FI97034C - Selluloosakuituaggregaatteja ja menetelmä niiden valmistamiseksi - Google Patents

Description

97034

Selluloosakuituaggregaatteja ja menetelmä niiden valmistamiseksi Käsiteltävänä oleva keksintö koskee selluloosakui-5 tuaggregaattia, erityisesti kevytpuuaggregaattia, ja menetelmää sen valmistamiseksi.

Tässä patenttiselityksessä käytetyillä sanonnoilla "kevytpuu" ja "raskaspuu" tarkoitetaan puuta, jonka tiheys on suhteellisen pieni ja vastaavasti suhteellisen suuri. 10 Sanonnalla ei välttämättä tarkoiteta samaa kuin sanonnoilla "havupuu" ja "lehtipuu". Ammattimies tietää, että jälkimmäiset sanonnat tarkoittavat neulaslehtistä ja vastaavasti lehtensä varistavista puista saatavaa puuta.

Täyspuutuotteet valmistetaan perinteisesti leik-15 kaarnalla, esim. sahaamalla halutun pituisiksi katkotuista puista kappaleita siten, että syntyy erilaisia neliön ja suorakaiteen muotoisia kappaleita. Siten lopputuotteen fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet ovat suoraan verrannollisia lähtöaineksen ominaisuuksiin. Yllä mainitun 20 leikkausvaiheen taloudelliset ja tekniset vaatimukset ovat sellaiset, että tarvitaan puun osia, joiden minimi-halkaisija on suunnilleen 20 cm. Lisäksi puutuotteilla jotka muodostuvat suhteellisen suuren tiheyden omaavasta raskaspuusta kuten trikistä ja mahongista, on erinomaisten 25 fysikaalisten ja mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta suurin taloudellinen arvo ja niiden kysyntä on suuri. Mutta tällaiset puut ovat yleensä hidaskasvuisia ja ne tarvitsevat useita vuosia haluttujen mittojen saavuttamiseksi. Toisaalta monilla puulajeilla, joista saadaan suhteel-30 lisen pienen tiheyden omaavaa kevytpuuta ja jotka tosin ovat nopeakasvuisempia kuin yllä mainitut puut, on suhteellisen huonoja mekaanisia ominaisuuksia. Niillä on vain rajoitettu loppukäyttö ja kaupallinenkin arvo on pieni.

Lisäksi puiden osilla, joiden halkaisija on alle n. 35 20 cm, on vain rajallinen käyttö yllä mainituissa leik- 2 97034 kausprosesseissa ja osilla, joiden halkaisija on alle n. 15 cm, ei ole käytännöllisesti katsoen lainkaan käyttöä tällaisissa prosesseissa.

Niinpä voitaisiin saavuttaa huomattavia etuja sekä 5 kustannusten että ajan suhteen keksimällä menetelmä, jolla on puun osat, joiden läpimitta on suhteellisen pieni, voitaisiin muuttaa suurempikokoisiksi aggregaateiksi. Tällainen menetelmä olisi erittäin edullinen, jos aggregaatti-tuotteen mekaanisia ominaisuuksia voitaisiin parantaa ver-10 rattuna lähtöaineiden ominaisuuksiin.

Tämän ongelman aikaisemmat lähestymistavat ovat suureksi osaksi perustuneet hyvin pienien puupalojen, esim. hakepalojen, säikeiden, hiukkasten ja lastujen yhdistämiseen sitomalla ne esim. synteettisillä liimoilla. 15 Näillä menetelmillä valmistetut tuotteet, esim. lastulevy ja kuitulevy, ovat kaupan. Mutta tällaisten tuotteiden lujuus riippuu suuresti kulloinkin käytetyn sideaineen lujuudesta.

Lisäksi on esitetty useita menetelmiä, jotka perus-20 tuvat hyvin pienien puupalojen yhdistämiseen lisäämättä sideainetta. Esim. GB-patentissa 959 375 julkistetaan menetelmä kovalevyjen, kuitulevyjen ja vastaavien valmistamiseksi, jossa hajotetaan kumipuuta, käsitellään hajotettua puuta kiehuvalla vedellä tai höyryllä, jolloin muo-. 25 dostuu kuitumassa, ja puristetaan massa halutuiksi levyik si. GB-patentissa 997 798 julkistetaan märkämenetelmä valettujen artikkelien valmistamiseksi selluloosapitoisista kuituaineksista, jolloin koko kuituaines, jossa kuitujen pituus on 40 mm:iin saakka, hajotetaan auki, vesi pois-30 tetaan paineessa muoteissa ja muodostuneen seoksen annetaan kuivua paineessa halutuksi tuotteeksi. GB-patentissa 1 126 493 julkistetaan menetelmä levymäisten tuotteiden valmistamiseksi sokeriruo'osta, jossa sokeriruokovarsi avataan pituussuunnassa vahingoittamatta kuorta, pois-

II

3 97034 tetaan ydin kuoresta ja annetaan lämmön ja paineen vaikuttaa kuoreen.

Lisäksi on esitetty useita menetelmäehdotuksia puumassan, hienonnetun puunkuoren, puuhakkeen ja/tai puulas-5 tujen käsittelemiseksi antamalla veden, lämmön ja paineen vaikuttaa niihin ja saadaan arkkimateriaalia ja/tai valettuja tuotteita. Tällaisia ehdotuksia on julkistettu GB-patenteissa 27 048 (1913), 659 559, 811 533, 663 034 ja 644 503. Mutta mikään yllä mainituista ehdotuksista ei 10 kohdistu menetelmään, joka on sovellettavissa puiden osien yhdistämiseen, joiden halkaisija on suhteellisen pieni, tai kevytpuukappaleiden yhdistämiseen. Kaikissa ehdotuksissa kuitumainen lähtöaines leikataan tai jauhetaan, jolloin lähtöainekselle ominainen lujuus, joka johtuu pitkien 15 selluloosakuitujen muodostamasta verkosta, tuhoutuu.

