JP2018197419A

JP2018197419A - 多孔性の成形体を製造する方法

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Publication number: JP2018197419A
Application number: JP2018097996A
Authority: JP
Inventors: フォルカー・ゾーレ; Thole Volker; ジュリア・ベルダ; Belda Julia; フラウケ・ブンツェル; Bunzel Frauke; ニナ・リッター; Ritter Nina
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2018-12-13
Also published as: EP3406793A1; US20180334777A1; EP3406793B1; US10619303B2; DE102017111139A1

Abstract

【課題】破砕されたリグノセルロース含有の繊維物質から自己粘着的に結合された多孔性の耐圧性の成形体の製造方法。【解決手段】繊維物質が１２０℃〜１８０℃の温度と２〜８バールの圧力のもとで繊維懸濁液をなすように処理され、引き続いてこれが人工的な結合剤の添加なしに型に充填され、または支持体に塗布されて、乾燥されるリグノセルロース含有の繊維物質から成形体の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、破砕されたリグノセルロース含有の繊維物質をベースとして、自己粘着的に結合された多孔性の耐圧性の成形体を製造する方法に関する。

出発材料としては、広葉樹および針葉樹、間伐材、ならびにその他のリグノセルロース、たとえば麻、亜麻、藁、ヤシ、竹、バガス、草などが適している。リグノセルロースの割合は最大１００パーセントである。成形体は、特に建築産業、家具製造、包装産業で防音のために、断熱のために、あるいは湿潤した環境のもとでも使用することができる。

再成長する原材料をベースとする軽量の素材を製造するために、さまざまな方法が知られている。ＷＯ０２／０５５７２２Ａ１には、植物性の出発材料からなる強固な製品、いわゆるスターチ結合された軽量の木材プレートを製造する方法が記載されている。０．５ｍｍよりも小さい粒子直径を有する木くずまたは藁くずが、特にトウモロコシあるいは小麦またはコメに由来するスターチ、適当な微生物、特に酵母菌またはバクテリア、および水と混ぜ合わされる。こうして得られた生地が、管理された温度状況、圧力状況、および湿度状況のもとで発酵プロセスにかけられ、少なくとも部分的に乾燥される。これに続いて−必要な場合には−生地に添加剤が混ぜ入れられ、それは、たとえば機械的特性を改善するためや、生物学的な分解に対する抵抗性のためである。最後に、この生地が型に押し込まれて、一種の「木材パン」をなすように焼成される。この生物由来の軽量製品の木の割合は最大７８％である。乾燥材料は２３０ｋｇ／ｍ^３〜３１０ｋｇ／ｍ^３のかさ密度を有し、曲げ強度は０．９Ｎ／ｍｍ^２〜１．５Ｎ／ｍｍ^２である。熱伝導率は約０．０８Ｗ／ｍｋである。

植物性の出発材料と天然の結合剤の添加物から軽量の製品を製造する類似の方法が、ＥＰ２６１５２０９Ａ１に記載されている。スターチに代えて、そこでは部分結合タンパク質含有の、特にグルテン含有の穀粉が使用される。この製品を製造するために、小麦粉、木粉、酵母菌、膨潤させた、または糊状のスターチ、および水が、生地をなすように攪拌されて発酵プロセスがほどこされる。最後に、この生地が同じく形状を与えられ、もしくはプレートとして注型されて、木を含む「パン」をなすように焼成される。この木・小麦・軽量材料の木割合は最大７０％、好ましくは約５０％である。かさ密度は約３４０ｋｇ／ｍｍ^３である。

６０ｋｇ／ｍ^３〜８０ｋｇ／ｍ^３のかさ密度を有する、木をベースとする絶縁プレートを製造する方法が、１９４０年代、スウェーデンの亜硫酸パルプ工場であるＫｒａｍｆｏｒｓＡ．Ｂ．で開発された（ＳＥ１１２１３４，ＳＥ１１６１０３，ＳＥ１１７００３）。この方法は、主要な開発者であるＡｒｏｎとＯｒｒｍｅｌｌにちなんでＯｒｒｍｅｌｌ−Ｒｏｓｅｎｌｕｎｄ法あるいはＫｒａｍｆｏｒｓ法とも呼ばれる。その生産は、１９４０年代と１９５０年代にスウェーデン、フィンランド、およびアメリカの工場でそれぞれ行われた。しかし、このいわゆるクラームフォルスプレートは競争を勝ち抜くことができず、すでに１９５１年に生産が中止されている。この製品を製造するための出発材料は、ウッドパルプを製造するための亜硫酸法でカップリング生成物として生じる、化学的に処理された木成分であった。これは特にほぼ分解されていない枝材料であって、これがまず最初に粉砕され、次いで結合剤および起泡性物質と混合される。ただし、正確な添加物は記録に残されていない。しかし、リグニンスルホン酸を強く含有する大量（３０：１〜４：１）の廃液が添加され、これが一方では結合剤としての役目を果たすとともに、他方では、細かい気泡の泡をなすように調製することができたことは知られている。この製品はｐＨ値に強く依存し、したがってｐＨ値のコントロールに製造プロセス全体で特別な役割が与えられていて、ｐＨ値が上がるにつれて高い泡容積が生じた。その後、この方法の改良された態様では少量のテルペンチンが追加的に添加された。このことは改善された起泡を引き起こすからである。粉砕された枝材料、廃液、水、場合によりテルペンチン、および場合によりその他の添加物からなる混合物が、ポンプの中で空気または炭酸／二酸化炭素と混ぜ合わされた。形成される発泡素材が、フィルタ状の底面プレートおよび部分的にパーフォレーションのある側壁を有する型枠に充填された。充填された型枠が搬送ブリッジに沿って低速で走行し、その際に重力沈降によって液体が滴下し、大幅な容積減少が生じた。搬送ブリッジの最後でフレームが取り外され、後に残る湿潤した繊維泡クーヘンが型からひっくり返され、またはフィルタ底面からすくい取られて、乾燥された。乾燥後、固い多孔性の繊維プレートが裁断された。このような多孔性のプレートの用途は、家屋の断熱材料にほぼ限られていた。亜硫酸廃液に代えて、硫酸廃液を適用することもできる（ＵＳ２２６０５５７）。このことは、このプロセスを酸の中でもアルカリの中でも具体化可能であることを示す。黒液に代えて、動物の膠の利用にも言及されている。

