · • « • ·♦ 1 tl · « « « 19 100100 Ο"*. Ο Γ-“ O' ΙΟ

06 fl η Ό O' CO

8 a· r- ό p- o* S N O ITI « « ro"*

K I «H fH 04 O

V -N. 04 OI «O rH

js o» so r» r* o» S ä ΐ 3 co ω in o» g «*· O' ^ «h X o* o ω ·*

Q U tH OJ (N rH

0* w 9 I € •H I Jö

M ti H

C -H « M U t-> 0 3 s - s -

ί ί ί -S

►· M 3 B O O O O

K ö W MD MD Ό 10 3 *4 10 «->04 H t S 5 > 3 *H fl i m ro m

Q & «β ^ rH

£ -i

S

e «

. 1 Ή iH

S 0 Ή *-* 3 G ±4 U MD O Ό Ό MC· ro ^ <ί· ^

M* (0 Q, >w H H H H

* -3 3

M H

• * . I I

« * •S * : : : - g ~ • · « Of X S· l o 4J m ro ro 04 • · · o X m

* * * C H O' O' ^ N

*· •HIMfihCOCOO'O» * e « <0 « • β V Oi 4) *

• I

• ... O'·"» • · X Λ

0 M

... -K « • ΓΓ 3 H U * • * v i ae

3 J ί ^ ^ ^ H

,£ M 3 MD M> MD O

3 4 «H «H fH fl »-» 5 0, « .. fi ~ c ; ··· 4 ~ -0 3 • . . « * ... C 4 . <h m h * * »? * 4 I 91 • OOSroromov

·· *j M c I

·· C B M i m ro ro O'

. .. *H 0, 4 M CO CO CO CO

• M M a e ··. K K w c •«· 0 • *4 .·. : f · .* se < ω o a 100100 20

Taulukossa I esitetyt tulokset heijastavat sitä, että kipsi-puukuitukomposiittilevyä voidaan valmistaa laajalla tiheysalueella. Itse asiassa laboratoriossa on valmistettu näytteitä, joiden tiheys vaihetelee suunnilleen 5 alueella 420 - 960 kg/m3. Taulukossa I esitettyjen MOR-mit-taustulosten vertaaminen vastaaviin tiheysarvoihin tukee myös yleisesti sitä muista laboratoriokokeista tehtyä johtopäätöstä, että komposiittilevyn lujuus vaihtelee jonkin verran suhteessa tiheyteen. Ajatellaan, että näytteen C 10 alhaisemman lujuuden aiheuttajana voidaan todennäköisesti pitää vaikeuksia laimeamman lietteen käsittelyssä yksinkertaisella laboratoriolaitteistolla.

Jotta annettaisiin jonkinlaista näkökulmaa tämän keksinnön mukaisesti valmistetun komposiittilevyn ominai-15 suuksiin, näytettä B verrataan tavanomaista kipsilevyä, puukipsilevyjä ja kaupallisesti saatavissa olevia kipsi-kuituyhdistelmälevyjä edustaviin näytteisiin, joista jotkut on, taulukossa ilmoitetulla tavalla, valmistettu tämän selityksen alussa käsitellyillä tekniikan tasoa vastaavil-20 la menetelmillä. Tämän vertailun tarkoituksena on ainoas-. , taan asettaa uusi komposiittilevy yleiseen kilpailevista '· levytuotteista koostuvaan ympäristöön. Koska tietyt omi- ··'·' naisuudet voivat vaihdella, jopa tietyn levytyypin tai : näytteen sisällä, lukijalla ei tulisi olla houkutusta teh- '·.'·· 25 dä erityisen jyrkkiä johtopäätöksiä. Lopuksi mainittakoon ·.·*: että asteriskilla (*) merkittyjä tapauksia lukuun ottamat- ta kaikki taulukossa II esitetyt tulokset on saatu todel-lisistä laboratoriomittauksista. Asteriskilla merkityt poikkeukset edustavat saatavilla olevasta kirjallisuudesta • · · 30 otettuja tietoja.

