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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Baumaterialien und insbesondere ein Baumaterial,
welches ein Faserzementsubstrat, einen Polymerfilm und eine oder
eine Mehrzahl von harzimprägnierte(n)
Lage(n) umfaßt, das
sowohl vorbehandelt als auch langlebig ist.
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Beschreibung
des verwandten Standes der Technik
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In
den vergangenen Jahren wurde Faserzement zur Verwendung als Baumaterial
anstelle konventionellerer Materialien, wie Holz, Metall und Kunststoff,
populär.
Faserzement besitzt eine bessere Wasserbeständigkeit als Holz und ist beständiger gegen
Verrotten, Rißbildung
oder Zersplittern als Holz. Auch rostet Faserzement nicht wie Metall
und ist alterungsbeständiger
als Kunststoff. Beispielsweise lassen sich Faserzementprodukte,
wie HARDIPLANK® von
James Hardie Building Products, ebenso leicht montieren wie Holzverkleidungen,
erfordern jedoch während
ihrer Lebensdauer nur einen geringen Wartungsaufwand. Verkleidungen
aus Faserzement stellen eine attraktive langlebige Alternative zu traditionellen
Verkleidungen aus Holzverbundstoffen, Zedernholz, Vinyl, Mauersteinen
oder Stuck dar.
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Trotz
dieser Vorteile ist es möglich,
daß Faserzement
nicht immer das für
eine bestimmte Anwendung gewünschte äußere Erscheinungsbild
oder die gewünschte
Griffigkeit besitzt. Darüber
hinaus werden herkömmliche
Faserzementmaterialien oft angestrichen oder anderen Arten der Nachbearbeitung
oder Veredelung vor Ort unterzogen, um dem Material das gewünschte Erscheinungsbild
und den gewünschten
Schutz der Außenfläche zu verleihen. Das
Aussetzen von Farbe an eine natürliche
Verwitterung sowie andere Faktoren können dazu führen, daß die Oberfläche auskreidet
und es zu einem Verlust von Polymeren in dem Farbfilm kommt. Farboberflächen sind
auch sehr dünn,
im allgemeinen in der Größenordnung
von ein oder zwei Milli-Inch (0,025–0,5 mm), und unterliegen daher
aufgrund der Oberflächenabnutzung
Absplittern, Abschälen
und Zerkratzen.
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Laminate,
die aus einem Kern mit einer Laminatbahn, bestehend aus einer Mehrzahl
von an den Kern geklebten harzimprägnierten Papierlagen, bestehen,
sind auf dem Gebiet bekannt. Bekannte Kernmaterialien beinhalten
konstruierte Holzplatten, wie MDF (Faserplatten mittlerer Dichte)
und Spanplatten. Diese Produkte mögen in trockenen Bereichen
eine zufriedenstellende Leistung erbringen, neigen jedoch in feuchten
Bereichen dazu aufzuquellen, was die Kanten der Struktur verlagert.
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Das
US-Patent Nr. 5,425,986 offenbart eine Laminatstruktur, die einen
Kern aus einer Faserzementplatte aufweist, der auf harzimprägnierte
Lagen laminiert ist. Die Bewegung des Kerns und des Laminats in
unterschiedliche Richtungen durch verschiedene Umweltbedingungen
kann dazu führen,
daß sich
zwischen dem Faserzement und den harzimprägnierten Lagen Spannungen aufbauen,
die oft zu einer Spaltung des Kerns oder zu einer Delamination führen. Dies
verstärkt
sich in Umgebungen, in denen eine sehr hohe Feuchtigkeit, gefolgt
von trockenen oder heißen
Perioden mit geringer Feuchtigkeit, herrscht.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf nach einem Baumaterial, welches die Langlebigkeit
und die Feuchtigkeitsbeständigkeit
von Faserzement in sich vereint und gleichzeitig das gewünschte äußere Erscheinungsbild
und die gewünschte
Griffigkeit besitzt. Des weiteren besteht ein Bedarf nach einem Baumaterial
mit einer äußeren Oberfläche, die
vorbehandelt und gegenüber
Zerkratzen und Abrieb beständig
ist und gleichzeitig auch eine starke Haftung am Faserzement aufrechterhält und die