Nyt on mitä yllättävimmällä tavalla havaittu, että on mahdollista muodostaa selluloosakuituaggregaatti sel-luloosakuitumateriaaliosista niitä paloittelemalla menettämättä lähtömateriaalin pituussuuntaisille selluloosakui-20 duille ominaista mekaanista lujuutta.

Niinpä esillä olevan keksinnön tarkoituksena on ensisijaisesti saada aikaan selluloosakuituaggregaatti, joka on muodostettu selluloosakuitumateriaalin kappaleista menetelmän avulla, jolle on tunnusomaista se, että sen muo-25 dostavat pehmitysvaihe, jossa useita selluloosakuitumate riaalin kappaleita pehmitetään vesipitoisen pehmitysaineen vaikutuksesta kohotetussa lämpötilassa, jolloin selluloosakuitumateriaalin selluloosasilloitus pilkkoutuu ainakin osittain, puristusvaihe, jossa selluloosakuitumateriaalin 30 pehmitetyt kappaleet puristetaan kokoon puristetuksi matriisiksi, ja lujitusvaihe, jossa vesi poistetaan puristetusta matriisista ja matriisi lujitetaan lujitetuksi matriisiksi .

Sanonnalla "kappale" käytettynä lähtömateriaalista 35 menetelmässä, jolla valmistetaan esillä olevan keksinnön 4 97034 mukaista aggregaattia, tarkoitetaan selluloosakuitumateri-aalin osaa, jonka pituus on esim. vähintään 20 cm ja poikkipinta-alan halkaisija esim. vähintään 5 mm. Tällaiset kappaleet on erotettava tekniikan tason yllä käsiteltyjen 5 ehdotusten massasta, jauheesta, lastuista tai hakkeesta.

Käsiteltävänä olevan keksinnön aggregaatin etuna on se, että se voidaan muodostaa selluloosakuitumateriaalin useista kooltaan pienemmistä kappaleista. Niinpä aggregaatti on erityisen edullinen, koska se voidaan muodostaa 10 puiden osista kuten ohuista oksista ja/tai materiaalista, joka jää jäljelle puiden suurien osien lankuiksi ja parruiksi työstön jälkeen ja joka on liian pienikokoista täyspuutuotteiden valmistamiseksi. Tällaista materiaalia kutsutaan yleensä jätemateriaaliksi. Käsiteltävänä olevan 15 keksinnön aggregaatin lisäetuna on mitä yllättävimmällä tavalla se, että se voidaan muodostaa suhteellisen pienen tiheyden omaavan materiaalin kappaleista, esim. kevytpuus-ta, jonka mekaaniset ominaisuudet kuten jäykkyys ovat suhteellisen huonoja. Tästä huolimatta itse aggregaatin me-20 kaaniset ominaisuudet ovat paljon parempia kuin tällaisen kevytpuun ominaisuudet.

Käsiteltävänä olevan keksinnön aggregaatti voidaan muodostaa mistä tahansa materiaalista, joka sisältää pitkiä selluloosakuituja. Aggregaatti voidaan siten muodostaa 25 sekä kevyt- että raskaspuun osista, yksivuotisista kuitukasveista kuten puuvillasta, juutista, kenafista, oljista ja hampusta, kuitujätteistä, joita muodostuu työstettäessä viljelykasveja kuten ruokosokeria (bagassi), ruokokasveis-ta ja ruohokasveista, esim. elefanttiruohosta. Puusta muo-30 dostettu aggregaatti on erityisen edullinen. Puun lähteinä voivat olla esim. istutusten harvennuspuut, puiden oksat ja rungot, erityisesti sellaiset, joiden läpimitta on niin pieni, että niillä on vain rajallinen loppukäyttö, vaneri-viilun sorvauksessa jätteeksi jäävät ydinpuurullat, saha-35 tavarakappaleet ja jätemateriaali, joka syntyy työstettä-

II

5 97034 essä puiden suuria osia parruiksi ja lankuiksi, erityisesti manto- eli pintapuu, joka on puun nuorinta kasvua ja hylätään usein jätteenä. Kuten yllä mainittiin, aggregaatin merkitsevin etu saavutetaan muodostamalla se kevytpuu-5 kappaleista, jotka saadaan usein nopeasti kasvavista puista, jolloin tuloksena on puun mekaanisten ominaisuuksien merkitsevä paraneminen. Tällaista puuta tuottavien puulajien esimerkkejä ovat kuusi, poppeli, paju, pyökki, mänty ja eukalyptus.

10 Tämän keksinnön aggregaatin erityisen edullinen muoto on kerrosaggregaatti, joka muodostuu useista lujitetun matriisin kerroksista, jotka on liitetty yhteen liima-yhdisteellä.

Joskin kerrosaggregaattiin sisältyvän kerroksen 15 kuidut voivat muodostaa minkä tahansa kulman viereisen kerroksen (kerrosten) kuitujen kanssa, on eduksi, että kerroksen kuidut muodostavat keskimäärin joko olennaisesti suoran kulman viereisen kerroksen (kerrosten) kuitujen kanssa tai keskimääräinen kuitusuunta jokaisessa kerrok-20 sessa on olennaisesti sama eli kuidut ovat yhdensuuntaisia .