• · · • · • · • · · t | il

TAULUKKO II

100100 21

Haulan ir- TulenkestSvyyu eliö- rottamisen (liekin 5 Häy- Paksuus Tiheys HOB vaatima voima leaiäais- te Kuvaus (ma) (kg/m^) (kg/a^) (kPa) (H) arvosana)

B Keksintö 20,98 721 15,150 6667 112,5 Luokka I

17 % puukuitua, (odotettu) 83 % kipsiä

10 D Kipsilevy 12.88 663 8.4174 MD 6426 13.0 Luokka I

(kipsiydin, paperipinta- kerrokset CD 2117

E Kipsiseinälevy* 15.88* 778* 12,337 MD 4633* Luokka I

15 CD 1544

F Puukuitulevy 14.05 276 3.847 3103 24.5 Luokka III

(verhous) tai luokka IV

G Tiheydeltään 12,70 794 10,092 39426 N.A Luokka III/IV

20 keskinkertainen puukuitulevy nimel linen

H Vaneri 12,70 605 7,168 29780 Luokka III

25 (nimel linen)

. 4 I Tekniikan tasoa 12,85 1120 14,418 7950 142-445 Luokka I

*, ** vastaava mene-

• · · telmä C

, , . 30 (Stukkokipsi/ • «* puulastut) '/·/l J Tekniikan tasoa 6,20 1126 6,997 N, A. 222-267 N. A.

• vastaava mene- 12.12** 948 10,785 N.A. 178-250 • «««

# telmä B

• ·* ΛΓ l * · JJ (paperikuitu/ stukkokipsi) • · : K Tekniikan tasoa 12.67 1209 15.360 1062 187-311 N.A.

··· vastaava mene- • · ·

* 40 telmä A

·*« (paperi/stukko- « ·· kipsi) 4 « I v , MD * konesuunta ·. ·: 45 CD * poikittaissuunta * * ** * sisältää periliittiä 100100 22

Taulukon II sisältämistä tuloksista voidaan tehdä tiettyjä yleisiä havaintoja. Erityisesti huomautettakoon, että vertaamalla tiheyttä ja MOR-arvoa todetaan, että uudella kipsi-puukuitukomposiittilevyllä voidaan saada ai-5 kaan rakennusteollisuudessa hyväksyttävällä alueella oleva MOR pienemmillä tiheyksillä kuin kilpailevien kipsi-kuitu-levyjen ollessa kyseessä. On myös havaittavissa, että uudella komposiittilevyllä saadaan aikaan hyvä tulenkesto-luokka (luokka I on hyvintodennäköinen), mihin puukuitule-10 vyt eivät pysty, ja samalla yhtenäisesti jakautunut korkea lujuus kaikissa suunnissa ja erityisesti suurempi kestävyys naulan irtoamista vastaan kuin tavanomaisella luokan I kipsilevyllä.

Odotetaan, että uudella komposiittilevyllä on kus-15 tannusetuja sen kanssa voimakkaimmin kilpaileviin tuotteisiin nähden, vaikka tämä ei heijastukaan taulukossa II esitetyissä tuloksissa. Vaikka sen odotetaan olevan kalliimpaa kuin suhteallisen halpa kipsilevy ja halvempaa kuin puukuitulevyt, odotetaan sen myös olevan halvempaa 20 valmistaa kuin muut kipsi-kuituyhdistelmälevyt.

. . Esimerkki II

’ Pyyhkäisyelektronimikroskooppi(SEM-)kuvat (kuviot 3 - 10) esitetään tämän keksinnön mukaisesti valmistetun ·* ·* ainutlaatuisen komposiitin selvästi erottuvien vaikutusten 25 osoittamiseksi.

Kuvio 3 esittää pientä rykelmää tai kimppua paljaita :J : puukuituja, jotka ovat tyyppiä, jota käytetään isäntä- hiukkasena uutta kompsiittimateriaalia edustavissa näyt-teissä. Katsoja havainnee näiden puukuitujen korkean pi-3 0 tuuden ja läpimitan välisen suhteen ja epäsäännöllisen • · · geometrian. Tämä tekee niistä edullisia isäntähiukkaseh- • · • · ϊ ** dokkaita.

♦ · ·

Kuviossa 4 näkyy samanlainen kimppu samantyyppisiä .·. : puukuituja, sen jälkeen kun ne on yhdistetty kipsiin kek- • I « , il 100100 23 sinnön mukaisella menetelmällä. Kuidut näyttävät suuremmilta ja suurin piirtein tasaisesti kipsin peittämiltä.