ＤＥ１９５２８７３３Ａ１には、セルロースから湿式発泡によって発泡充填材料を製造する方法が記載されている。出発材料として、繊維スラリー、パルプ、または古紙などのセルロース材料が用いられる。これに０．１％〜２０％の質量割合の水溶性接着剤、０．５％〜２０％の質量割合の化学的な発泡剤、および１０％〜３０％の質量割合の水が添加される。得られた混合物がまず３０℃〜９０℃まで予加熱され、次いで型に入れられ、引き続いて発泡と乾燥のために７０℃〜１５０℃まで加熱される。セルロース材料の当初の容積の最大５００％の容積増加が実現される。接着剤としてスターチ、ナトリウムカルボキシメチルセルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、カゼイン、ゼラチン、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテートが挙げられている。有機発泡剤としては、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）、アゾビスホルムアミド（ＡＢＦＡ）、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）、Ｎ，Ｎ’−ジニトロソペンタメチレンテトラミン（ＤＰＴ）、ｐ−トルエンスルホニルヒドラジド（ＴＳＨ）、およびｐ，ｐ’−オキシビス（ベンゼンスルホニル）ヒドラジド（ＯＢＳＨ）が適し、無機発泡剤としては、炭酸アンモニウムおよび炭酸水素ナトリウムが単独で、または混合物として適している。この材料は、特に断熱性の充填材および包装材料として好適である。

ビスコースフォームを製造する方法がＵＳ−Ａ−２０７７４１２に記載されている。キサントゲン酸セルロースに水を加え、数時間攪拌する。引き続いて塩化アンモニウム溶液、ならびに起泡を促進する物質が添加されて、混合物が発泡される。こうして得られた発泡素材が、引き続き、気体の亜硫酸での処理によって固化される。起泡を促進する適当な物質として脂肪酸、特にオレイン酸、アルブミン、石鹸、サポニン、デキストリン、またはゴム材料が挙げられている。この材料は断熱と防音のため、包装材料として、ならびにフィルタ材料として適している。

発泡紙を製造する方法がＤＥ４００８８６２Ｃ１およびＤＥ３４２０１９５Ｃ２に記載されている。紙繊維と可塑化可能なスターチからなる混合物（ＤＥ４００８８６２Ｃ１）、または紙繊維、可塑化可能なスターチ、およびポリビニルアルコールからなる混合物（ＤＥ３４２０１９５Ｃ２）が押出機を用いて圧縮されて可塑化され、押出機から出るときに温度と圧力の降下によって膨張し、それによって発泡する。この発泡紙は、特にフリップの形態で包装材料として利用される。

結合剤の添加なしに繊維プレートを製造する方法は、一方では１９２０年代にアメリカで（Ｗ．Ｈ．Ｍａｓｏｎのメゾナイト法）、および他方では１９３０年代にトロイスドルフ所在のＤｙｎａｍｉｔＮｏｂｅｌＡＧ社により開発された。アメリカの製品はメゾナイトの名称で１９２９年に大量生産が開始された。１９４８年、ドイツではこれに匹敵する切屑からの製品がＴＲＯＮＡＬの名称で市場に出た。Ｈ．Ｓａｃｈｔｌｉｎｇは、１９４８年の「木材研究」誌１号の２１頁「低価値な木材原料から建築板を生成するためのいくつかの新規の方法」の中で、この方法の学術的な基礎はＷ．Ｋｌａｕｄｉｔｚに帰せられると記載している。この人物は、繊維成形体の強度が繊維長にはさほど左右されず、むしろ、互いに交差する繊維の接触面に左右されることを示すことに成功した。粉砕木材の製造のための、すなわちＴＲＯＮＡＬプレートのための原料としての役目を果たすのは針葉樹であった。広葉樹は使用されないが、それは、繊維ではなく、接着作用や接合作用を及ぼすことのない粉状の物質しか生じないからである。材料の前処理は２つのステップで行われた。まず、玄武岩の内張りのあるクロスハンマーミルまたは解織機で材料が２０〜２２のＳＲ値まで予備粉砕され、引き続き、この繊維が玄武岩の内張りのあるホランダーで最終粉砕されて、典型的には５５〜８０の所望のＳＲ値を得る。前処理された繊維が水に懸濁され、注型機械へ充填される。スクリーン底面を有する型枠の中で余剰の水が押し出され、約２０％の固体物質割合を含む繊維クーヘンが得られる。これが多段式温風乾燥機の中で最大１２０℃で乾燥され、またはホットプレスによって高いかさ密度まで圧縮されて、硬化される。この方法により、１５０ｋｇ／ｍ^３〜１４００ｋｇ／ｍ^３のかさ密度の繊維板が製造された。調節要因は、繊維物質の可溶化とプレス圧力であった。軽量のＴＲＯＮＡＬプレート（型式Ｌ）はプレスされておらず、そのようにして、粉砕度に依存して１５０ｋｇ／ｍ^３〜４００ｋｇ／ｍ^３の範囲内のかさ密度を有する繊維板が実現された。曲げ強度は３Ｎ／ｍｍ^２〜６Ｎ／ｍｍ^２であった。

