SE437984B - Forfarande for framstellning av ett cellulosafiberforsterkt karbonatbyggnadselement - Google Patents

Description

7906573-6 varaktighet, brandmotstånd, ytjämnhet, hanterbarhet, bearbetbarhet och användningskaraktäristika (se omedelbart nedan beträffande de sista tre egenskaperna). Denna uppfinning, sådan den härefter defini- eras och beskrives, uppfyller detta behov.

Anmärkning: Begreppet "hanterbarhet" avser skivans förmåga att kunna bäras och fixeras utan att brista och är vanligen relaterat till mätbara karaktäristika såsom: brotthållfasthet, elasticitets- modul, hårdhet, slagstyrka och skenbar specifik vikt (dessa egen- skaper definieras i följande beskrivning). Begreppet "bearbetbar- het" avser skivans förmåga att kunna skäras, spikas, borras och förses med hål. Uttrycket "användningskaraktäristika" avser livs- längd och skivans förmåga att motstå de påfrestningar som den kommer att unpleva under sin livstid efter installation; dylika påfrestningar inbegriper sådana som resulterar av hygro-expansion och frysnings- tiningsbetingelser. Det är viktigt att en bygg- nadsskiva har dessa egenskaper.

Vid sökandet av en lösning på de med användningen av asbestfibrer för- knippade problemen har ett försök varit att ersätta dylika fibrer med plasfibrer. Som helhet betraktat har emellertid detta försök icke va- rit framgångsrikt på grund av glasfibrernas pris och bristen på ålders- bestündighet som resulterar av lösligheten av glas, över en tidsperi- od, i en cementomgivning (alltigenom denna beskrivning innebär "cement" ett cement av Portlandtyp), åhuru lösligheten kan tillgodoses till en del genom att belägga fibrerna, medför detta i sin tur andra pro- blem och det leder dessutom till ytterligare kostnadsökningar. Försök att framställa "speciella" glassammansättningar med låg löslighet har även misslyckats på grund av kostnadsöverväganden. En ytterligare svå- righet har varit att glas/cementslam eller -suspensioner har filtre- ringskaraktäristika som gör dem svåra att formera på ordinära asbest- ccmentformningsmaskiner.

Ett annat försök har varit att ersätta asbestfibrerna med cellulosa- fibrer. Detta försök är emellertid regressivt eftersom asbestcement, när det först infördes, övervann styrke- och livslängdsproblem för- knippade med tidigare användning av cellulosafibrer för att förstärka cement av Portlandtyp. Dessa tidigare problem kommer nu att diskuteras i korthet eftersom de, såsom varande förknippade med användningen av cellulosafibrer, är bland de problem som man icke skulle ha förväntat sig att övervinna genom föreliggande uppfinning. 7906573-6 Styrkeproblemet är i korthet enligt följande: Lïgnin och andra för- oreningar förknippade med cellulosafibrer interfererar med cementetu hårdnande. Comentet, när detta hârdnat, förefaller icke ha någon bind- ning till oellulosafibrernas ytor och följaktligen kan överdriven rörelse äga rum mellan fibrerna och den hârdnade cementen. Dessutom har svårigheter till och med uppträtt vid blandningen av ett cement innehållande cellulosafibrer.

Livslängdsproblem uppträder typiskt eftersom cellulosa är ett orga- niskt material och kan vara föremål för mikrobisk nedbrytning och eventuellt termitangrepp. Problemet med mikrobisk nedbrytning kan vara speciellt äventyrlig om den av det fiberförstärkta cementet tillverkade artikeln har en strukturell eller bärande användning eftersom artikeln plötsligen kan fallera vid någon oväntad tidpunkt efter installationen. Ett sådant plötsligt fallissomang eller brott resulterar vanligen på grund av egenskapsförändringar, såsom alkali- tetsförlust, som kontinuerligt äger rum i hårdnad cement, varvid dylika förändringar åstadkommer en mer fördelaktig omgivning för mikrubur, Prublvmet mod tormitungropp på cellulosa är givetvis vüLkünL.

Hygróexpansion är även ett problem. En Portlandcementgrundmassa är själv hygroexpansiv liksom cellulosafibrer, vilket innebär att kvan- titeten cellulosasom kan införlivas i cementgrundmassan begränsas genom övervägande av hydroexpansionen.

De ovan anförda tidigare problemen, vilka tidigare övervanns genom att ersätta cellulosafibrer med asbestfibrer, har icke återinförts genom föreliggande uppfinning eftersom vi i denna övervunnit proble- men genom att ersätta cement med en lämplig oxid eller hydroxid och genom att ersätta vattenhârdnande processen genom en karbonerings- hârdnande process, varigenom oxiden eller hydroxiden omvandlas till en karbonatmassa. Föreliggande uppfinning grundar sig dessutom på den överraskande upptäckten att om man formerar den hopfiltade fil- ten (av cellulosafibrer, vatten och utvalda oxider eller hydroxider) så att den har on porositet och företrädesvis en cellulusahalt inom specificerade områden kommer produkten av det efterföljande karbone- ringssteget att vara ett fiberförstärkt byggnadselement, som (såsom kommer att framgå härefter) är en fullständigt tillfredsställande n.r:°.:'í!.l;r1íng',' För :mbestcelnentskivorxizz enligt Lixiígçare -xz-knila.

(B) Det förekommer ett stort antal variabler som är kända att vara förknippade med tillverkningen av en karbonerad fiberskiva och pro- 7906573-6 blemet är att välja speciella variabler, eller kombinationer av vari- abler, och att bestämma specifika områden för de valda variablerna så att syftena med uppfinningen kan uppnås. Vissa exempel på variabler- na uppräknas enligt följande: fibertyp, fiberlängd, fiberdiameter, fibermängd, hydroxidtyp, hydroxidmängd, typ och mängd av ballastmate- rial eller aggregat, formningstryck, skiv- eller plattjocklek, gas- permeabilitet, vattenpermeabilitet, vattenmängd, karboneringstempera- tur, karboneringsperiod, koldioxidtryck, koldioxidkoncentration och hastighet hos karboneringsgasen. När det inses att, utan uppfinnings- mässig sinnrikhet, områden för varje variabel skulle behöva.undersökas innan en lämplig variabel skulle kunna utväljas, blir det klart varför syftena med uppfinningen tidigare icke har uppnåtts.