Kun kerrosaggregaatin yksittäisten kerrosten kuidut muodostavat suoran kulman viereisen kerroksen (kerrosten) kuitujen kanssa, kerrosten lukumäärä on yleensä vähintään 25 kolme.

Kerrosaggregaatin tiheys vastaa enemmän tai vähemmän perustana olevasta lujitetusta matriisista muodostuvien yksittäisten kerrosten tiheyttä. Tämä tiheys voi vaihdella menetelmän alkuperäisen lähtömateriaalin tihey-30 destä tiheyteen, joka on yli 2,5-kertaa suurempi kuin mainitun lähtömateriaalin tiheys. Kerrosaggregaatin mekaaniset suorituskykyominaisuudet eivät suhteudu vain yksittäisten kerrosten vastaaviin ominaisuuksiin, vaan lisäksi myös kerrosten lukumäärään ja kuitusuuntaan kerroksessa 35 suhteessa viereisen kerroksen (kerrosten) kuitusuuntaan.

6 97034

Liiman tyyppi, joka yhdistää yksittäiset kerrokset kerrosaggregaatiksi, ei ole kriittinen ja liimana voi olla mikä tahansa liimayhdiste, jolla on riittävä affiniteetti lujitetun matriisin hiilihydraattirakenteisiin siten, että 5 yksittäisten kerrosten välille syntyy riittävän vahva sidos. Tällaisina liimayhdisteinä voivat olla fysikaalisesti ja kemiallisesti reagoivat yhdisteet. Fysikaalisesti reagoivista liimayhdisteistä esimerkkejä ovat eläin-, kasvi-tai mineraaliperäisten lisäksi synteettiset polymeerilii-10 mayhdisteet. Käsiteltävänä olevassa kerrosaggregaatissa liimana edullisesti käytettäviä polymeeriyhdisteitä ovat lineaariset sekapolymeerit, joiden rakenteessa vuorottele-vat vähintään yksi olefiinisesti tyydyttymätön yhdiste ja hiilimonoksidi, esim. etyyli-hiilimonoksidisekapolymeerit 15 ja etyleeni-propyleeni-hiilimonoksiditerpolymeerit. Täl laiset polymeerit ovat sinänsä tunnettuja, ks. esim. EP-A 121 965, EP-A 213 671, EP-A 229 408 ja US-A 3 913 391; näistä viitteistä tunnetaan myös menetelmät niiden valmistamiseksi sekapolymeroimalla katalyyttisesti. Sopivien 20 kemiallisesti reagoivien liimojen esimerkkejä ovat fenoli- formaldehydi-, urea-formaldehydi-, polyuretaani- ja epok-sihartsipohjäiset systeemit. Kerrosaggregaatin sisältämän liiman tai liimasysteemin tyyppi määräytyy mm. tällaiseen aggregaattiin kohdistuvista erityisvaatimuksista. Jos ag-25 gregaattia on esim. käytettävä kosteassa ympräristössä tai kosketuksessa veden kanssa, on eduksi, että yhdistelmä sisältää vedenkestävää liimaa, ja jos aggregaatteihin kohdistuu suhteellisen korkeita lämpötiloja, liiman on oltava riittävän stabiili ko. olosuhteissa ja se ei saa esim. 30 hajota ja/tai sulaa.

Joskin kerrosaggregaatit pohjautuvat yleensä lujitetusta selluloosamateriaalista valmistettuihin, enemmän tai vähemmän samanpaksuisiin kerroksiin, voidaan myös valmistaa kerrosaggregaatteja, joissa yhden tai useamman ker-35 roksen paksuus voi erota toisen kerroksen (kerrosten) pak- * II; 7 97034 suudesta. Eri kerrosten paksuus, jotka kerrokset muodostavat yhdessä aggregaatin, on yleensä sama. Mutta määrätyissä sovellutuksissa saattaa olla eduksi, että käsiteltävänä olevan keksinnön kerrosaggregaatit sisältävät yhden 5 tai useamman kerroksen, joiden tiheys eroaa muiden kerrosten tiheydestä, esim. siten, että kerrosaggregaatissa on kaksi ulkokerrosta, joiden tiheys on suurempi kuin mainittujen ulkokerrosten välisen kerroksen tiheys.

Joskin kerrosaggregaatit pohjautuvat yleensä taso-10 kerroksiin, joissakin käytöissä voidaan tarvita aggregaat teja, joissa kerrokset poikkeavat tavanomaisesta tasomuo-dosta. Näitä aggregaatteja kutsutaan seuraavassa ei-taso-aggregaateiksi . Näissä ei-tasoaggregaateissa eri kerrosten keskimääräinen kuitusuunta on edullisesti olennaisesti 15 sama.

Yllä kuvatun kerrosaggregaatin perustyypin lisä-muunnos muodostuu aggregaateista, joissa toinen tai molemmat pinnat on profiloitu. Tämä profilointi voi rajoittua ulkokerrokseen tai se voi ulottua yhteen tai useampaan 20 viereiseen kerrokseen aggregaateissa.

Käsiteltävänä olevan keksinnön kerrosaggregaatit voidaan haluttaessa esim. pinnoittaa hiekalla ja/tai varustaa suoja- tai koristepinnoitteella, mikä muistuttaa hyvin läheisesti tavanomaisen vanerin käsittelyä.