Kuvio 5 esitää eristettyä kimppua puukutuja, jotka ovat samaa tyyppiä kuin kuviossa 3, suurennettuna poikki-5 leikkauskuvana. Tämä valokuva osoittaa, että puukuitu tai isäntähiukkanen, siinä merkityksessä kuin termiä käytetään tässä yhteydessä, on usein todellisuudessa joukko toisinsa sitoutuneita yksittäisiä onttoja kuituja. Tässä kuvassa puukuitua (kimppua) on puristettu jonkin verran. Kuvassa 10 näkyvät kuitenkin tällaisten hiukkasten sisältämät tyypilliset tyhjät ontot ytimet tai tilat.

Kuvio 6 on samanlainen suurennettu poikkileikkauskuva isäntäpuukuidusta, joka on käynyt läpi tämän keksinnön mukaisen prosessin. Tästä kuvasta on helppo nähdä 15 neulamaiset kipsikiteet, joita on kasvanut yksittäisten kuitujen onttoihin ytimiin samoin kuin isäntähiukkasen päiden ja ulkopinnan ympärille.

Kuvio esittää isäntäpuukuidun pintaa ja siinä olevia muutamia pintahuokosia tai tyhjiä tiloja sekä muutamia 20 erillisiä hemihydraattikiteitä. Huomaa erityisesti neula-. . mainen kide, joka on merkitty kirjaimella "X", jonka osoi- • ; tetaan isommalla suurenussuhteella otetussa kuvassa (kuvio 8) kasvavan ulospäin yhdestä isäntäkuidussa olevasta huo-: .·’ kosesta.

25 Tämän keksinnön mukaisesti valmistetun homogeenisen *.**: komposiittimateriaalin vertaamiseksi tekniikan tasoa vas- taavilla kipsi-kuitulevymenetelmillä saatuihin heterogee- m nisemmin sekoittuneisiin materiaaleihin kuviot 9(a) - 9(f) edustavat sarjaa valokuvia (otettu kasvavalla suurennus- * «· ,···β 30 suhteella) tekniikan tasoa vastaavalla menetelmällä C vai- • · · mistetun levyn poikkileikkauksesta. Vertaamista varten • · ; kuviot 10(a) - 10(f) ovat sarja valokuvia (otettu kasva- • · · valla suurennussuhteella) tämän keksinnön mukaisen kompo-.·. ; siittimateriaalin poikkileikkauksesta.

35 Katsottaessa kuviota 9(a) puulastut näkyvät aivan erillään ympäröivästä kipsimassasta. Katsottaessa seuraa- 100100 24 vaksi kuviota 9(b) kipsi näyttää olevan amorfista massaa, johon puulastu on hautautunut täyteainehiukkasen tavoin. Katsottaessa kuvioita 9(c) - 9(f) edeten kuviosta seuraa-vaan katse kohdistuu tiettyyn puulastuun, joka on merkitty 5 kirjaimella "Y" kuviossa 9(b). Tehtäessä näin käy yhä ilmeisemmäksi, että kipsimassa on erillään siihen hautautuneesta puulastusta. Lopuksi, viitaten erityisesti kuvioon 9(f), havaitaan kipsin poissolo puulastun avoimista soluista .

10 Tarkasteltaessa nyt kuvioita 10(a) ja 10(b) on tämän uuden komposiittimateriaalin homogeenisempi luonne ilmeinen; tunnistettavissa olevat kipsikiteet ovat kerääntyneet eri puukuitujen ympärille ja kiinnittyneet niihin. Katsottaessa kuvioita 10(c) - 10 (e) peräkkäin katse koh-15 distuu pariin puukuituun ja lukuisiin kipsikiteisiin, joita on muodostunut näiden puukuitujen päiden pinnalle ja ympärille samoin kuin onton ytimen sisään.

Kuten nämä valokuvat osoittavat selvästi, käsiteltäessä kipsi ja puukuidut tämän keksinnön mukaisesti kal-20 sinoimalla kipsi laimeassa lietteessä paineen alaisena puukuitujen läsnä ollessa ja poistamalla vesi olennaisilta • 4 ’· ': osiltaan lietteestä ennen kipsin rehydratointia voidaan kipsi uudelleenkiteyttää puukuiduissa olevissa ontoissa • V tiloissa ja niiden ympärillä ja lukita yhteen kuitujen i/.j 25 kanssa, jolloin saadaan synergistinen komposiitti, jolla on hyödyllisiä etuja. Tuloksena olevan komposiittimateri-.*·*. aalin on osoitettu tarjoavan erityisetuja seinälevykäytös- sä.