軽量の材料は多様な分野で、たとえば建築、車両工学、包装などで適用される。重量削減のほか、素材の高い多孔性から帰結される断熱特性と防音特性もしばしば前面に出る。製造される軽量材料の大部分が、石油化学原料から作成される発泡材である。これよりもはるかに小さい割合が、再成長する原材料から製造される。これには特に高多孔性のマット、天然繊維物質からなる不織布やレイドファブリックなどが数えられる。この種の製品は建築で断熱材としても適用され、車両でも吸音のために適用される。天然繊維物質からなる不織布やレイドファブリックは耐圧性が低いという欠点がある。さらに、合成フォームの場合と異なり、不連続気泡の構造を生成することができない。

木材繊維または紙繊維を有する公知のフォーム材料は、安定化をするための結合物質と、酸性またはアルカリ性の環境で得られた原料とを製造時に常に必要とする。また−特に紙の場合−、加工に適合したコンシステンシーを得るために、繊維物質を時間コストをかけて数時間にわたり粉砕しなければならない。それにより、方法がそのつどの原料の性質に強く依存することになり、長いプロセス時間と結合物質によって高価になる。さらに、製品をかなり高価なものにする発泡剤が必要であり、どのような結合剤であっても常に、望ましくない、もしくは毒性さえあるエミッションの考えられる発生源となる。これに加えて、かさ密度をどの方法でも的確に調整することができるわけではなく、このことは、特に適用可能性にマイナスの影響を及ぼす。

ＷＯ０２／０５５７２２Ａ１
ＥＰ２６１５２０９Ａ１
ＵＳ−Ａ−２０７７４１２
ＤＥ４００８８６２Ｃ１
ＤＥ３４２０１９５Ｃ２

本発明の課題は、このような欠点を示さず、さらに、再成長する原料から化学処理や後続の物質分離なしに、または化学的に誘導される原料の解重合なしに、安価で多孔性で耐圧性の材料の製造を可能にする方法を提供することにある。この成形体は全面的に、もしくは少なくとも大部分が、植物性材料からなるのがよい。これに加えて本方法により、製造プロセスを通じてかさ密度の的確な調整が可能になるのがよい。

さらに、この材料はその内容物質に基づいて容易にリサイクル可能であるのがよく、燃焼時に、同等の量の木材のエミッションポテンシャルに相当するのがよい。

驚くべきことに、リグノセルロース含有の繊維からなる成形体を安定化するために、化学的に誘導される可溶化や追加の人工的な結合物質が必要ないことが判明している。１２０°〜１８０℃の温度での機械的な分解のときに、結合物質が植物部分から遊離するからである。このようにして人工的な結合剤なしに、耐圧性で多孔性の成形体を生成することができ、使用する繊維物質、繊維長、繊維懸濁液の発泡度、および乾燥方式によって、その機械的特性を広い範囲で調整することができる。

原料は、あらゆる種類のリグノセルロースである。本発明による方法では、樹皮または根材料、鋸引きの副産物や間伐材あるいは古木、さまざまな一年生植物などを含むあらゆる木材種類が化学的な前処理なしに適しており、あるいは、改質されたリグノセルロース含有の原料も適している。驚くべきことに、特に広葉樹がきわめて好適な原料となることが判明している。

多孔性の成形体を製造する本発明の方法は、予備破砕されたリグノセルロース含有の繊維物質が１２０℃〜１８０℃の温度と２〜８バールの圧力のもとで、場合により水とともに、繊維懸濁液をなすように処理され、特に分解され、これが人工的な結合剤の添加なしに引き続き型に充填され、または支持体に塗布されて、乾燥されることを意図する。このとき多孔性の構造が得られ、すなわち連続気泡の透過性の構造が得られ、それにより、高い緩衝特性と遮断特性で軽量の建築材を具体化することができる。さらにこの方法により、ＤＩＮＥＮ８２６に基づき１０％の圧縮で２０ｋＰＡ〜６００ｋＰＡの耐圧性を有する耐圧性の成形体を同時に得ることが可能である。それにより、軽量で安定的で透過性、かつ形状付与に関して自由な、多様に適用可能である成形体を製造することが可能である。