25 Käsiteltävänä olevan keksinnön lisäkohteen mukai sesti tarjotaan menetelmä selluloosakuituaggregaatin valmistamiseksi selluloosakuitumateriaalikappaleista, jolle on tunnusomaista se, että sen muodostavat pehmitysvaihe, jossa useita selluloosakuitumateriaalin kappaleita pehmi-30 tetään vesipitoisen pehmitysaineen vaikutuksesta kohote- tussa lämpötilassa, jolloin selluloosakuitumateriaalin selluloosasilloitus pilkkoutuu ainakin osittain, puristus-vaihe, jossa selluloosakuitumateriaalin pehmitetyt kappaleet puristetaan kokonaan puristetuksi matriisiksi, ja 35 lujitusvaihe, jossa vesi poistetaan matriisista ja matrii si lujitetaan lujitetuksi matriisiksi.

8 97034

Pehmitysvaiheen tehtävänä on pehmittää ja turvottaa selluloosakuitumateriaalikappaleet siten, että käytettäessä tämän jälkeen painetta pitkät selluloosakimput puristuvat suuremmiksi kappaleiksi tai aggregaateiksi. Menetelmän 5 pehmennysvaihe on sinänsä tunnettu. Selluloosakuitumate- riaalikappaleet pehmenevät vesipitoisen pehmitysaineen vaikutuksesta kohotetussa lämpötilassa. Pehmitysaineena voi olla vesi tai höyry. Mutta pehmitystä voidaan edistää lisäämällä vesipitoiseen pehmitysaineeseen määrättyjä ke-10 miallisia lisäaineita, esim. orgaanisia tai epäorgaanisia happoja kuten etikka-, typpi- tai rikkihappoa, alkalime-talli- tai maa-alkalimetallihydroksdeja tai -karbonaatteja kuten natriumhydroksidia, kalsiumhydroksidia, natriumkarbonaattia, kaliumkarbonaattia ja veteen sekoittuvia lig-15 niiniliuottimia kuten alempi-alkoholeja, esim. etanolia, tai dioksaania. Ammoniakki, joko kaasuna tai vesiliuoksena, tunnetaan tehokkaana pehmitysaineena esim. US-paten-tissa 3 282 313, ja se voi muodostaa osan tämän menetelmän vesipitoisesta pehmitysaineesta. Lisäksi tunnetaan sel-20 laisten yhdisteiden kuten hydratsiinin (US 3 894 569), kloorin ja formaldehydin käyttö pehmittiminä. Mutta tällaisten yhdisteiden käyttö edellyttää erikoisastioita näiden aineiden säilyttämiseksi ja niiden ilmakehään karkaamisen estämiseksi. Tämän keksinnön menetelmän yhtenä tun-25 nusmerkkinä on, että vältytään ammoniakin käytöltä ja siten mainituilta varotoimilta. Tämän keksinnön menetelmä pehmitysvaihe voidaankin mukavasti toteuttaa avohauteessa, mikä helpottaa selluloosamateriaalikappaleiden käsittelyä.

Pehmitysaineena on edullisesti alkalimetalli- tai 30 maa-alkalimetallihydroksidin tai -karbonaatin, edullisimmin natriumhydroksidin vesiliuos. Selluloosakuitumateriaa-likappaleet voidaan mukavasti saattaa kosketukseen nestemäisen pehmitysaineiden kanssa upottamalla kappaleet sopivaan hauteeseen.

Il 9 97034

Kemiallisen lisäaineen määrä voidaan sopivasti suhteuttaa käsiteltävän selluloosakuitumateriaalin määrään. Käytetään esim. 0,02 - 3,0, edullisesti 0,1 - 1,0 paino-osaa kemiallista lisäainetta, esim. natriumhydroksidia, 5 100 paino-osaa kohti käsiteltävää materiaalia. Näissä olo suhteissa, kun kemiallisen lisäaineen lisääminen aikaansaa emäksisen liuoksen, pehmitysaineen lähtö-pH voi olla 10 -11, joka laskee hetken kuluttua arvoon 8 merkkinä aineen kulumisesta.

10 Selluloosakuitumateriaali pehmitetään kohotetussa lämpötilassa. Lämpötilan ylärajana on lämpötila, jossa selluloosakuitumateriaali lämpöhajoaa. Yleensä voidaan käyttää lämpötiloja alueella n. 50 - 150 °C, edullisesti n. 70 - 120 °C, edullisemmin n. 80 - 100 °C.

15 Käytettäessä vettä tai vesiliuosta pehmitysaineena pehmitysvaihe suoritetaan ilmanpaineessa korkeintaan lämpötilassa n. 100 °C saakka tai käytettäessä höyryä lämpötilassa yli n. 100 °C höyryn höyrynkyllästyspaineessa käyttölämpötilassa. Mutta pehmitysvaihe voidaan haluttaes-20 sa suorittaa kohotetussa paineessa. Määrätyn selluloosa-kuitumateriaalimäärän pehmitysaika riippuu yleisesti ottaen pehmitysolosuhteiden voimakkuudesta. Korkeissa lämpötiloissa pehmitysajat ovat suhteellisen lyhyitä, tyypillisesti alle yhden tunnin n. 150 °C:ssa. Jos lämpötila on 25 edullisella alueella eli n. 80 - 100 °C, pehmitysaika voi olla viiteen tuntiin saakka tai jopa pidempi lähtömateriaalin tiheydestä riippuen; pehmitysajat kasvavat lähtömateriaalin tiheyden kasvaessa. Lisäksi pehmitysaika kasvaa käsiteltävien materiaalien kappaleiden mittojen kasvaessa. 30 On havaittu, että lämpötiloissa alueella n. 120 - 140 °C pehmitysvaiheessa välttämätön kosteus edistää haitallisia sivureaktioita käsiteltävässä materiaalissa, mikä voi johtaa tuotteen laadun huononemiseen. Niinpä on edullista pitää käsiteltävä materiaali tällä lämpötila-alueel-35 la vain lyhyen ajan. Jos pitkä pehmitysaika on tarpeen, 10 97034 materiaali on kuumennettava nopeasti lämpötilaan yli n. 140 eC tai pehmitysvaihe on edullisesti suoritettava lämpötilassa alle n. 120 °C.