Problemet kompliceras ytterligare eftersom många av variablerna är relaterade och relationerna vanligen icke år enkla. För korthets skull har vi icke i beskrivningen beskrivit omfattningen av det problem som lösts genom vår uppfinning (som följaktligen skulle kunna förefalla att icke ha den fulla sinnrikhet, som bör krediteras upp- finningen). En granskning av tidigare teknik illustrerar emellertid betydelsen av vad vi uppnår.

Genom att välja från fasta ämnen fri porositet såsom vår huvudsakliga variabel har vi icke blott i själva verket upptäckt en icke-uppenbar variabel som icke har beaktats tidigare utan vi har samtidigt undvikit komplikationer i enlighet med de ovan antydde linjerna. Vid beaktande av vår uppfinning måste det slutligen inses att, trots de finansiella belöningar som väntar lösningen av de problem, med vilka föreliggande uppfinning har gett sig i kast med, är vi de första att uppnå de ome- delbara syftena.

(C) Vår upptäckt, såsom angives ovan, ledde oss till att studera ti- digare teknisk litteratur, vilket studium avslöjade åtskilliga publi- kationer som faller in0m den allmänna kategorin av besläktat bakgrunds- material. Ingen av dessa publikationer beskriver emellertid ett för- farande eller en produkt, såsom definieras härefter och i bifogade krav. I synnerhet åstadkommer icke någotav de i tidigare teknik beskriv- na förfarandena en artikel eller ett alster med en okarbonerad porosi- tet inom det i denna beskrivning fastlagda området.

Uppfinningstanken är, uttryckt i vida ordalag, förkroppsligad i ett förfarandeför framställning av ett hopfiltat filtalster lämpet för 7906573-6 karbonering för att bilda ett fiberförstärkt karbonatbyggnadselement.

Detta förfarande innefattar stegen att (a) välja fasta ämnen innefattande åtminstone en jordalkalioxid eller -hydroxid och cellulosafibrer, blanda de fasta ämnena med vatten för att åstadkomma ett slam, och att (b) formera slammet till det hopfiltade filtalstret med detta alster innehållande porer som är förbundna och innehåller vatten, -varvid den hopfiltade filten har en porositet i området 55-50 %. Med fördel är cellulosafibrerna närvarande i en mängd i området 7-40 vikt-%.

Uppfinningen åstadkommer även ett förfarande för att framställa ett cellulosafiberförstärkt karbonatbyggnadselement, vilket förfarande innefattar stegen att (a) blanda fasta ämnen och vatten för att åstadkomma ett slam eller en suspension, i vilken de fasta ämnena innefattar åtminstone en jordalkali- oxid eller -hydroxid och en cellulosafibermängd i det föredragna områ- det 7-40 vikt-% av de fasta ämnena, (b) formera slammet såsom ett gaspermeabelt alster med porer som inne- håller vatten, varvid alstret är kännetecknat av att det har en poro- sitet 1 området 55-50 %, een att (c) bringa koldioxidgas att tränga in i alstret med hjälp av porerna, - varigenom hydroxiden eller hydroxiderna omvandlas till karbonat res~ pektive karbonater och sålunda åstadkommande elementet.

Up finnin,en innefattar även inom sin ram alster och byggnadselement 9 med de ovan definierade karaktäristikorna, såväl i och för sig som så- som varande framställda genom de föregående förfarandena.

Fördelarna med, och andra särdrag hos, uppfinningen kommer att utveck- las i följande allmänna beskrivning av uppfinningen, i vilken hänvis- ning bland nnnnn göres (nen inte nnnvanalntvin 1 följa) till (1) peni- tiva syften och deras uppnåendo, (ii) använd termjnulori, (iii) elc- mentegenskaper hos uppfinningen, (iv) föredragna undergeneriska detal- jer med teoretisk diskussion såsom är tillämpligt, (v) parameteröver- väganden och (vi) detaljerade uppförandesärdrag.

Uppfinninxon har tre huvudsyften: Det första nr att uppnå e onnkaper- na hos asbestcement i fiberkarbonatbyggnadselementot. Det andra är att uppnå en högre karboneringshastighet än inom tidigare teknik. Det tredje är att utnyttja avfallsmaterial (exempelvis avgas och avfalls- papper) för att därigenom skydda miljön och bevara ursprungsresurser. 7906573-6 Såsom är uppenbart av följande beskrivning uppfylles samtliga syften.

Egenskaperna hos det i enlighet med uppfinningen åstadkomna byggnads- elementet, härefter ofta helt enkelt benämnt den uppfunna produkten för bekvämlighets skull, diskuteras omedelbart nedan. Byggnadselemen- tcts egenskaper framföras även i tabell ? vil slutet av beskrivningen.

Böjhållfasthet: Brotthållfastheten hos den upnfunna produkten jämföras med den för asbestcement i den omedelbart följande tabellen 1.

Qabe1l_l Uppfunnen fustraliensisk ISO speci- produkt "External fication Grade" för asbest- asbestcement cement Riktningsgenomsnitt 9.8-19.5 14.4 22.0 Brotthållfasthct - Våtprovninfl (MPa) Upps:attat ríktningu- 16.7-§5.2 22.5 55.0 genomsnitt för brott- hällfasthet - Torrprovning (MPa) Såsom framgår är böjhållfastheterna hos den uppfunna produkten liknan- de de för asbestcement.

Slaghâllfasthetz Izod-slaghâllfastheten hos men uppfunna produkten varierar från 1650-3525 J/m2 medan australiensisk "external grade"- asbestcement varierar från 1350-2400 J/m2.

Elasticitetsmoaulz Böjelasticitetsmodulen hos den uppfunna produkten varierar från 0,6-2,5 MPa x 104 medan australiensisk "external grade"- ašbestcement varierar från 0,9-1,1 X 104 MPa.

Hygroexpansion: Hygroexpansionen hos den uppfunna produkten varierar från 0,17-0,57 ß medan australiensisk "external grade"-asbestcement uppvisar en siffra på Ö,28 %.

Hårdhet: Hårdhetsintryckningen hos den uppfunna produkten var 1,41- 2,56 mm. Siffran för australiensisk asbestcement är 0,74-1,10 mm. Den något lägre hårdheten hos den uppfunna produkten återspêglas i utmärkt bearbetbarhet. 7906573-6 Sammanfattnincsvis är huvudegenskaperna hos den uppfunna produkten demonstrerbart liknande eller bättre än de för asbestcoment.