nicht absplittert, Risse bekommt oder sich ablöst, wenn sie harten Umweltbedingungen
oder Naß-/Trockenzyklen
ausgesetzt ist.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Baumaterial bereitgestellt, welches
folgendes umfaßt:
ein
Faserzementsubstrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite,
wenigstens
ein harzimprägniertes
Papier auf zumindest entweder der ersten oder der zweiten Seite
und
einen Elastomerfilm zwischen dem Faserzementsubstrat und
dem wenigstens einen harzimprägnierten Papier,
wobei der Elastomerfilm als ein Spannungsausgleicher zwischen dem
Faserzementsubstrat und dem wenigstens einen harzimprägnierten
Papier wirkt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung eines
Films bereitgestellt, welcher ein elastomeres Polymer umfaßt, das
so ausgestaltet ist, daß es
Spannungen zwischen einem Faserzementsubstrat und einem harzimprägnierten
Papier ausgleicht, zum Verbinden des Faserzementsubstrates mit dem
harzimprägnierten Papier.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Verbinden eines Faserzementsubstrats, das eine Oberfläche hat,
mit wenigstens einem harzimprägnierten
Papier unter Bildung eines Baumaterials bereitgestellt, wobei das
Verfahren folgendes umfaßt:
das
Beschichten wenigstens eines Teils der Oberfläche des Faserzementsubstrats
mit einem Elastomerfilm, wobei der Elastomerfilm in der Lage ist,
eine Ablösung
zwischen dem Substrat und dem wenigstens einen harzimprägnierten
Papier zu verhindern, und
das Pressen des wenigstens einen
harzimprägnierten
Papiers an den Elastomerfilm und das Substrat.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Baumaterials, welches einen Faserzementkern
mit einer Mehrzahl von darauf auflaminierten harzimprägnierten
Papieren beinhaltet, gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen ein vorbehandeltes, feuchtigkeitsbeständiges und
langlebiges Baumaterial, welches vorzugsweise umfaßt, daß Fa serzement auf
ein(e) oder eine Mehrzahl von mit Harz durchdrungenen Papieren oder
Lagen, wie FORMICA®, auflaminiert wird. In
einer Ausführungsform
wird ein vorbehandeltes und langlebiges Baumaterial bereitgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform
wird eine elastomere Beschichtung oder ein Film zwischen mit Harz
durchdrungenen Lagen und einem Substrat bereitgestellt. In einer
weiteren Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Verbinden der mit Harz durchdrungenen Lagen
mit dem Substrat bereitgestellt.
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Das
vorgefertigte Baumaterial umfaßt
drei Komponenten: (1) ein Substrat, (2) einen Elastomerfilm oder
eine Beschichtung und (3) mit Harz durchdrungene Papiere. Diese
Komponenten liefern zusammen ein Baumaterial, welches sowohl vorgefertigt
als auch langlebig ist. Die mit Harz durchdrungenen Papiere können entweder
auf einer Seite des Substrats oder auf beiden Seiten vorgesehen
werden.
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Das
Substrat ist Faserzement. In einer Ausführungsform besteht das Faserzementsubstrat
zu etwa 20% bis 60% aus Portland-Zement, zu etwa 20% bis 70% aus
gemahlenem Quarzsand, zu etwa 0% bis 12% Zellulosefasern und zu
etwa 0% bis 6% aus wählbaren
Additiven, wie Mineraloxiden, Mineralhydroxiden und Wasser. Plättchen-
oder faserförmige
Additive, wie beispielsweise Wollastonit, Glimmer, Glasfasern oder
Mineralfasern, können
zugegeben werden, um die thermische Stabilität des Faserzements zu verbessern.
Die Trockendichte der Faserzementlage beträgt typischerweise etwa 1,3
bis 1,4 g/cm3, sie kann jedoch auch modifiziert
werden, indem das Material auf Trockendichten von bis zu 2,0 g/cm3 gepreßt
wird oder indem Dichtemodifizierer, wie ausgedehntes oder nicht
ausgedehntes Vermiculit, Perlit, Lehm, Schiefer oder Calciumsilikathydrate mit
geringer Schüttdichte
(etwa 0,06 bis 0,7 g/cm3) hinzugefügt werden
oder durch Lufteintrag.