Uuden menetelmän toisessa vaiheessa ensimmäisestä 5 vaiheesta saadut pehmitetyt oksat puristetaan kokoon. Tässä puristusvaiheessa on eduksi, että pehmitysvaiheessa lisättyä kosteutta ei poisteta täysin ja on itse asiassa toivottavaa, että jäljelle jää kosteutta vähintään 30-35 paino-% (puun kuiva-ainepitoisuus 70 - 65 paino-%) seuraa-10 vaa lujitusvaihetta varten. Paine tässä puristusvaiheessa voi olla alueella 25 - 150, edullisesti 30 - 100 x 105 N/m2 ja paineessa n. 50 x 105 N/m2 saavutetaan tavallisesti käytännössä taloudellisuuden ja tuoteominaisuuksien välinen tasapaino. Sopiva tekniikka tarvittavan paineen aikaansaa-15 miseksi (joka ei edellytä erityistoimia vedenpoiston rajoittamiseksi) on selluloosakuitumateriaalin pehmitettyjen kappaleiden syöttäminen joko yksitellen tai edullisesti kimppuina hydrauliseen puristimeen tai kahden painetelan väliin. On erityisen edullista syöttää oksat alaspäin täl-20 laisten telojen nipin läpi. Tarpeellinen puristus saavutetaan helpommin materiaalin ollessa lämmin, edullisesti lämpötila-alueella n. 80 - 170 °C, mutta puristus on vielä mahdollista 45 °C:seen jäähdytetyllä materiaalilla. Yleensä ei kuitenkaan ole tarpeen käyttää ulkoista kuumennusta 25 tässä vaiheessa, koska puristus tapahtuu osaksi adiabaat-tisesti ja siten puristetun materiaalin sisällä syntyy lämpöä. Joka tapauksessa voidaan käyttää kuumennettuja pu-ristusteloja edellyttäen, että estetään kosteuden liika-poistuminen.

30 Haluamatta sitoutua mihinkään teoriaan on ilmeistä, 1 että olosuhteet pehmitysvaiheessa mahdollistavat sen lu juuden säilyttämisen, joka on ominainen lähtömateriaalin pituussuuntaiselle selluloosaverkkorakenteelle, selluloosan sisäisen silloituksen aiheuttavien hiilihydraattisi-35 dosten pilkkoutuessa, jolloin materiaalin deformointi on tl 11 97034 mahdollinen. Tämä on vähemmän radikaalinen toimenpide kuin esim. alkalinen keitto. Deformointi tapahtuu olennaisesti säteissuunnassa aksiaalisuunnan pysyessä muuttumattomana. Säilynyt kemiallinen rakenne kestää voimakasta mekaanista 5 työstöä ja tällaista työstöä voidaan käyttää materiaalille ominaisen prosessoitavuuden parantamiseksi ja edelleenkä-siteltävän materiaalin tasarakenteisuuden ja tasalaatuisuuden parantamiseksi. Koska materiaalin alkuperäinen muoto ja rakenne tuhoutuvat, voidaan valmistaa rohtimia muis-10 tuttava materiaali pusertamalla pehmitetyt oksat uritettujen, profiloitujen telojen välissä, edullisesti tällaisten kalanteritelojen sarjan välissä, jossa urat tulevat yhä hienommiksi.

Telakäsittelyssä saatu tuote on hieman kuohkeasta 15 matriisista, jonka rakenne on lomittainen, jos pehmitetyt materiaalikappaleet on valssattu kimppuna. Litteä valssattu tuote, joka on keksinnön kokonaismenetelmässä välituote, voidaan haluttaessa varastoida ja käsitellä esim. muutaman päivän kuluttua prosessin lopullisessa vaiheessa.

20 Käsiteltävänä olevan keksinnön lisäkohteen mukai sesti tarjotaan siis menetelmä puristetun matriisin muodostamiseksi, joka on käyttökelpoinen välituote muodostettaessa selluloosakuituaggregaatti selluloosakuitumateriaa-likappaleista, joka menetelmä tunnetaan siitä, että sen 25 muodostavat yllä kuvattu pehmitysvaihe ja yllä kuvattu puristusvaihe.

Puristettu matriisi lujitetaan poistamalla siitä kosteus lämmön ja paineen avulla. Tähän tarvittavat tekniikat ja laitteet tunnetaan esim. paperinvalmistuksesta. 30 Sopiva on suppenevan radan kuljetushihna, jossa yksi kan-natuselimistä on joko rei'itetty, esim. rei'itetty metallilevy, tai absorvoiva materiaali, esim. kuitumatto. Vaihtoehtoisia laitetyyppejä ovat rei’itetyt painemuotit.