温度は粉砕プロセス中に段階的に、すなわちインターバルをおいて高めていくことができ、このとき温度上昇は均等に間隔をおくステップを踏んで行うことができる。

本発明の発展例は、分解全体の７０％までが目標温度で行われ、それにより意図される最高温度で分解が実行されて、リグノセルロース含有の繊維物質に含まれる結合物質を遊離させることを意図する。

破砕された繊維物質の製造時に、熱機械プロセス（ＴＭＰ）で、好ましくは常圧リファイナーで過圧なしに室温で、２００〜８００μｍの所望の繊維長になるまで繊維のいっそうの破砕を行うことができる。このとき実現される繊維長の調整は、異なる粉砕ディスクジオメトリの使用、粉砕プレート間隔の調節、ならびに１〜１０であり得る粉砕サイクル数の調整によって行われる。完成した成形体の密度を調整するために、異なる懸濁液が混合され、または異なる繊維長の繊維物質のロットで繊維懸濁液が製作されて、これが引き続き型に注ぎ込まれ、または支持体に塗布されるのが好ましい。

本発明によると、水性の繊維懸濁液から、型への投入前または支持体への塗布前に、１：２〜１：２０、好ましくは１：５〜１：１０の固体・水・比率を有する高粘度の懸濁液が製作されることが意図される。脱水はデカンタまたはその他の機械的な脱水によって行うことができ、それにより乾燥時に少ない熱エネルギーしか消費しなくてよい。

支持体として、連続式の製造を可能にするためにスクリーンベルト、不織布ベルト、またはコンベヤベルトを利用することができる。これらのベルトは側方で区切られるとともに、機械式の予備脱水を可能にするために水透過性であってよい。型としては、複雑な形状付与を可能にするために、閉じた壁部またはパーフォレーションのある壁部を有する、三次元に構成された一体的な、または多部分からなる型を使用することができる。型は、離型を容易にするために、たとえばＰＴＦＥからなるからなる付着防止コーティングを備えるか、または非付着性の材料でできているのが好ましい。

高粘度の懸濁液は、型の均等な充填、および充填物と完成製品の密度の変更を実現するために、圧力のもとで型に入れることができる。

高粘度の懸濁液は、熱エネルギー消費量を低減するために、熱による乾燥の前に真空によって、または機械的な圧力によって予備脱水することができる。熱による乾燥は、対流式および／もしくは伝導式の熱流によって、ならびに／または熱放射によって、ならびに／または電磁放射によって行うことができ、乾燥は乾燥機でまず１１０℃〜１４０℃の温度で実行されるのが好ましい。型に注入された、または支持体に塗布された懸濁液は、自己粘着性の結合を活性化するために、０．５〜２時間のあいだ高温のもとで乾燥されるのが好ましく、引き続き、残りの水分を除去するために乾燥温度が８０°以下まで、好ましくは７０℃まで引き下げられる。このとき残存乾燥時間は特に乾燥方式に依存して決まり、乾燥キャビネットの中では５〜１２時間であり、電磁放射での乾燥の場合には１０〜３０分である。

高粘度の懸濁液に発泡剤、特にガス発生剤（ＣＯ_２分離剤）、Ｎ_２０、プロパン、ｎブタン、ペンタン、または完全に分解する発泡剤、特に過酸化水素の形態の添加剤を、型への注入または支持体への塗布の前に添加することができる。その追加または代替として、高粘度の懸濁液へ、型への注入または支持体への塗布の前に、機械式、空気圧式、および／または熱式のプロセスによって起泡のためのガスを注入することができる。

本発明の発展例は、高粘度の懸濁液の製作の後または途中でプロセス添加剤、製品改良をする添加剤、または所望の製品特性を調整するための添加剤が添加され、たとえば多孔性を調整するための過酸化水素が単独で添加されることを意図する。これに加えて、過酸化水素と高い温度とによってリグニン、ヘミセルロース、セルロースなどの木材内容物質を化学的に変化させて、これらの成分が相互に反応し、そのようにして繊維間での結合を形成するようにすることができる。このような結合は耐水性であり、したがって水中で泡が崩壊することがなく、それにより、安定して発泡した懸濁液を製作することができ、この懸濁液は型の中や支持体の上でも乾燥プロセス中に安定して保たれるので、耐圧性で多孔性の成形体を乾燥後に得ることができる。

高粘度の懸濁液に疎水化剤の形態の添加剤、特に人工もしくは天然のオイル、パラフィン、ワックス、もしくは有機ケイ素化合物、ならびに／または発火防止剤および／もしくは残燼防止剤および／もしくは殺菌剤の形態の添加剤、特にソーダと乳清からなる混合物が添加されることも可能であり、本発明の枠内にある。本発明の発展例は、アゾビスイソブチロニトリル、アゾジカルボンアミド、特に活性化したアゾジカルボンアミド、ジニトロペンタメチレンテトラミン、ヒドラゾジカルボンアミド、オキシビススルホヒドラジド、オキシビスベンゾルスルホ−ヒドラジド、５−フェニルテトラゾール、パラ−トルオルスルホニルセミカルバジド、トルオル−／ベンゾール−スルホヒドラジド、およびこれらの塩、特にアルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の形態の有機発泡剤が高粘度の懸濁液に添加されることを意図する。