Denna beskrivning utnyttjar ett antal regelbundet upprepade utryck (inbegripande de inkluderade i diskussionen av egenskaper ovan), vil- kas precisa betydelser är viktiga för full förståelse av uppfinningen.

Följande uttryck bör förstås såsom havande angiven betydelse.

Porositet: I beskrivningen definieras porositet i allmänhet såsom volymprocenten av från fasta ämnen fria, väsentligen inbördes för- bundna porer i den hopfiltade filten. Alla porositetssiffror i denna beskrivning är för den okarbonerade kroppen.

Porvolymen bestämmes genom att substrahera volymen av de okarbonerade komponentmaterialen (exempelvis volymen av jordalkalihydroxiden och cellulosan) från den av den hopfiltade filtens ytterytor inneslutna volymen. Den sålunda erhållna porvolymen uttryckes sedan såsom ett procenttal av den av den hopfiltade filtens ytterytor inneslutna volymen.

Volymen av komponenterna bestämmes från komponenternas vikt och deras respektive specifika vikter. Den specifika vikten för cellulosa antogs f 3 N. H .. _ . såsom 1,¿ 3/cm ior såval ren cellulosa som oellulosaiibrer innehål- lande lignin och/eller hemicellulosa.

Hoparbetad eller hopfiltat filt: Den hopfiltade filten definieras så- som det element som framställes genom partiell avvattning av slammet av jordalkalihydroxiden och cellulosafibern som är vid en lämplig poro- sitet för behandling med koldioxiden.

Grad av karbonatisering: Detta är den fraktion av hydroxiden som om- vandlas till karbonat under härdning eller hårdning med CO?-gas.

Skenbar specifik vikt (SSV): Detta är den skenbara densiteten hos den torra karbonatiserade sammansättningen uttryckt i kg/ma. Den kalkyle- ras genom att dividera kroppens vikt med dess utvändiga volym, som innefattar håligheterna inuti kroppen.

Permeabilitet: Detta är flödeshastigheten hos luft dragen genom en 2 . . _ yta på 52,8 m av en torr sammansättning under en tryckdifferens på 711,2 mm kvicksilver multiplicerad med sammansättningens tjocklek. rusar mätas i liter/min och tjocklek i mm.

Slagstyrka: Slagstyrkor mättes med en Izodslagprovare på skârade, fuktutjämnade prov av sammansättningen. 7906573-6 Riktningsgenomsnittet (av åtminstone 4 provresultat) rapporteras såsom: slagstyrka I = .Yta (m ) Brotthållfasthet (BH) eller böjhållfasthet: BH-mätninearna utfördes på prov som hade blötlagts i vatten åtminstone 18 timmar före provet.

Proverna utfördes på 13 x 15 x 0,45 om -prover som provades i en "Avery Universal Testing Machine".

Spännvidden vid böjprovet var 11,5 om och hastigheten för belastningen bibehölls vid ett konstant värde. Brotthållfasthetresultaten kalkyle- raoes i MPa frän formeln BH (MPa) = 5- 1: 2 br ' l där u applicerad last spännvidden l b = 'pICOVO ISS 'bredd u = provets tjocklek nu här rapportvcade rosulLdLcn är av prov gjorda på vattnnmättude provstycken. Anmärkning: De inom tidigare teknik återgivna resultaten är vanligen gjorda på atmosfärsutjämnade provstycken och dessa resul- tat är alltid högre än de för vattenmättade prover.

Böjelasticitetsmodul (BEM): BEN-beräkningarna gjordes genom att regi- strera avböjningarna hos BH-provexemplaren. Modulen beräknades från formeln F* ._ _ 4bd°A . där AL. är provets avhöjning, De härefter i tabell 2 angivna BEN-värdena är från prover gjorda på prov av dimensioner 60 x 60 x 4,5 mm, som är en mindre storlek än den som normalt användes för dessa prover.

Hårdhet: Denna metod mäter intryckningen av en fallande metallstav på ytan av ett fuktighetsutjämnat prov. lntryckningen göres medelst en konformad ände av staven. Mätningen upptecknas i mm. Fallets höjd är BP9 mm Från provytan.

Hygroexpansion: Hygroexpansioner mättes på prover med 24 mm längd.

Dimensionsförändring mättes mellan vattenmättning och torra betingelser i en ugn på 10200. 7906573-6 9 Upikbarhet: Spikbarhetsprovet utfördes på atmosfärsutjämnade prover på en linje 6,55 mm från skivans kant. Konventionella ?5 x 2,0 mm spikar med flata huvuden hamrades jäms med ekivytan. Resultaten be- dömdes oacceptabla när skivan splittradeseller delade sig. ï de omedelbart följande styckena ges en teoretisk spekulation be- träffande möjliga förklaringar som kan ge anledningen till överraskan- de kombinationen av i vår produkt observerade fysikaliska egenskaper.

Den grundläggande kemin som ligger till grund för vårt förfarande för framställning av en karbonatgrundmassa eller -bindemedel, exempelvis en kalciumkarbonatgrundmassa, anföres först nedan. I det givna fallet utfälles kalciumkarbonatet såsom en massa av inbördes sammanlåsande fina kristaller, vilkas volym är approximativt 12 % större än den kalciumhydroxidvolym, från vilken den härledes.

H29 + C02 = H2CO5 ca(øH)2 + 112005 = cacoš + 2H2o + 17,7 K kal Det förmodas att de utmärkta fysikaliska egenskaperna hon don före- dragna produkten kan bero på kombinationen av fin mikrostruktur, in- tern expansion, optimal porositet och optimal cellulosafiberhalt. Des- sa karaktäristiskasärdrag diskuteras nu individuellt och kollektivt.

Den i den uppfunna produkten utvecklade, fina mikrostrukturen demonst- reras under hänvisning/fig 1-4, i vilka fig 1 visar ett kraftigt för- storat fotografi av en brottyta av en presskropp av släckt kalk, fig 2 visar ett fotografi av en liknande yta efter att karbonatiseringen av presskroppen utförts under fyra timmar 6006, fig 3 visar ett fotogafi under mycket större förstoring av en region Z liknande den i fig 2 visade regionen Y och fig 4 visar ett fotografi, med en förstoring liknande den i fig 2, av en brottyta av ett hårdnat cement innefattan- de huvudsakligen hydratiserade kalciumsilikater.