Puristettuun matriisiin kohdistuva paine on sopi-35 vasti alueella 5 - 150 x 105 N/m2, edullisesti 5 - 50 x 105 12 97034 N/tn2. Paine 5 - 50 x 105 N/m2 on usein riittävä. Matriisiin jääneen kosteuden poiston helpottamiseksi lujitusvaihe suoritetaan edullisesti kohotetussa lämpötilassa, tyypillisesti vähintään 110 °C:ssa. Kuten yllä mainittiin pehmi-5 tysvaiheen yhteydessä selluloosakuitumateriaalia ei saa pitää pitkähköjä aikoja lämpötilassa n. 120 - 140 °C kosteuden läsnäollessa. Haluttaessa suorittaa lujitusvaihe tällä alueella olevassa lämpötilassa onkin suotavaa huolehtia siitä, että jäännösvesi voidaan poistaa nopeasti 10 matriisista esim. käyttämällä revitettyjä muotteja. Vaihtoehtoinen lujitusvaihe olisi suoritettava tämän alueen ulkopuolella olevassa lämpötilassa siten, että korkeammat lämpötilat saavutetaan matriisin nopealla kuumennuksella. Maksimilämpötila on tietenkin pidettävä lämpötilan alapuo-15 lella, jossa puu alkaa merkittävästi lämpöhajota. Lujitusvaihe voidaan siten suorittaa lämpötilassa n. 200 eC:seen saakka, tyypillisesti n. 170 °C:seen saakka.

Prosessin tässä vaiheessa tarvittava aika riippuu käytetystä lämpötilasta ja vähemmässä määrin käytetystä 20 paineesta; aika 15-30 minuuttia on tyypillinen suoritettaessa lujitus revitetyssä muotissa 145 - 170 °C:ssa.

Lievemmät olosuhteet, esim. aika 1-3 tuntia lämpötilassa 110 - 120 °C, voivat määrätyissä olosuhteissa olla käytännöllisempiä.

25 Kerrosaggregaattien valmistusmenetelmät eivät vält tämättä eroa tavanomaisen vanerin valmistusmenetelmistä. Tällaisissa menetelmissä toimitaan tyypillisesti siten, että pinotaan päällekkäin haluttu määrä lujitetusta matriisista valmistettuja levyjä, joiden mitat ja muoto ovat 30 halutunlaisia ja jotka on varustettu riittävällä määrällä liimaa, jonka jälkeen levypino asetetaan sopivaan kuumapu-ristimeen yhdistämistä varten, esim. kerrosaggregaatin muotoa vastaavaan puristimeen. Lämpötila ja aika puristimessa säädetään liiman luonteen mukaan. Käytettävän liiman 35 luonteesta riippuen sitä voidaan käyttää nesteenä tai il 13 97034 kiintoaineena ympäristölämpötilassa tai kohotetussa lämpötilassa. Menetelmät liiman levittämiseksi lujitetusta matriisista valmistetuille kerroksille ovat harjalevitys, te-lalevitys, sively, ruiskutus käyttäen sekä tavanomaisia 5 että sähköstaattisia ruiskutustekniikkoja. Jotkut kiinteät liimat voidaan myös levittää arkkina tai kalvona.

Yllä kuvatut kerrosaggregaatit ovat korkealuokkaisia materiaaleja, joita voidaan sopivasti käyttää konstruktiomateriaaleina ja joilla on erinomaiset suoritusky-10 kyominaisuudet verrattuna tavanomaiseen vaneriin. Niiden alkuperämateriaalin tyyppi ja valmistusmenetelmä mahdollistavat huomattavan joustavuuden kerrosaggregaatin mittojen suhteen. Samalla niiden valmistus on riippumaton sopi-vankokoisen ja -laatuisen lähtömateriaalin saannista.

15 Käsiteltävänä olevan keksinnön aggregaatti voi käy tössä olla vettä imevä (jota ominaisuutta voidaan pitää muodostuksen vedenpoistovaiheen käänteisilmiönä). Sitten aggregaatti sopinee parhaiten sisäkäyttöön ja/tai se voidaan käsitellä vettä kestäväksi. Voidaan käyttää tavan-20 omaista vedenkestävää lakkaa tai muuta pinnoitetta tai kyllästysainetta.

Vaihtoehtoisesti aggregaatin tekemiseksi kosteutta kestäväksi ja/tai sen mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi, aggregaatti voi lisäksi sisältää yhtä tai useam-25 paa synteettistä polymeeriä. Polymeeri voidaan sopivasti levittää aggregaatin pinnalle esim. jauheen tai sulan muodossa. Polymeeri voidaan vaihtoehtoisesti sisällyttää aggregaattiin sen muodostuksen aikana, sopivasti ennen lopullista lujitusvaihetta. Sopivia polymeerejä sisällytet-30 täviksi aggregaattiin ovat sellaiset, joita on esitetty edellä kerrosaggregaattien yhteydessä.

Koska on hankalaa sisällyttää eräitä polymeerejä koko aggregaattiin ja syntyy ongelmia homogeenisen tuotteen saamisessa, on edullista sisällyttää yksi tai useampi 35 monomeeri aggregaattiin joko muodostuksen aikana tai sen 14 97034 jälkeen ja lisäksi tarvittaessa yksi tai useampi polyme-rointikatalyytti. Sitten aggregaatti saatetaan olosuhteisiin, joissa monomeeri polymeroituu. Tällä tavoin suhteellisesti ottaen herkkäliikkeisempi ja helpommin käsiteltä-5 vissä oleva monomeeri voidaan sisällyttää tasaisesti koko aggregaattiin ja saadaan tällä tavoin homogeeninen tuote.

Seuraavat esimerkit valaisevat nyt käsiteltävänä olevaa keksintöä.