無機発泡剤として、炭酸アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、好ましくは炭酸水素カリウムおよび酸担体との混合物、特にジナトリウムヒドロゲン−ジホスフェート、カルシウムジヒドロゲンホスフェート、またはカルシウムシトレート、ならびに酸環境と塩基環境の両方におけるアルミニウム粉末を高粘度の懸濁液に添加することができる。

有機発泡剤または無機発泡剤は単独で、またはこれらのうち少なくとも２つからなる混合物として、乾燥質量に関して質量割合０．２５％〜質量割合２０％の割合で使用することができる。

完成した製品の特性を改善するために、亜硫酸もしくは硫酸−セルロース廃液、およびテルピン油、ゲル化剤、アルギン酸、小麦、ジャガイモ、トウモロコシ、エンドウ、もしくはコメに由来する穀粉もしくはスターチ、および／または特にメチルセルロースもしくはグルチンをベースとする架橋剤を高粘度の懸濁液に添加することができる。

本発明の変形例は、成形体の特性範囲を広げるために、人工的な添加剤、特にイソシアネートおよびポリマー、特にポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアセテート、およびミョウバンがｐＨ値の調整のために、好ましくは少量で添加されることを意図する。

添加剤は単独で、またはこれらのうち少なくとも２つからなる混合物として、特に乾燥質量に関して０．２質量％〜３５質量％、好ましくは３質量％〜１５質量％の量で使用することができる。

リグノセルロースフォームを作成するための１つの重要な要素は繊維可溶化である。起泡の本来のプロセスは、発泡剤の添加によって行われるか、または発泡性のコンシステンシーになるまでの強力な攪拌によって行われる。最後に、熱による脱水のときにフォームが硬化する。

さらに本発明による方法は、高粘度の繊維素材を作成するために、分解をする、たいていは少なくとも２つの粉砕プロセスに順次通された天然の未処理の原料が使用されることを特徴とする。まず、原料が第１のプロセスステップでＴＭＰ、ＣＴＭＰ、砕木パルプまたは加圧パルプへと予備破砕される。次いで、好ましくはまだ湿潤している繊維素材が集中的な粉砕プロセスにかけられる。この高粘度粉砕のときに多糖類および付属的な内容物質が遊離され、セルロースが化学的に分解されることはない。さらに集中的な粉砕は、セルロース繊維の短縮とフィブリル化を引き起こす。個々の繊維長は−粉砕度とリグノセルロース含有原料の種類に応じて−、２００μｍ〜２５００μｍである。繊維の圧搾と摩擦により、一次壁が部分的に破損し、それに伴って二次壁がフィブリル化して、スライム物質が生じる。これは、二次壁から剥がれて繊維に房状に垂れ下がるフィブリルからなる。それと同時にフィブリル化は、粒子表面の著しい拡大につながる。このようなスライム物質と拡大した粒子表面は、遊離した内容物質と同じく、本発明に基づいて製造中における良好なガス保持能力につながり、さらには、最終的な固いフォームの統合性のためにも主要な貢献を果たす。したがってこの統合性は、製造プロセス中に活性化する木材独自の結合力によって実現される。必要な高粘度のコンシステンシーを達成するために、少なくとも１つの種類の上述したリグノセルロースが、好ましくは木材が、リファイナー、歯付きコロイドミル、コランダムディスクミルなどによって繊維物質へと予備破砕され、次いで、これと同一または類似の種類の設備によって高粘度粉砕にかけられ、このときリグノセルロースの原料植物が好ましくは圧搾されて引裂かれるが切断はされず、それによって高粘度のコンシステンシーが実現され、
−このとき粉砕中の、たとえばエッジミルでの、リグノセルロースと水の重量比率は１：２〜１：２０、好ましくは１：５〜１：１２であり、
−植物内容物質の遊離と多糖類によって促進される所望の高粘度のコンシステンシーは、的確な温度上昇がインターバルをおいて行われた場合に特別に容易に実現することができ、
−ｐＨ値は４〜１０、好ましくは５〜８であり、
−粉砕プロセスは常圧または最大８バールの過圧のもとで行われる。このとき研磨プロセスを実行することができる。

粉砕された植物性物質は、高粘度の懸濁液と呼ぶ素材を得るために、スクリーンによって余剰の水から分離される。高粘度のコンシステンシーの植物性素材を、下記の実施例に準じて、所望の多孔性の成形体へと構成することができる。引き続いて、調製された高粘度の懸濁液が、好ましくは底面の穴付き板もしくはスクリーンと側面とで構成される型に注がれ、または穴付き板および／もしくはスクリーンを有する型に注がれ、最後に、熱による脱水のもとで、たとえばマイクロ波乾燥によって、蒸気オートクレーブまたは乾燥キャビネットの中で乾燥される。