Såsom framgår av Big 1 och 2 innefattar båda ytorna ett sfäriskt glas- agqregat som icke är ett särdrag hos föreliggande uppfinning. Regionen X i fig 1 visar stora partiklar av släckt kalk och porer däremellan, I regionen Y i fig 2 framgår att kalciumkarbonatpartiklarna är mycgàtdïe och uppträder (i figuren) såsom ett vitt pulver och har expanderat invändigt in i porerna för att åstadkomma ett material med finare mikro- struktur.

Såsom angivits ovan kan expansionen som äger rum genom omvandlingen av 7996573-6 kalciumhydroxid till kalciumkarbonat beräknas och är approximativt 12 % av hydroxidens volym. Eftersom vi har observerat att de utvändiga dimensionerna förblir konstanta under denna process måste expansionen vara en invändig expansion.

Figurcrna 5 och 4 (cementet hos det senare har tillâtits16-18 timmar för hârdnande och har utsatts i en autoklav i 8 timmar vid en tem- peratur i omrâdet 150-TBOOC) gör en intressamtjämförelse. De mörkare områdena i fig 4 mellan de ljusare trâdliknande kristallkanterna hos silikaterna är porerna och det är klart att porerna i fig 5 är mycket mindre och till antalet fler än de i fia 4. Det framgår att karbonatot i fig 5 har en finare mikrostruktur än cementet i fig 4.

I ett föredraget utförande av uppfinningen (såsom angivits ovan) är den förening som blandas med cellulosafibrerna och vatten kalciumoxiä och/eller -hydroxid så att när skivan tillverkas i enlighet med detta utförande av uptfinningen finns återstående kalcium- och hydroxidjoner i kontakt med fibrerna till den tidpunkt då karbonatiserinçen är full- ständig. Denna kontakt innefattar fallet när jonerna absorberas in i fibrerna via ytkaviteterna och det förmodas attdylik absorption eller dylikt jonntbyte väl kan åstadkomma ínmmnitot mot mikrobiskt angrepp eller termitangrepp. Över en längre tidsperiod kan kontakten kalcifi- era fibrerna. Avsaknaden av stora porer, och den tidigare diskuterade bindningen, kan även förklara varför mycket korta fibrer med lågt pris kan utnyttjas och i en annan föredragen aspekt av uppfinningen erhålls dylika fibrer av avfallstidningspapper eller av kända trämassatillverk- ningsprocesser. Det bör emellertid observeras att längderna hos i tid- ningspapper använda fibrer kan variera avsevärt. Avfallstidningspappe- ret kan ha sitt ursprung i mjukt eller hårt trä och kan vara framställt medelst en mångfald massatillverkningsprocensur.

Vid användning av avfallstidningspappersfibror hade i ett experimnet den kartonntiserauu skivan en högre brotthällfnnihut (BU) än on lik- nande skiva utnyttjande kraft- eller nulfatfibrer. Denna upptäckt var överraskande eftersom de använda tidningspapnersfibrerna vanligen an- ses sämre än kraftfibrer (i det att de är kortare och har en genomsnitts- längd på ca 1 mm i motsats till ca 4 mm). Det skulle även ha förvän- tats att kraft- eller sulfatfibrer skulle vara överlägsna i samband med denna uppfinning på grund av deras högre renhet. I detta samman- hang anses vanligen närvaron av lignin och oxtraktmaterial vara skad- liga för hårdnandeprocesser. 7906573-6 11 Den ovan nämnda högre brotthållfastheten illustreras i fig 5 som visar BH-värden för skivor med, såsom anges, varierande fiberprocentsatser. kurvan A är för skivor innehållande tidningsnanpersfibrer och kurvan B är för liknande skivor innehållandeSulfatfibrer. Varje skiva innehöll 1 % "E" glasfibrer, 1 % polypropenfibrer, kalciumkarbonat och en liten procentsats oomvandlad släckt kalk. En jämförelse mellan kurvorna ll- lustrerar klart den ovan nämnda, överraskande upptäckten.

Såsom angivits tidigare är optimal porositet av central betydelse för uppfinningen. Porositeten är givetvis relaterad till formninfstrycket men sambandet är icke enkelt. Denna brist på enkelhet illustreras ge- nom exempel sådana dessa anges i bifogade fia 6, som visar samband mellan okarbonatiserad porositet och formníngstryck i MPa för två Oli- ka kompositioner av fasta ämnen innefattande avfallspappersfibrer, kaloiumhydroxid, polypropenfibrer och "E"-glasfibrer. Punkterna märkta "o" motsvarar materialviktprocentsatser enligt följande: 15 %, 84 %, 0,5 %, 0,5 p. Punkterna markerade "X" motsvarar ekvivalenta procent- satser men den använda släckte kalkon kom från en annan källa. Dessa kurvor visar hur formningstryckot kan varieras för en given porositet.

Såsom angivits ovan kan de observerade, excellentafysikaliska egenska- perna hos den föredragna produkten uppkomma genom samverkan av optimal porositet och cellulosahalt, fin mikrostruktur och invändig expansion.

Den fina mikrostrukturen och den invändiga expansionen kan svara för effektiv vidhäftning på cellulosafibern (och det mer än en grovt granulerad mikrostruktur där punktkontakterna på fibrerna skulle vara färre). Val av optimal porositet före karbonatisering svarar även för effektiv vidhäft- ning (och dessutom tvingar grundmassans invändiga expansion karbona- tet in i porerna och till kontakt med fibrerna). Kombinationen av fin mikrostruktur, optimal porositet och cellulosahalt och invändig expan- sion kan svara för en fibervidhäftning som är tillräckligt tät eller härd för att ge den höga, observerade böjhülifusthoton. tillräcklig glidning eller slirning kan emellertid äga rum för att ge de observe- rade, höga slaghållfastheterna. Hypotesen att viss glidning är nödvän- dig för att uppnå höga slagstyrkor stödes av diagrammet över slag- styrkor gentemot okarbonatiserad porositet vid olika oellulosahalter (fig 7), där i själva verket slagstyrkeoptima observerats. Det anses att när porositeten minskas förbi slagstyrkemaxima, uppför sig mate- rialet såsom ett sprött, mono-fas, keramikliknande material eftersom elasticitetsmodulen hos cellulosan är liknande den hos kalciumkarbonat. 7906573-6 12 Det har befunnits att när förfarandet enligt uppfinningen utövas kan skivor med rimlig hållfasthet uppnås om viktförhållandet i slammet av cellulosafibrer (relativt hydroxid + ballastmaterial när sådant är närvarande) hålles i det föredragna området Y-40 %. Om emellertid ski- vor med överlägsen slagstyrka och mer acceptabel hygroexpansion er- fordras hålles detta viktsförhållande optimalt inom området 10-30 %.