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Bei
dem Elastomerfilm handelt es sich vorzugsweise um Polyurethan, Acryl,
Acryl-Styrol, Polyester, Polyether, Polyvinyl und deren modifizierte
Filme. Der Film kann ein einzelner Film mit oder ohne ein Klebemittel
auf seiner Oberfläche
sein, oder er kann ein Film sein, der aus einer Lösung auf
Wasserbasis, einer Lösung
auf Lösungsmittelbasis
oder aus 100% festen Polymeren gebildet ist. In einer Ausführungsform
beträgt
die Dicke des Films von etwa 0,2 Milli-Inch bis 5 Milli-Inch (0,005 bis 0,125
mm).
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Der
Elastomerfilm ist vorzugsweise flexibel mit einer Glasübergangstemperatur
Tg von vorzugsweise zwischen etwa 90°C und 50°C, bevorzugter unterhalb
von 0°C,
und mit einer guten Festigkeit. Der Elastomerfilm besitzt vorteilhafterweise
eine gute Haftung an sowohl Faserzement als auch mit Harz durchdrungenen
Lagen, wie FORMICA®. Alternativ sollte, wenn
ein separates Klebemittel auf einer oder beiden Seiten des Polymerfilms
aufgebracht wird, dieses Klebemittel eine gute Haftung an dem Faserzement
und/oder der mit Harz durchdrungenen Lage aufweisen.
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Das
Zellulosepapier ist vorzugsweise mit Harz aus Melamin-Formaldehyd
und Phenol-Formaldehyd
durchdrungen und kann auch mit anderen Polymerharzen, wie Polyester,
behandelt werden. Die Dicke des durchdrungenen Papiers beträgt in einer Ausführungsform
von etwa 0,05 mm bis 1 mm. Die Menge an Harz in dem Papier beträgt vorzugsweise von
etwa 10% bis 70%.
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Das
Verfahren besteht vorzugsweise darin, die mit Harz durchdrungenen
Papiere, den Elastomerfilm und das Substrat zusammen und gleichzeitig zu
laminieren (direktes Verfahren). Bei ei nem weiteren Verfahren, das
verwendet werden kann, werden zuerst die mit Harz durchdrungenen
Papiere laminiert, und dann werden diese Lage aus laminierten Papieren,
der Elastomerfilm und das Substrat zusammen laminiert (indirektes
Verfahren).
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Diese
Erfindung betrifft in einer Ausführungsform
das Laminieren von harzimprägnierten
Papieren, wie FORMICA®, auf einen Faserzementkern.
Die Laminierung kann bei verschiedenen Drücken erfolgen und kann, wie
oben diskutiert, sowohl durch direkte als auch durch indirekte Laminierung
bewerkstelligt werden. Die Erfindung betrifft auch das Produkt FORMICA® oder ähnliche
Materialien, die auf Faserzement laminiert sind.
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Ein
Problem beim Laminieren von harzimprägnierten Papieren auf Faserzement
ohne einen speziell ausgewählten
Elastomerfilm besteht darin, daß das
Laminat eine Delamination erleidet. Beispielsweise härtet, nachdem
mit Melamin-Formaldehyd (MF) und Phenol-Formaldehyd (PF) imprägnierte Papiere
in einer Preßmaschine
gepreßt
wurden, das Harz aus, und die Laminierung wird unter Hitze und Feuchtigkeit
einer viel größeren dimensionalen
Bewegung als die Faserzementplatte unterworfen. Aufgrund der unterschiedlichen
Bewegung löst
sich die Laminierung des harzimprägnierten Papiers auf dem Faserzement
unter trockenen Bedingungen, bei hoher Feuchtigkeit oder beim Aufheizen
ab, da die auf das Material wirkenden Kräfte die Laminatschicht zerreißen.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung überwinden
dieses Problem durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Behandlung
der Oberflächen
von Faserzement unter Verwendung einer elastomeren Beschichtung
oder eines Films, um die Ablösung
auf mit FORMICA® laminiertem
Faserzement erfolgreich zu stoppen, ganz gleich ob das Produkt mittels
direkter oder indirekter Laminierung hergestellt wurde. Die elastomere
Beschichtung ist vorzugsweise ein nicht starres, Spannungen abbauendes
Material, das als Spannungsausgleicher wirkt und die Spannung zwischen
dem Faserzement und den harzimprägnierten
Lagen abbaut. Laminate, die diese Beschichtung aufweisen, sind gegenüber Delamination
und/oder Spaltung oder Rißbildung
weniger empfindlich.