Esimerkki 1 10 Nopeasti kasvaneet havupuunoksat kuorittiin ja kat kottiin käytön kannalta sopiviin mittoihin (läpimitta 10 -150 mm, pituus 0,2 - 1 m) ja liotettiin 20 - 2000 minuuttia lämpötilassa 90 - 100 °C natriumhydroksidivesiliuok-sessa (1-3 paino-% natriumhydroksidia puun painosta las-15 kettuna) ja sitten materiaali syötettiin alaspäin kitka-rullasarjan läpi, jossa oli jatkuvasti kapenevia uria, ja saatiin rohtimia muistuttava materiaali. Tämä materiaali lujitettiin 2 tuntia rei'itetyissä muoteissa 130 °C:ssa, joiden rakenne mahdollisti jäännösveden nopean poistumi-20 sen. Lujitettua materiaalia puristettiin paineessa 50 -150 x 105 N/m2 tasalaatuisen tuotteen saamiseksi ja ilman poistamiseksi ja tämän jälkeen lujitettiin ja poistettiin vesi paineessa 5 - 15 x 105 N/m2.

Sitten mitattiin muodostuneiden aggregaattien me-25 kaaniset ominaisuudet vertailuna käsittelemättömään puuhun ja myös käsittelemättömästä raskaspuusta (tlikistä), lastulevystä ja vanerista valmistettuihin näytteisiin. Tulokset ilmenevät alla olevasta taulukosta I.

« 11 15 97034

TAULUKKO I

Jäyk- Taivutus- Veto- 5 Tiheys kyys lujuus lujuus

Materiaali (kg/m3) (GPa) (MPa) (MPa)

Paju (käsittelemätön) 450 4,5 60 71

Paju (käsitelty) 820 10,7 120 115 10 Paju (käsitelty) 1 300 10,9 125 135

Eukalyptus (käsittelemätön) 750 11,0 150

Eukalyptus (käsitelty) 1 300 21,0 270

Pinus radiata (käsit- 15 telemätön) 480 7,0 58 79

Pinus radiata (käsitelty) 1 230 9,6 115

Pyökki (käsittelemätön) 750 11,5 105 98

Pyökki (käsitelty) 1 030 22,6 150 130 20 Pyökki (käsitelty) 1 130 24,0 140 214

Lastulevy 700 2,1 14 16

Vaneri 630 4,7 63 27

Tiikki 700 13,0 120 115 25

Taulukosta I käy selvästi ilmi, että käsiteltävänä olevan keksinnön aggregaattien mekaaniset ominaisuudet ovat parantuneet merkittävästi verrattuna vastaavan lähtö-materiaalin ominaisuuksiin.

30 Esimerkki II

Valmistettiin kerrosaggregaatteja, joiden mitat olivat 240 x 50 x 15 mm, olennaisesti yhdensuuntaisten, lujitettujen matriisien kerroksista, joiden paksuus oli n.

2,5 mm. Kerrokset oli valmistettu pajun- tai kuusenoksista 35 esimerkissä I kuvatun menetelmän mukaisesti. Kuusi kerros- 16 97034 ta kulloistakin puutyyppiä pinottiin päällekkäin ja asetettiin muottiin sitten, kun viiden ensimmäisen kerroksen toiselle puolelle oli levitetty kesto- tai kertamuovilii-maa. Kestomuoviliimana, joka levitettiin jauheena sähkö-5 staattisella ruiskutuslaitteella, oli etyleeni-propyleeni- hiilimonoksidipolymeeri, jonka sulamispiste oli 220 °C. Kertamuoviliimana oli "EPIKOTE 828":n (tavaramerkki) ja "EPIKURE 213":n (tavaramerkki) painosuhteessa 55:45-seos ja se levitettiin spaattelilla asianmukaisille kerroksil-10 le. Kestomuoviliimalla päällystetyt kerrokset yhdistettiin lämpötilassa 190 °C ja alkupaineessa 80 x 105 N/m2, joka pyrki laskemaan ajan mittaan. Kun paine muotissa oli vakiintunut (suunnilleen 15 minuutin kuluttua), kuumennus lopetettiin, vesijäähdytys kytkettiin päälle ja muotti ja 15 kerrosaggregaatti jäähdytettiin n. 20 °C:seen. Käytettäessä kertamuoviliimaa yhdistäminen tapahtui kuumentamalla muotissa 80 °C:seen pienessä eli 5 - 7 x 105 N/m2 paineessa. Kun aggregaatti oli saavuttanut lämpötilan 80 °C, kuumennus lopetettiin ja aggregaatin annettiin jäähtyä yli 20 yön.

Näin saaduista kerrosyhdistelmistä leikattiin 170 x 20 x 15 mm:n näytteitä testausta varten. Näiden näytteiden tiheys laskettiin niiden painojen ja mittojen avulla ja jotkut fysikaaliset tunnusarvot määritettiin ISO-178 mu-25 kaan. Kerrosaggregaattien koostumus ja vastaavat arvot ilmenevät alla olevasta taulukosta II samoin kuin eräiden luonnonpuuhun ja luonnonpuutuotteisiin pohjautuvien ver-tailunäytteiden koostumus ja arvot.

Taulukon II tuloksista käy ilmi, että käsiteltävänä 30 olevan keksinnön kerrosaggregaattien, jotka pohjautuvat suhteellisen pienen tiheyden omaavaan jätepuumateriaaliin, suorituskyvyn tunnusarvot ovat erinomaisia verrattuna luonnonpuunäytteisiin, jotka on katkottu asianmukaisiin mittoihin esim. puunrungoista, ja verrattuna tavanomaisiin 35 puutuotteisiin kuten vaneriin ja lastulevyyn.