I samtliga fall har det kompakterade alstret en porositet i omrâdet 55-50 % före karbonatisering.

Ovan har uppfinningen generellt behandlats såsom varande ett förfaran- de för framställning av en byggnadsskiva som är en lämplig ersättning för asbestoementskivor och det har angivits att vår skiva följaktli- gen måste ha ett antal egenskaper som är lika goda som, om icke över- lägsna, de ekvivalenta egenskaperna hos asbestcementskivor. Vi har disku- terat faktorerna involverade i framställningen av vår skiva och vi har även hänvísat till vår upptäckt beträffande vikten av den okarbonati- serade porositeten. Vi har framlagt hypoteser beträffande varför poro- siteten är av central vikt för uppfinningen och vi har specificerat omrâdet för den icke karbonatiserade poroniteten såsom varande mellan 55 och 50 % av den okarbonatiserade skivan. Den inverkan detta omrâde har på skivegenskaperna summeras i korthet enligt följande: När poro- siteten är mindre än 55 % är den karbonatiserade skivan oacceptabel i vissa länder eftersom slagstyrkan är låg och skivan är för hård, ospikbar och obearbetbar. När porositeten är större än 50 fi är den karbonatiserade skivan oacceptabel eftersom våtböjhållfastheten är mindre än 11 MPa, vilket är för lågt (se fig 8). För porositeter så- dana som denna.vidhäftas fibrerna icke på korrekt sätt och utdragning uppträder när skivan utsätts för böjning eller slasbelastning.

För att återvända till cellulosafiberhalten som är förknippad med det specificerade porositetsomrâdet, må anföras att det (såsom tidigare angivits) finns cellulosafibcromrâden som är viktiga om skivorna skall tillverkas för att ha de erforderliga egenskaperna. Företrädesvis, och optimalt, är dessa cellulosafiberområden inom ett allmänt område på 10- 0 vikts-ß fasta ämnen i det för att bilda skivan använda slam- met. När cellulosahalten är mindre än 10 % är sålunda den karbonati- seradc skivan mindre acceptabel (eftersom våtböjhâllfastheten vanli- gen är mindre än 11 MPa) och skivan kan vara relativt hård och svår att spika i. När cellulosahalten är större 50 % kan hygroexpansionen vanligen vara för hög. .....____...______._._.. . ._ _. 7905573-6 En annan egenskap som är förknippad med ifrågavarande porositetsom- råde är hårdheten, som mätes genom det ovan angivna förfaringssättet.

Fig 9 visar penetreringar såsom linjära funktioner av porositet för skivor av varierande cellulosahalt.

Med porositeten, eftersom den är relaterad till användningskaraktäris- tika, är även förknippad fuktighetsstabilitet hos skivorna när de fixe- ras och utsätts för varierande väderbetingelser; om skivorna icke är stabila förekommer för mycket expansion och spikarna kommer att dra- gas ut och tätt anliggande skivor kommer att buckla sig. Vid prover togs hygrocxpansion såsom ett mått på fuktighetsstabilitob och prover- na utfördes på skivor med cellulosamängder på 10 %, 15 ß, 25 %, 50 ß och 55 %. Skivorna blötlades först i vatten och torkades sedan i en ugn vid 10200. Hygroexpansion beräknades för varje skiva genom att mäta den linjära krympning som ägde rum under torkning och genom att uttrycka krympningen såsom en procentsats. Resultaten av dessa prover är angivna i fig 10 och det noteras att cellulosamängder över 30 % leder till hygroexpansioner som kan vara oacceptabla.

Ett ytterligare särdrag med vårt förfarande är återanvändbarheten av avskärníngar och spolierad produkt. Laboratiorieprover har visat att skivor eller plattor som har bildats (dvs filterformats och formpres- sats) kan återbringas till massa och återformas utan någon större för- lust vad avser skivans eller plattans styrka efter karbonatisering.

Detta står i kontrast till den traditionella teknologin där återanvänd- ning av avskärningar av förhärdad asbestcement är begränsad genom cementets hårdnande som uppträder under behandlingen.

Såsom tidigare nämnts är ett syfte med uppfinningen att uppnå en högre karbonatiseringshastighet än inom tidigare teknik. Uppnåendet av detta syfte kommer nu att beskrivas. Många försök har i tidigare teknik gjorts för att tillverka koldioxidhårdnade kalkprodukter. I samtliga fal] har försöket vidlådits av krav på långa uppehållstider för k&Ib0~ natiseringen. I fall där kalkkroppen karbonatiseras i en koldioxid- atmosfär med en koncentration på 10-100 % C02 har sålunda uppehålls- tidcrna typiskt varit från cirka 10 timmar till många dagar. Dylika långa uppehållstidor har inneburit att satsbehandling har varit oblig'- torisk och kostnaderna har varit höga.

I motsats till det ovanstående har en överraskande hög karbonatiserings- hastighet uppnåtts med föreliggande uppfinning. Karbonatiseringstider på 0,5 och 2,5 timmar uppnås sålunda typiskt med 100 ß respektive 28 % 7906573-6 14 koldioxid. Dylika höga hastigheter tillåter att karbonatisering ut- föres i automatiserade kontinuerliga tunnlar till låg kostnad.

Den exceptionellt höga karbonatiseringshastighet som uppnås med upp- finningen synes primärt bero på våra porositetsområden och, i samver- kan därmed, vår föredragna cellulosafiberhalt. Dessa områden resulte- rar i en kropp (exempelvis en kalkkropp) som såväl har hög permeabili- tet som ger produkten de erforderliga fysikaliska egenskaperna. Prover har utförts som direkt demonstrerar betydelsen av vårt cellulosahalt- omrâde vad avser ökningen av karbonatiseríngshastigheten för skivor eller plattor i vårt porositetsområde.