この新規の製品を成功裏に得るために重要なのは、リグノセルロース含有の繊維からなる泡状の懸濁液を使用することにある。これはある程度のガス保持能力のために、および完成した製品の良好な統合性のために必要であり、人工的な結合剤は必要ない。繊維物質の分解度が高くなるほど、統合性は良好になる。リグノセルロースの機械的な分解度、水含有量、および、たとえば化学的もしくは物理的な発泡による、またはこの両方の方式の組み合わせによる、場合により添加剤を用いた、もしくは用いない多孔性構造の生成方式を的確に変えることで、リグノセルロースフォームの密度と特性を的確に制御することができる。発泡剤としての過酸化水素との組み合わせが特別に良く適している。

さらにこの製品は、臭気中立的で他の木素材と同様に加工することができる、固くて形状安定的なフォームである。この新規の軽量材料は軽量建築プレートとして絶縁目的のために、包装材料として、音響部材として、遊具として、ならびにセルラー構造をもつ種々の成形体のために好適である。サンドイッチ構造における軽量の中間層としても適しているが、それは、この製品が両面で機能することができるからである。孔のある構造は、熱伝導率と音響通過の大幅な削減を可能にする。製造プロセス中に追加物質を単に加えることができ、たとえば疎水化剤、たとえば人工もしくは天然のオイル、パラフィン、ワックス、有機ケイ素化合物、発火防止剤／残燼防止剤、および／またはたとえば人工もしくは天然の殺菌剤、特にソーダと乳清からなる混合物などを加えることができる。流動性のあるコンシステンシーに基づき、任意の３Ｄ（三次元）構造を製作することができる。殺菌剤を的確に追加しなければ、このフォームは湿度の高い環境で、たとえば地中で長期の保管をしたとき、容認できる期間内に腐朽可能である。

屋外使用の場合に、完成した成形品の耐久性を改善するために、繊維物質を破砕前にアセチル化することができ、それにより、繊維物質の水分吸収能力が引き下げられる。このとき多孔性に基づき、成形体そのものは水分吸収能力が保たれる。

所望の耐圧性に合わせた適合化は、異なる繊維長の混合によって実現することができる。繊維長の範囲は２００μｍ〜２５００μｍであり、耐圧性の向上は、１０００μｍ〜２５００μｍの繊維長をもつ繊維の５％〜５０％の割合で、繊維懸濁液へ長い繊維を添加することで行われる。さらに、木の種類によって、または、スターチ、リグニンスルホネート、プロテインなどの天然の結合剤をたとえば２〜２０％の割合で添加することによって、耐圧性を向上させることができる。同様のことは、ＰＭＤＩ、ポリウレタン、および／またはポリ酢酸ビニルをベースとする分散液の、特に２％〜２０％の接着剤の添加にも当てはまる。

得られる成形体は、耐水性結合に基づき、湿度の高い環境での使用に適しており、少ない厚さ膨潤を備えるとともに、乾燥後には再び安定的となる。適用する繊維長を通じて、特に異なる繊維長の群を混合することで、および使用する木材繊維を通じて、最終製品の密度と強度を調整することができる。繊維のアライメントはそのために必要ではなく、むしろ、繊維は成形体の中で方向付けされずに存在する。

成形体の密度の調整は、たとえば長い繊維の量の変更によって行うことができる。たとえば長い繊維（１０００μｍ〜２５００μｍ）を添加すると成形体の密度が低下し、封入されるガスの量の増加およびそれによる密度の低下を引き起こす、界面活性剤やプロテインなどの乳化剤を多めの量で使用したときも同様である。使用する過酸化水素の量を増やすと、ガス量が増えるので密度が低下する。

成形体の水分吸収能力は使用する木の種類に依存して決まり、針葉樹は広葉樹よりも低い水分吸収キャパシティを有する。調整される多孔度が高いほど、すなわち成形体の全体容積に対するキャビティ容積の比率が高いほど、多くの水分を成形体に吸収することができ、成形体のキャビティの中に水分が保持される。ワックスやシランなどの疎水性の添加剤を通じて、基本的に水分吸収をする傾向のある木材繊維を含浸することができる。アセチル化などの繊維前処理も、同じく水分吸収能力を低下させる。

成形体の吸音をする能力は密度と多孔度を通じて調整することができ、多孔度が高いほど、およびこれに伴って密度が低いほど、そのつどの成形体の吸音性は高くなる。リファイナープロセスのとき、たとえばすでに説明したアセチル化による疎水化によって、ならびに／または１％〜１５％の量でのワックスおよび／もしくはメラミンの添加によって、繊維特性に影響を及ぼすことができる。繊維の親水化が望ましいときには、１６０℃〜１８０℃の高い温度によって繊維を改良することができる。アクリレート、尿素、メラミン、グリオキサール、および／またはグリオキシル酸（２％〜２０％）をリファイナープロセスへ付加することを通じて、繊維相互の結合を強化することができる。