II.

17 97034

TAULUKKO II

Liimaa Suorituskykyominaisuudet paino-% Ti- Jäyk- Taivutus- 5 aggre- heys kyys lujuus

Aggregaatin puutyyppi gaatista kg/m3 GPA MPa

Paju 6 TPA* 1 170 13 101

Paju 11 TPA* 1 370 12,8 104 10 Kuusi 8 TPA* 1 220 10,8 81

Paju 10 TSA* 1 300 27 180

Vertailunäytteet

Paju (käsittelemätön) 450 4,5 55 15 Kuusi (käsittelemätön) 500 7 70

Tammi/pyökki/tiikki (käsittelemätön) 650-800 9-14 95-120

Vaneri 650 5 60

Lastulevy 750 3,5 30 20 - *Kestomuoviliima * *Kertamuovi1i ima

Claims (17)

97034

1. Selluloosakuituaggregaatti, joka on muodostettu selluloosakuitumateriaalikappaleista, joiden pituus on 5 ainakin 20 cm ja poikkimitta ainakin 5 mm, tunnet-t u siitä, että se on valmistettu menetelmällä, joka käsittää seuraavat vaiheet: pehmitysvaiheen, jossa useita selluloosakuitumate-riaalin kappaleita pehmitetään vesipitoisen pehmittimen 10 vaikutuksesta kohotetussa lämpötilassa, jolloin selluloo- sakuitumateriaalin selluloosasilloitus pilkkoutuu ainakin osittain; puristusvaiheen, jossa selluloosakuitumateriaalin pehmitetyt kappaleet puristetaan kokoon puristetuksi mat-15 riisiksi; ja lujitusvaiheen, jossa vesi poistetaan puristetusta matriisista ja matriisi lujitetaan lujitetuksi matriisiksi .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen aggregaatti, 20 tunnettu siitä, että selluloosakuitumateriaalikap- paleet ovat kevytpuukappaleita.

3. Joko patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen aggregaatti, tunnettu siitä, että se on kerrosaggre-gaatti, joka muodostuu lujitetun matriisin useista kerrok- ' 25 sista, jotka on liitetty yhteen liimayhdisteellä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen aggregaatti, tunnettu siitä, että liimayhdiste on lineaarinen sekapolymeeri, jossa vuorottelevat vähintään yksi olefii-nisesti tyydyttämätön yhdiste ja hiilimonoksidi.

5. Menetelmä patenttivaatimuksen 1 mukaisen sel- luloosakuituaggregaatin valmistamiseksi selluloosakuitu-materiaalikappaleista, joiden pituus on ainakin 20 cm ja poikkimitta ainakin 5 mm, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää: 97034 pehmitysvaiheen, jossa useita selluloosakuitumate-riaalin kappaleita pehmitetään vesipitoisen pehmittimen vaikutuksesta kohotetussa lämpötilassa, jolloin sellu-loosakuitumateriaalin selluloosasilloitus pilkkoutuu aina-5 kin osittain; puristusvaiheen, jossa selluloosakuitumateriaalin pehmitetyt kappaleet puristetaan kokoon puristetuksi matriisiksi; ja lujitusvaiheen, jossa vesi poistetaan puristetusta 10 matriisista ja matriisi lujitetaan lujitetuksi matriisik si .

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pehmitin on alkalimetalli-tai maa-alkalimetallihydroksidin tai -karbonaatin vesi- 15 liuos.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pehmitysaineena on natrium-hydroksidivesiliuos, jossa natriumhydroksidin määrä on 0,02 - 3,0 paino-osaa 100 paino-osaa kohti käsiteltävää sellu-20 loosakuitumateriaalia.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pehmitysvaihe suoritetaan lämpötila-alueella n. 50 - 150 °C.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että pehmitysvaihe suoritetaan lämpötila-alueella n. 80 - 100 °C.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 5-9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristusvaihe suoritetaan paineessa alueella 25 x 105 N/m2 - 150 x 105 N/m2.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 5-10 mukainen me netelmä, tunnettu siitä, että puristetun matriisin kosteuspitoisuus on vähintään 30 - 35 paino-%.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 5-11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristettu matriisi 35 lujitetaan paineella alueella 5 x 105 N/m2 - 150 x 105 N/m2. 97034

13. Jonkin patenttivaatimuksen 5-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristettu matriisi lujitetaan lämpötilassa vähintään 110 °C.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 5-13 mukainen me-5 netelmä, tunnettu siitä, että se käsittää lisä- vaiheet, joissa haluttu määrä lujitetusta matriisista valmistettuja levyjä, joiden mitat ja muoto ovat halutunlaisia ja jotka on varustettu riittävällä määrällä liimaa, pinotaan päällekkäin ja levypino asetetaan sopivaan puris-10 timeen yhdistämistä varten, jolloin saadaan patenttivaatimuksen joko 3 tai 4 mukainen kerrosaggregaatti.

15. Selluloosakuituaggregaatti valmistettuna jonkin patenttivaatimuksen 5-14 menetelmän mukaan.

16. Menetelmä puristetun matriisin valmistamiseksi, 15 jota voidaan käyttää jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 ja 15 mukaisen selluloosakuituaggregaatin muodostamiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää jonkin patenttivaatimuksen 5-11 mukaisen pehmitysvaiheen.

17. Puristettu matriisi, tunnettu siitä, 20 että se on valmistettu patenttivaatimuksen 16 mukaisella menetelmällä. 1! 97034