En platta gjordes som bestod av 15 % tidningsuappersfibrer, 84 % hydra- tiserad kalk plus 0,5 % "E"-glasfiber och 0,5 % polypropenfiber (dessa procentsatser var baserade på fasta råmaterialämnen slammet). Efter filtrering och pressning var kalkkroppens porositet 59 %. Denna kropp karbonatiserades med 100 % C02 under en timme och detta resulterade i omvandling av cirka 80 % av don hydratiserade kalken.

En undra platta gjordes i vilken slamråmaterialet bestod av 5 % tid- ninfiupapper och 94 % kalk plus 0,5 % "E"-glas och 0,5 % polypropon.

Efter filtrering och pressning var porositeten 56 %. Denna kropp kar- bonatiserades i 100 % C02 under en timme och detta resulterade i om- vandling av cirka 50 % av den hydratiserade kalken. Plattan som inne- höll blott 5 % cellulosa karbonatiserades sålunda mycket långsammare än den som innehöll 15 % cellulosa (som hade en karbonatiseringshas- tighet typisk fär områdena enligt denna uppfinning).

En tredje platta gjordes som icke innehöll någon cellulosa utan bestod av blott hydratiserad kalk. Porositeten var 42 %. Denna platta karbo- natiserades på ett liknande sätt som det för de första och andra plat- torna ovan. Det var icke möjligt att fastställa karbonatiseringshas- tigheten eftersom kroppen utvecklade mikrosprickor och sedan bröts upp. Ehuru det faktiskt icko visar huruvida karbonatisoringshastig- heten var till och med lägre när icke någon cellulosa var närvarande, demonstrerar detta experiment tydligt ett annat förhållande, nämligen betydelsen i vår uppfinning av kombinationen av porositet och cellu- losafibrer. När en platta gjordes inom vårt porositetsområde men utan cellulosafibrer var sålunda resultatet helt otillfredsställande.

Tidigare skrifter vad avser koldioxidhârdnade kalkkroppar har pekat på (betydelsen av) att karbonatiseringen utföres på en partiellt torkad 7906573-6 kropp (dvs en kropp i vilken porerna icke är fullständigt blockerade med vatten. I allt nuvarande arbete har den initiella fukthalten hos plattor som karbonatiserats motsvarat att approximativt 50 % av por- volymen är fylld med vatten, vilket stämmer överens med vårt före- dragna vattenhaltsområde, nämligen 40-60 volym-% (exempelvis 45-55 volym-ß) av porerna. Detta sätt att välja Fukthalten före karbonati- sering kan ha bidragit till den uppfinningen uppnådda, höga karbona- tiseringshastigheten.

Såsom ovan nämnts tillåter vår uppfinning utnyttjande av två avfalls- material. Vi har sålunda visat att tidningspapper (avfallstidnings- papper) ger i hög grad effektiv förstärkning i den uppfunna produkten, varvid erhållna resultat är lika med eller bättre än med andra mer kostsamma cellu1osakäll0r (se fig 5). Vi har även visat att den upp- funna produkten mycket lätt karbonatiseras, vilket innebär att för- bränningsgaser eller avgaser innehållande låga koldioxidprocentsatser kan utnyttjas.

För att reducera kostnaderna kan det vara tillrådligt att i slammet eller suspensionen inbegrjpa ett lämpligt bullafitsmatnrlul eller fyll- medu] (såsom ovan angivits). Ett ballastmaterial som uppfyller detta krav är ett fint malt karbonat av samma typ som den färdiga skivan innefattar (exempelvis CaC05). När kalciumoxid och/eller -hydroxid användes för att åstadkomma vår skiva med maximal styrka, kan ballast- materialet vara kalciumkarbonat malt eller krossat till att ha parti- kelstorlekar mindre än 200 BS mesh (exempelvis i området 50-200) och blandat med materialen så att förhållandet i slammet mellan kalcium- karbonat och kalciumhydroxid kan vara upp till 2:1.

Ett annat ballastmaterial som uppfyller dessa krav är pulveríserad bränsleaska (flygaska). Ännu ett annat är krossad eller mald glasugns- slagg.

När den hopfiltade filten har bildats kompakteras den i allmänhet till den erforderliga formen utan att söndras; exempelvis kan den formas i en matris direkt under en press eller kan den formas nå en transportör och pressas medan den förflyttas på transportören. Det kan emellertid vara nödvändigt att söndra den hopfiltade filten, såsom exempelvis när den bildas såsom separata lager på en "makeup" vals och sedan av- lägsnas. I sådana fall synes vid blandning av slammet tillsatta glas- fibrer öka den hopfiltade filtens råhållfasthet. Ett föredraget områ- de av glasfibrer är 0,5-5,0 vikt-% av torra material i slammet. Hhuru 7906573-6 16 med fördel glasfibrerna är av den alkaliresistenta typen är detta blott en fördel eftersom vår skivas totalstyrka (av de ovan angivna anled- ningarna) tillåter användning av mycket prisbilligare glasfibrer av _ nErz_-byp_ Andra fibrer eller fiberklasser kan tillsättes inom uppfinningens vida ram. En sådan klass av fibrer innefattar sådana med en Young's modul i området 200-500 kg/mmz, såsom exempelvis polypropenfibrer.

Vi har funnit att en liten tillsättning av polypropenfibrer (exempel- vis i området 0,1-5 %) till satsen leder till en notabel förbättring av skivorn s spikbarhetsegenskaper. I detta sammanhang härrör ett sätt att tillförsäkra spikbarhet från observationen att skivor med hög slagstyrka vidlådes av mindre brott under spikning än skivor med låg slagstyrka och tig 11 visar slagstyrkor i Joule ner kvadratmeter för skivor innehållande 0, 0,5, 1,0 och 2,0 % polypropenfibrer. Av diagram- met kan noteras att det förekommer en avsevärd_förbättring av slag- ntyrkan vid tíllsüttningar på 0,5 % och större.