Vaikka keksintöä on käsitelty sitä valaisevien eri- * · · *... 3 0 tyissuoritusmuotojen yhteydessä, muita suoritusmuotoja, * i i * · · muunnoksia, variaatioita ja komposiittimateriaalin ja sen • · « valmistusmenetelmän parannuksia samoin kuin tuloksena ole- van materiaalin muita suotuisia käyttötarkoituksia tulee .' . epäilemättä ammattmiesten mieleen heidän tutustuttuaan 35 tähän keksintöön, jota koskevat patenttivaatimukset esite- ···' tään seuraavaksi.

Il

Claims (20)

100100

1. Komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että se käsittää lujitemateriaalia olevan isäntähiukkasen, 5 jonka pinnalla ja/tai rakenteen osassa on tyhjiä tiloja; ja kalsiumsulfaatti-a-hemihydraattikiteitä, joista ainakin osa on muodostunut in situ isäntähiukkasessa olevissa tyhjissä tiloissa ja niiden ympärille, jolloin muodostuu isäntähiukkasen kanssa fysikaalisesti yhteenlukkiutunut 10 kalsiumsulfaattikidematriisi.

2. Komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että se käsittää lujitemateriaalia olevan isäntähiukkasen, jonka pinnalla tai rakenteen osassa on tyhjiä tiloja; ja kalsiumsulfaattidihydraattikiteitä, joista ainakin osa on 15 muodostunut in situ isäntähiukkasessa olevissa tyhjissä tiloissa ja niiden ympärille, jolloin muodostuu isäntähiukkasen kanssa fysikaalisesti yhteenlukkiutunut kalsiumsulf aattikidematriisi .

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kompsiitti- 20 materiaali, tunnettu siitä, että isäntähiukkanen . , on lastun, hiutaleen tai kuidun muodossa, joka edullisesti • I on lignoselluloosamateriaalia, kuten puukuitu.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen ·' komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että kal- ‘.'•j 25 siumsulfaattikiteet ovat neulamaisia kiteitä.

*·**· 5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen * Γ: komposiittimateriaali, tunnettu siitä, että isän- tähiukkaset muodostavat noin 0,5 - 30 paino-% komposiitti- ;·. materiaalista. * ··

6. Kipsi-puukuitukomposiittiseinälevy, t u n - • · · n e t t u siitä, että se käsittää yhteenkietoutuneista • · ? ·· komposiittihiukkasista koostuvan tiivistetyn massan, joi- *«i loin kukin hiukkanen koostuu isäntäpuukuidusta ja kipsis-.·. : tä, joka on uudelleenhydratoitujen, neulamaisten oc-hemi- .···. 35 hydraattikiteiden muodossa, jotka ovat muodostuneet puu- 100100 kuidun pinnalla tai rakenteessa oleviin tyhjiin tiloihin tai niiden päälle tai ympärille, niin että ne lukkiutuvat fysikaalisesti yhteen kuidun kanssa.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kipsi-puukuitukom-5 posiittiseinälevy, tunnettu siitä, että tiivistetyn massan tiheys on suuruusluokkaa 640 - 800 kg/m3.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kipsi-puukuitukom-posiittiseinälevy, tunnettu siitä, että se sisältää noin 10 - 20 paino-% puukuitua.

9. Menetelmä komposiittimateriaalin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että kipsiä kalsinoidaan käyttäen korotettua lämpötilaa ja korotettua painetta nestemäisessä väliaineessa, joka edistää neulamaisten kalsiumsulfaatti-α-hemihydraattikiteiden kasvua ja johon on suspendoitu 15 suuri määrä isäntähiukkasia, jolloin jokaisen hiukkasen pinnalla tai sen sisällä on tyhjiä tiloja, joihin väliaine voi tukeutua.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekoitetaan jauhettua kipsiä 20 lujitemateriaalia olevien isäntähiukkasten ja riittävän . t nestemäärän kanssa niin, että saadaan laimea liete, joka i * · sisältää vähintään noin 70 paino-% nestettä; kalsinoidaan ' kipsi isäntähiukkasten läsnä ollessa kuumentamalla laimeaa ' .· lietettä paineen alaisena, jolloin muodostuu neulamaisia V j 25 kalsiumsulfaatti-a-hemihydraattikiteitä; ja erotetaan pää-.**: osa nesteestä kalsinoidusta kipsistä ja isäntähiukkasista *'·1; ennen hemihydraatin uudelleenhydratointia takaisin kipsik si .