成形体の改善された弾性は、ゴム（１０％〜６０％）の添加によって、またはポリウレタン（１０％〜６０％）の添加によってもたらすことができる。

次に、実施例を参照しながら本発明についてさらに説明する。

実施例１：
７％の固体含有率をもって、ブナ繊維（ＴＭＰ）またはマツ繊維と水からなる懸濁液を、室温のもとで常圧リファイナーでさらに繊維分解する。次いで、この高粘度の木材繊維懸濁液からスクリーンで余剰の水を取り除き、１０％〜１５％の固体含有率を調整する。１０００ｇの高粘度の懸濁液を、割合に応じて５％〜３５％の過酸化水素（水中で３５％）とともに最大４分間室温のもとでインテンシブミキサで攪拌する。均一で流動性のあるこの素材を、全面にパーフォレーションのある型へ充填し、１３０℃で６〜２０時間のあいだ炉で乾燥させる。生じたリグノセルロースフォームは、５０ｋｇ／ｍ^３〜２５０ｋｇ／ｍ^３のかさ密度を有するとともに、１０％の圧縮時に２０ｋＰａ〜最大３５０ｋＰａの耐圧性をかさ密度依存的に有する。

実施例２：
１０％〜１５％の繊維含有率を有する１０００ｇの高粘度の懸濁液（ブナ繊維またはマツ繊維）に割合に応じて７％〜２０％のプロテインを加え、まず、均一な素材となるように攪拌する（実施例１参照）。次いで、割合に応じて５％〜３５％の過酸化水素（水中で３５％）を攪拌しながら徐々に均等に添加する。この均一な発泡素材を全面にパーフォレーションのある型へ充填し、１３０℃で６〜２０時間のあいだ炉で乾燥させる。生じたリグノセルロースフォームは、５０ｋｇ／ｍ^３〜２５０ｋｇ／ｍ^３のかさ密度を有するとともに、１０％の圧縮時に２０ｋＰａ〜最大６００ｋＰａの耐圧性をかさ密度依存的に有する。

実施例３：
１０％〜１５％の繊維含有率を有する１０００ｇの高粘度の懸濁液（ブナ繊維またはマツ繊維）に割合に応じて０．５％〜５％のリグニンスルホネート溶液（水中で５５％）を加え、まず、均一な素材となるように攪拌する（実施例１参照）。次いで、割合に応じて５％〜３５％の過酸化水素（水中で３５％）を攪拌しながら徐々に均等に添加する。この均一な発泡素材を全面にパーフォレーションのある型へ充填し、１３０℃で６〜２０時間のあいだ炉で乾燥させる。生じたリグノセルロースフォームは、５０ｋｇ／ｍ^３〜２５０ｋｇ／ｍ^３のかさ密度を有するとともに、１０％の圧縮時に２０ｋＰａ〜最大２４０ｋＰａの耐圧性をかさ密度依存的に有する。

実施例４：
１０％〜１５％の繊維含有率を有する１０００ｇの高粘度の懸濁液（ブナ繊維またはマツ繊維）に割合に応じて５％〜１０％のスターチおよび７％〜２０％のプロテインを加え、まず、均一な素材となるように攪拌する（実施例１参照）。次いで、割合に応じて５％〜３５％の過酸化水素（水中で３５％）を攪拌しながら徐々に均等に添加する。この均一な発泡素材を全面にパーフォレーションのある型へ充填し、１３０℃で６〜２０時間のあいだ炉で乾燥させる。生じたリグノセルロースフォームは、５０ｋｇ／ｍ^３〜２５０ｋｇ／ｍ^３のかさ密度を有するとともに、１０％の圧縮時に２０ｋＰａ〜最大６００ｋＰａの耐圧性をかさ密度依存的に有する。

実施例５：
１０％〜１５％の繊維含有率を有する１０００ｇの高粘度の懸濁液（ブナ繊維またはマツ繊維）に割合に応じて１０％〜２５％のＰＵ分散液および割合に応じて７％〜２０％のプロテインを加え、まず、均一な素材となるように攪拌する（実施例１参照）。次いで、割合に応じて５％〜３５％の過酸化水素（水中で３５％）を攪拌しながら徐々に均等に添加する。この均一な発泡素材を全面にパーフォレーションのある型へ充填し、１３０℃で６〜２０時間のあいだ炉で乾燥させる。生じたリグノセルロースフォームは、５０ｋｇ／ｍ^３〜１７０ｋｇ／ｍ^３のかさ密度を有するとともに、１０％の圧縮時に２０ｋＰａ〜最大３５０ｋＰａの耐圧性をかさ密度依存的に有する。

ＷＯ０２／０５５７２２Ａ１
ＥＰ２６１５２０９Ａ１
ＵＳ−Ａ−２０７７４１２
ＤＥ４００８８６２Ｃ１
ＤＥ３４２０１９５Ｃ２
[非特許文献]
（１）D. Einer, F. Jornitz, A. Wagenfuer : Bioschaeume als alternative Nutzungsmoeglichkeit fuer nachwachsende Rohstoffe（再生可能な原材料の代替としての有機発泡体）; Fachtagung Nutzung nachwachsender Rohstoffe− Biooekonomie 3.0（再生可能原材料の使用に関するシンポジウム−バイオエコノミー3.0）; Dresden; 18.03.2016（ドレスデン；2016年3月18日）
（２）Flyer “Holzschaum− natuerlich leicht” （「ウッドフォーム−自然に軽い」というチラシ; Fraunhofer-Institut fuer Holzforschung（フラウンホーファー木材研究所）、 Wilhelm-Klauditz-Institut WKI（ヴィルヘルム・クラウディッツ研究所WKI）; Oktober 2015（2015年10月）
（３）Refiner−Holzstoff（リファイナー木材パルプ ; Papier + Technik（紙＋テクノロジー）, Ausgabe 07/2009 [abgerufen am 08.01.2018]（2009年7月版 [検索日08.01.2018年1月8日]）