När slammet formas till en hopfiltad filt kan tillsättning därtill, och Fördelning däri av ett lämpligt flockuleringsmedel vara till hjälp, nämligen för att möjliggöra att formningen kan utföras så snabbt som möjligt (så atL fibrerna och hydroxiden förblir fördelade så likfor- mist som möjligt i vad som skall bli den färdiga skivan) och för att öka Filtreringsförmågan. När kalciumhydroxid är närvarande i slammet, och fibrerna är sådana från avfallstidningspapper, kan flocku- leringsmedlet med fördel vara en anjonísk yolyelektrolytemulsion med hög molekylär vikt, som kan vara närvarande i en mängd från 0,1 till 0,5 vikt-% flockuleringsmedel relativt materialens torra vikt.

I följande stycken beskrivas ett speciellt utförande av uppfinningen. hetta utförande demonstrerašy%örfarandet enligt uppfinningen kan om- vandla avfallsmaterial till en byggnadsskiva som har hög slagstyrka och samtliga tidigare beskrivna karaktäristika, som vanligen är för- knippade med asbestcementskivor. Avfallsmaterialen är tidningspapper och avgas från en kalkugn. Byggnadsskivan tillverkad i enlighet med förfarandet har typiskt en tjocklek på 4,5 mm. 1. Introduktion: Vid utövande av detta utförande väljasförst en speciell porositet och en speciell cellulosafiberprocentsats i enlighet med de krav på bygg- nadselementet som skall tillverkas. Alstrets volym bestämmes sedan och volymen av fibrerna och fasta ämnen i det karbonatiserade, hop- 7906573-6 17 filtade filtalstret erhålles med användning av den valda porositeten.

Vikter av fibrer och fasta ämnen per volymenhet av filtalstret beräk- nas sedan av den bestämda volymen med kunskap om fibrernas och de fas- ta ämnenas densitet. Ett slam bildas sedan av en känd vikt av fibrer- na och de fasta ämnena så att förhållandet mellan ïibervikten och vik- ten av de fasta ämnena är såsom ovan beräknats.

Slammet filtreras så att den resulterande tjockleken, efter filtrering och om nödvändigt pressning, är 4,5 mm. Slammet avvattnas sedan, och kompaktoras, genom tryck om nödvändigt, för att bilda det hopfiltade filtalstret. I detta utförande beräknas mängden vatten i alstret och vatten i kvantitet representerande approximativt 50 volym-% av porer- na avlägsnas sedan genom värmning; mängden avlägsnat vatten övervakas genom vägning. Den bildade eller hopfiltade filten är sedan färdig för karbonatisering. 2. För att fortsätta, med materialen valda var procentuatserna av slammaterialen på basis av torrvikt enligt följande: avfallstidningspapper: 20 p hyaratiseraa kanwmçä ce(0.n)2, 5 71» cacoš, % annat; partikelstorlek 100% mindre än -200 mesh): 78,5% PVA-belagda "E" glasfibrer med genomsnitts- ianga 20 mm: 0, 5% denier polypropenfibrer med genomsnitts- längd 20 mmoch Young's modul i området 200-300 kg/mz: 0, 5% flockuleringsmedel (det som är tillgängligt såsom "Alfloc 6731" - reg. varumärke): O,5% Avfellspapperet (tidningspapper) blötlades initiellt i vatten under approximativt 10 minuter och bringades sedan till massa (dispergera- des) i en konventionell höghastighetsblandare. Hydratiseraä kalk och "E"-g1as- och polypropenfibrer tillsattes till blandaren och blandades in i pappersmassan. Halten fasta ämnen vid denna punkt cirka 10 % vikt/volym.

Ytterligare vatten tillsattes sedan med blandning för att reducera halten fasta ämnen till 5 ß vikt/volym. Slutligen tillsattes flockulerings- medlet till slammet och omrördes försiktigt tills f1ocknin¿ uppträdde.

Så snart som Tlockning uppträdde hälldeo slammet snabbt in i en skiv- formad formninfisläda och ett vakuum på 50«6O HPa (581-457 mm kvicksilver) 7906573-6 18 applicerades under approximativt 45 sekunder genom "S0 mesh"-sil i botten av lådan för att avvattna slammet. Den hällda mängden var till- räcklig för att bilda en avvattnad hopfiltad filt med en tjocklek på approximativt 12 mm. Den hopfiltade filten sålunda bildad innehöll approximativt 100 % vatten i förhållande till vikten av torra fasta ämnen.

Filten överfördes sedan till en press och utsattes för ett formnings- tryck mellan motsatta flata plattor, vilket tryck var tillräckligt för att komprimera mattan till en tjocklek av 4,5 mm och en okarbonatiserad porositet inom det erforderliga (55-50 É) området. I detta speciella utförande var den pressade mattans porositet 42 %. Mattan överfördes sedan till en ugn och torkades vid 8000 tills porerna var halvfyllda med vatten (dvs mängden vatten var inom området 45-55 % av porernas volym). Detta bestämdes genom att väga den våta plattan under torkning till en förutbestämd vikt.

Den partiellt torkade mattan (eller råskivan, som den tidvis benämnas) kyldes sedan till approximativt 60°C och placerades i en karbonatise- ringskammare, genom vilken cirkulerades en förbrännings- eller avgas (från en kalkugn) innehållande koldioxid. Gasen innehöll en koncentra- tion på 28 % (på volymbasis) av koldioxid. Innan avgasen cirkulerades reducerades dess temperatur till cirka 4000. En tillfredsställande karbonatisering (omvandling av hydratet) erhölls på 2,5 timmar.

Vid slutet av karbonatiseringsperioden avlägsnades skivan från karbo- natiseringskammaren och utsattes för (bl a)slagstyrkeprov- vad avser denna speciella parameter befanns skivan ha en slagstyrka på 5660 J/m2 och inga svårigheter upplevdes beträffande spikning. ~l detta utförande, och såsom angivits i den tidigare beskrivningen, är jordalkalimetallen företrädesvis kalcium. Det bör êmellertiå förståfi att uttrycket "jordalkali" har sin normala betydelse i denna beskriv- ning så att andra metaller, såsom magnesium, kan ersätta kalcium om så önskas. I stället för vakuumdränering kan på liknande sätt avvatt- ning effektueras genom exempelvis gravitetsdränering, centrifugal- avvattning, valsning eller pressning. Kompaktering av filten kan ut- föras efter eller under avvattning, varvid steget eller stegen kan utföras i (exempelvis) en Fourdrinier-maskin följd av en "makeun"-vals eller en Hatschakæmaskin eller en stapelpress.