;·. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, • ·» *.i 30 tunnettu siitä, että lisäksi sekoitetaan lietettä • · « • · · *. jatkuvasti kipsin kalsinoinnin ja hemihydraattikiteiden i ’»· muodostumisen aikana, edullisesti kuumentaen lietettä pai- »n neen alaisena kunnes kipsin kalsinointi on oleellisesti ; täydellinen. r r 4 · « II 100100

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jauhettua kipsiä ja suuri määrä isäntähiukkasia sekoitetaan yhdessä riittävän vesimäärän kanssa lietteen muodostamiseksi, jolloin isäntä-5 hiukkaset ovat pääasiallisesti liukenemattomia veteen, mutta niiden pinnalla ja/tai rakenteen sisällä on tyhjiä tiloja, joihin suspendoitua ja/tai liuennutta kipsiä sisältävä lieteväliaine voi tunkeutua, jolloin liete on riittävän laimeaa isäntähiukkasissa olevien tyhjien tilo-10 jen kostuttamiseksi lieteväliaineella ja edistämään neula-maisten kalsiumsulfaatti-a-hemihydraattikiteiden kasvua kuumennettaessa paineessa; lietettä kuumennetaan paineen alaisena lämpötilaan, joka on riittävä kipsin kalsinoimi-seksi kalsiumsulfaattia-a-hemihydraatiksi; liete pidetään 15 korotetussa lämpötilassa ja paineen alaisena ja annetaan kalsiumsulfaattimolekyylien muodostaa kiteytymiskeskuksia ja kiteitä in situ isäntähiukkasissa oleviin tyhjiin tiloihin ja niiden ympärille; paine lasketaan pois ja poistetaan vettä kuumasta lietteestä; ja kuivataan kiintoaine, 20 josta on poistettu vettä, oleellisesti kaiken jäljellä . olevan vapaan veden poistamiseksi kalsiumsulfaattikiteiden 'ollessa vielä lukkiutuneina fysikaalisesti yhteen isäntä-hiukkasten kanssa.

; ·’ 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä ·.’·· 25 tunnettu siitä, että lisäksi pidetään lietteen ja *«**ϊ vedenpoistokäsitellyn kiintoaineen lämpötila korkeampana kuin lämpötila, jossa kalsiumsulfaattihemihydraatti uudel-leenhydratoituu kalsiumsulfaattidihydraatiksi, kunnes ;·. oleellisesti kaikki ylimääräinen vapaa vesi on poistettu 30 vedenpoistolla ja kuivauksella, jolloin lietteen lämpötila * · · pidetään edullisesti korkeampana kuin noin 93 °C, kunnes • » ϊ ** siitä on poistettu vesi ja se on kuivattu oleellisesti • · · kokonaan. 1 • 1 | 100100

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se sisältää lisäksi vaiheen, jossa vedenpoistokäsitelty kiintoaine jäähdytetään lämpötilaan, joka on alempi kuin lämpötila, jossa hemihydraat- 5 tikiteet uudelleenhydratoituvat kalsiumsulfaattidihydraa-tiksi, ja annetaan mainitunlaisen uudelleenhydratoitumisen tapahtua ennen vedenpoistokäsitellyn massan kuivaamista jäljellä olevan vapaan veden poistamiseksi.

15. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, 10 tunnettu siitä, että se sisältää lisäksi vaiheen, jossa poistetaan vettä kuumasta lietteestä suodatuskakun muodostamiseksi, märkäpuristetaan sitten suodatuskakku ja annetaan suodatuskakun lämpötilan laskea ennen sen kuivaamista alemmaksi kuin lämpötila, jossa kalsiumsulfaatti-15 hemihydraatti uudelleenhydratoituu kipsikiteiksi.

16. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se sisältää lisäksi vaiheen, jossa muodostetaan matto kuumasta lietteestä ja, kun matosta on poistettu vesi oleellisesti kokonaan, märkäpuris- 20 tetaan matto materiaalin kokoonpuristamiseksi pienempään •t ; paksuuteen ja/tai suurempaan tiheyteen, jolloin edullises- ti lisäksi annetaan kokoonpuristetun materiaalin lämpöti- • · t .. ; lan laskea alemmaksi kuin lämpötila, jossa kalsiumsulfaat- ··' ti uudelleenhydratoituu kipsiksi, ja annetaan mainitunlai- 25 sen hydratoitumisen jatkua, kunnes isäntähiukkasten kanssa ***** fysikaalisesti yhteenlukkiutunet kipsikiteet liittyvät * »· · yhteen samanlaisten kiteiden kanssa, jolloin muodostuu yhtenäinen homogeeninen massa, ja kuivataan massa sitten jäljellä olevan vapaan veden poistamiseksi. .*:*. 30

17. Menetelmä levyn valmistamiseksi komposiitti- materiaalista, tunnettu siitä, että jauhettua • » ; ** kipsiä ja isäntähiukkasia sekoitetaan yhdessä riittävän • · · ’...· vesimäärän kanssa lietteen muodostamiseksi, jolloin jokai- : sen hiukkasen pinnalla tai sen sisällä on tyhjiä tiloja, .. 35 joihin suspendoitua ja/tai liuennutta kipsiä sisältävä II 100100 lieteväliaine voi tunkeutua, jolloin liete on riittävän laimeaa isäntähiukkasissa olevien tyhjien tilojen kostut-tamiseksi oleellisesti kokonaan ja edistämään kalsiumsul-faatti-a-hemihydraattikiteiden muodostumista kuumennetta-5 essa paineen alaisena; kuumennetaan liete paineastiassa jatkuvasti sekoittaen riittävään lämpötilaan kipsin kaisi-noimiseksi kalsiumsulfaatti-a-hemihydraatiksi ja pidetään liete mainitunlaisessa lämpötilassa, kunnes ainakin osa kalsiumsulfaatti-a-hemihydraatista on oleellisesti kitey-10 tynyt isäntähiukkasissa oleviin tyhjiin tiloihin ja niiden ympärille; syötetään kuuma liete tasaiselle huokoiselle muodostuspinnalle ja poistetaan siitä olennainen osa vedestä, jolloin muodostuu suodatuskakku; puristetaan suoda-tuskakku levyn muodostamiseksi ja veden poistamiseksi sii-15 tä edelleen ennen levyn lämpötilan laskemista alemmaksi kuin lämpötila, jossa kalsiumsulfaattihemihydraatti uudel-leenhydratoituu kipsiksi; jäähdytetään levy uudelleenhyd-ratoitumislämpötilan alapuolelle ja annetaan kalsiumsul-faattihemihydraatin uudelleenhydratoitua kipsiksi; ja kui-20 vataan levy jäljellä olevan vapaan veden poistamiseksi.

. 18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että isäntähiukkaset ovat puukui- • * I tuja, ja että edullisesti lietteen kiintoaine sisältää : ·' noin 10 - 20 paino-% puukuituja. ·. ·:’ 25

19. Patenttivaatimuksen 17 mukainen menetelmä, * *·**ί tunnettu siitä, että laimea liete sisältää vähin- : tään noin 40 - 95 paino-% vettä, edullisesti noin 70 - 95 paino-% vettä, ja että edullisesti liete kuumennetaan paineastiassa lämpötilaan, joka on noin 141 - 152 °C.

20. Jonkin patenttivaatimuksen 17 - 19 mukainen me- • · · netelmä, tunnettu siitä, että kuuman lietteen läm- • · : ** pötila pidetään korkeampana kuin noin 93 °C, kunnes siitä on poistettu vesi oleellisesti kokonaan ja se on märkäpu-.·. : ristettu levyksi, ja että edullisesti kuumaa suodatuskak- .··, 35 kua puristamalla muodostettu levy jäähdytetään ennen lo- 100100 pullista kuivaamistaan noin 49 °C olevaan lämpötilaan kal-siumsulfaattihemihydraatin uudelleenhydratoitumisen aikaansaamiseksi, ja että edullisesti suodatuskakku, jolle on tehty vedenpoisto, puristetaan levyksi, jonka tiheys 5 hydratoitumisen ja kuivauksen jälkeen on 640 - 800 kg/m3. I | • I • «·· « · • M • · · • · · ·'· • · • «t m • · · • · 1 • · « ·· • · • ·· II · · i : • I I 100100