Claims

破砕されたリグノセルロース含有の繊維物質から自己粘着的に結合された多孔性の耐圧性の成形体を製造する方法において、前記繊維物質が１２０℃〜１８０℃の温度と２〜８バールの圧力のもとで繊維懸濁液をなすように処理され、引き続いてこれが人工的な結合剤の添加なしに型に充填され、または支持体に塗布されて、乾燥される方法。
破砕された繊維物質の製造時にＴＭＰ繊維のさらなる破砕がリファイナーで圧力なしに室温で２００〜８００μｍの所望の繊維長になるまで行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
型への注入前または支持体への塗布前に１：３〜１：１０の固体・水・比率を有する高粘度の懸濁液をなすようにデカンタによって水性の繊維懸濁液の脱水が行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
支持体としてスクリーンベルト、不織布ベルト、またはコンベヤベルトが利用され、型として閉じた壁部またはパーフォレーションのある壁部を有する三次元に構成された一体的または多部分からなる型が利用されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
高粘度の懸濁液が圧力のもとで型に入れられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
高粘度の懸濁液が熱による乾燥前に真空または機械的な圧力によって予備脱水されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
乾燥は対流式および／もしくは伝導式の乾燥機によって、ならびに／または熱放射によって、ならびに／または電磁放射によって行われることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
乾燥は乾燥機の中で段階的にまず１１０℃〜１４０℃の温度で実行され、引き続いて乾燥温度が７０℃まで引き下げられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
高粘度の懸濁液に発泡剤、特にガス発生剤、Ｎ_２０、プロパン、ｎブタン、ペンタン、または完全に分解する発泡剤、特に過酸化水素が型への注入または支持体への塗布の前に添加されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
高粘度の懸濁液に型への注入または支持体への塗布の前に機械式、空気圧式、および／または熱式のプロセスによって起泡のためのガスが注入されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
高粘度の懸濁液の作成の後または途中でプロセス添加剤、製品改良をする添加剤、または所望の製品特性を調整するための添加剤が添加されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
高粘度の懸濁液に疎水化剤の形態の添加剤、特に人工もしくは天然のオイル、パラフィン、ワックス、もしくは有機ケイ素化合物、ならびに／または発火防止剤および／もしくは残燼防止剤および／もしくは殺菌剤の形態の添加剤、特にソーダと乳清からなる混合物が添加されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
アゾビスイソブチロニトリル、活性化したアゾジカルボンアミド、ジニトロペンタメチレンテトラミン、ヒドラゾジカルボンアミド、オキシビススルホヒドラジド、オキシビスベンゾルスルホ−ヒドラジド、５−フェニルテトラゾール、パラ−トルオルスルホニルセミカルバジド、トルオル−／ベンゾール−スルホヒドラジド、およびこれらの塩、特にアルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の形態の有機発泡剤が高粘度の懸濁液に添加されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
炭酸アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、好ましくは炭酸水素カリウムおよび酸担体との混合物、特にジナトリウムヒドロゲン−ジホスフェート、カルシウムジヒドロゲンホスフェート、またはカルシウムシトレート、ならびに酸環境と塩基環境の両方におけるアルミニウム粉末の形態の無機発泡剤が高粘度の懸濁液に添加されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
発泡剤は単独で、またはそのうちの少なくとも２つの混合物として、乾燥質量に関して質量割合０．２５％〜質量割合２０％の割合で使用されることを特徴とする、請求項１３または１４のうち少なくとも１項に記載の方法。
亜硫酸もしくは硫酸−セルロース廃液、およびテルピン油、ゲル化剤、アルギン酸、小麦、ジャガイモ、トウモロコシ、エンドウ、もしくはコメに由来する穀粉もしくはスターチ、および／または特にメチルセルロースもしくはグルチンをベースとする架橋剤が高粘度の懸濁液に添加されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
人工的な添加剤、特にイソシアネートおよびポリマー、特にポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアセテート、および／またはｐＨ値の調整のためのミョウバン、および／またはグルタルアルデヒドが添加されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
添加剤は単独で、またはこれらのうち少なくとも２つからなる混合物として、特に乾燥質量に関して０．２質量％〜３５質量％、好ましくは３質量％〜１５質量％の量で使用されることを特徴とする、請求項１０から１７のいずれか１項に記載の方法。
繊維物質が破砕前にアセチル化されることを特徴とする、請求項１から１８のいずれか１項に記載の方法。
繊維懸濁液は１０００μｍ〜２５００μｍの繊維長を有する５％〜５０％の繊維を有することを特徴とする、請求項１から１９のいずれか１項に記載の方法。