Såsom sammanfattning: (i) riktas uppmärksamheten på tabell 2 som följer omedelbart härefter. 19 79Ü6573*6 Såsom angivits i den tidigare diskussionen beträffande tabellen, anger denna egenskaperna för produkten enligt uppfinningen. (ii) Betonas den föredragna beskaffenheten hos mycket av föregående beskrivning. Så länge som de grundläggande kriterierna, sådana dessa definieras på omfattande sätt, observeras kan vilka som helst omstän- digheter, som faller inom dem och icke i mig är kritiska, varieras i enlighet med situations- och/eller miljökrav.

TABELL 2 REsULæA¶mABELL ____v____ _____,, ___-- _. _ _e.....1...._... .....-..._ -~--«--~--« í-m- -~~ - V» ~~~- ~ »-~-~-~~~ --~--~~-^'-'- °" 7' íèrov % Karbonati- Skenbar Okarbonati- Permeabi- Slagstyrká nr _ . _ serings- specifik serad poro- litet E šâfigåggs grad OC _ viktš siteš 1/min x mm J/mg I 1.0 =100¿ | kg/m f, 1 {117 -1 10 .90 1109 -0 1a.e 1950 -3 -" .as 1399 45 11.3 1650 . -3 " .77 1435 ao 5.0 3050 i -1 " _59 1523 35 2.7 1350 ÉL1s -1 15 .95 _ 1163 5: 22.1 2625 : -2 " _91 1341 44 8.3 3450 -3 " .sz 1114 39 6.1 3525 -4 " .sa 1155 36 3.1 aoso _L11 -1 20 .91 1153 51 41.0 3100 ' § -2 " .90 1260 47 45.0 3275 ; -3 " .70 1332 39 9.7 z625 ¿ -1 " .70 1450 35 6.0 zaso fL1e -1 25 '.se 1010 54 36.3 3150 ; -2 " .ss 1160 as 12.5 2900 -3 " .7s 1251 43 10.3 3100 -1 " .e7 1329 39 5.2 2700 1113 -1 30 .95 91a ss - 2625 ' _; 1' _93 1059 50 - 2900 ! -3 " _37 11A0 44 - 3175 i ï «1 " .73 1217 11 ' - 3000 1 . _ I 1- _. . §119 ~1 35 .saa 920 55 57.6 3000 i . -2 " _93 1075 43 23.7 3275 ; -3 1' .se 1132 44 14.3 2900 1 I -q .77 1243 38 ¿.a 3100 i 7906573-6 TABELL 2 RESULTATTABELL gfortsë Hårdhet- 111531163 Prov Brotthåll- 1666615061 I Hygroex- nr fasthet Penetra- tetsmodul_spikbarhet pansion (våt) tion MPa mm MPa x 104 1/ 75 11711 flj-.s 1.1.9 2.30 x 0.17 ~z 11.0 Las 1.20 x -3 11.0 1.41 1.60 _._ f' -4 11.: 1.1.1 1.90 X " 1.15 -1 10.5 2.36 1.00 f 0.19 -z 11.7 2.05 1.1.2 1 " -3 15.5 1.61 1.79 / " -4 10.1 1.52 2.08 x " 111-1 9.5 2.09 .21 x - ~2 12.0 1.77 1.17 f - -3 16.7 1.511 1.511 / - -4 111.7 1.52 2.12 x ~ 1.16 -1 10.0 2.1.2 0.6: -f o 40 _2 15_A 2.b0 0.62 / " -3 17.7 1.93 1.16 f " -4 13.6 1.66 1.50 / " 1.1.5 -1 9.4 2.1.1 0.60 .f 0.51 -2 1.1.3 2.35 0.70 J, " -3 16.6 1.90 0.62 « “ »a 19.5 1.78 1.70 / " 119 -1 3.4 2.113 0.50 J 0.69 -2 13.3 2.37 0.60 J " -3 17.1 2.39 0.90 f, " -1 20. 1.2.9 1.17 f "

Claims (9)

7906573-6 21 Patentkrav

1. Förfarande för att framställa ett cellulosafiberförstärkt karbonatbyggnadselement, vilket förfarande innefattar stegen att (a) blanda fasta ämnen och vatten för att åstadkomma ett slam, i vilket de fasta ämnena innefattar åtminstone en jordalkali- oxid eller -hydroxid och en mängd cellulosafibrer i området 7-40 vikt-% av de fasta ämnena, (b) att formera slammet såsom ett gaspermeabelt alster, som har inbördes förbundna porer vilka innehåller vatten, k ä n n e t e c k n a t därav, att alstret har en porosi- tet i området 35-50%, varvid porositeten är porernas volym inuti alstret uttryckt såsom procent av alstrets hela vo- lym, och av steget att (c) bringa koldioxidgas att tränga in i alstret med hjälp av porerna för att därigenom omvandla hydroxiden eller hydroxiderna till karbonat resp karbonater och sålunda åstadkomma elementet.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t där- av, att cellulosafibrerna är närvarande i en mängd inom om- rådet 10-30 vikt-%, av de torra fasta ämnena.

3. Förfarande enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a t därav, att alstrets vattenhalt, före karbonatisering, är i området 45-55 volym-% av porerna_

4. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att jordalkalimetallen är kalcium.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att blandningssteget innefattar till- sättning av en polypropenfibermängd i området 0,1-5% och med en Youngs modul i området 200-300 kg/mmz.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att blandningssteget innefattar till- sättning av ett ballastmaterial eller fyllmedel valt från 7906573-6 22 kalciumkarbonatpartiklar, pulveriserad bränsleaska och mald glasugnsslagg.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att blandningssteget innefattar till- sättning av glasfibrer så att mängden glasfibrer i slammet är i området 0,5~5,0% av torrvikter.

8. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att koldioxidgasen är innefattad i en gasblandning, i vilken koldioxidkoncentrationen är 28% och karbonatiseringsperioden är 2% timme.

9. Förfarande enligt något av kraven 1-7, k ä n n e - t e c k n a t därav, att karbonatiseringen åstadkommes i en atmosfär av 100% koldioxid, och att karbonatiserings- perioden är från 30 minuter till 1 timme beroende på den speciella porositeten och på cellulosafiberinnehållet.