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Optional
kann das Faserzementsubstrat im rohen Zustand flach gepreßt werden
oder es kann nach dem Aushärten
sandgestrahlt werden, um eine glatte Oberfläche zu erhalten, mit der eine
minimale Anzahl (z.B. 1 oder 2) von harzimprägnierten Papieren, die eine
Beschichtung wie oben beschrieben aufweisen, verbunden werden kann.
Das Bearbeiten oder Sandstrahlen zum Glätten der Oberfläche vor dem
Beschichten ermöglicht
die Verwendung einer geringeren Anzahl von harzimprägnierten
Papieren, um die gewünschte
flache Oberfläche
zu erhalten. Bei einem solchen Produkt sind die verschiedenen Spannungen
zwischen dem Faserzement und den harzimprägnierten Papieren in geeigneterer
Weise ausgeglichen, um einem Einreißen oder einer Spaltung des
Kerns standzuhalten.
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1 veranschaulicht
eine Ausführungsform
eines Baumaterials, das gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist. Dieses Baumaterial 10 umfaßt ein Substrat 12,
welches in einer Ausführungsform
eine Faserzementplatte ist, wobei die Platte 12 eine erste
Seite und eine zweite Seite aufweist. Auf der ersten Seite der Platte 12 ist
eine erste Schicht von elastomerem Klebemittel 14 vorgesehen,
wie es oben beschrieben ist. Eine Mehrzahl von harzimprägnierten
Papieren 16 ist vorzugsweise auf dem elastomeren Klebemittel 14 vorgesehen.
In der gezeigten Ausführungsform
sind vier Schichten 16 aus mit Phenol-Formaldehyd imprägnierten
Papieren vorgesehen. Auf den Schichten 16 ist vorzugsweise eine
Schicht von mit Melamin-Formaldehyd imprägniertem Papier 18 vorgesehen.
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Auf
der zweiten Seite der Platte 12 ist eine zweite Schicht
von elastomerem Klebemittel 20 vorgesehen. Wie auch bei
der ersten Seite ist in einer Ausführungsform eine Mehrzahl von
harzimprägnierten
Papieren 22, bevorzugter vier Schichten von mit Phenol-Formaldehyd
imprägnierten
Papieren auf der zweiten Schicht von elastomerem Klebemittel 20 vorgesehen.
Eine Schicht von mit Melamin-Formaldehyd durchdrungenem Papier 24 ist
vorzugsweise auf den Schichten 22 vorgesehen.
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Das
für die
Klebemittel 14, 20 verwendete Elastomermaterial
kann vorzugsweise mit begrenzter Kraft gestreckt und gepreßt werden,
ohne daß das Elastomermaterial
beschädigt
wird. Das Elastomermaterial kehrt vorzugsweise wieder zu seiner
ursprünglichen
Form zurück,
wenn die Kraft weggenommen wird. In einer Ausführungsform hat das verwendete
Elastomermaterial eine Ausdehnung von zwischen etwa 20% und 1200%,
bevorzugter zwischen etwa 100% und 1000%. Das Elastizitätsmodul des
Materials bei einer Dehnung von 100% liegt vorzugsweise zwischen
etwa 10 und 10.000 psi (0,07 bis 69 MPa), bevorzugter zwischen etwa
50 und 8.000 psi (0,35 bis 55 MPa).
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Es
versteht sich, daß die
in 1 gezeigte Ausführungsform lediglich beispielhaft
ist und daß auch
andere Arten von harzimprägnierten
Papieren in variierenden Mengen vorgesehen werden können. In
einer Ausführungsform
können
somit harzimprägnierte
Papiere nur auf einer Seite der Platte 12 vorgesehen werden.
Zusätzlich
kann jede Seite vorzugsweise eine kleinere oder größere Anzahl
von mit Phenol-Formaldehyd durchdrungenen Papieren, wie z.B. 0 bis
4, aufweisen. In der obigen Ausführungsform versteht
es sich ebenso, daß zusätzliche
Schichten von mit Melamin-Formaldehyd
durchdrungenen Papieren bereitgestellt werden können, beispielsweise 1 bis
3.
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Weitere
Beispiele eines Baumaterials 10 ähnlich dem in 1 gezeigten
werden unten beschrieben.
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Beispiel 1
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Ein
Beispiel eines Baumaterials unter Verwendung eines Verfahrens der
Direktlaminierung gemäß dieser
Erfindung wird hier beschrieben. Eine Faserzementplatte mit einer
Dicke von 1/4'' (6 mm) wird mittels
einer Rolle auf beiden Seiten der Platte mit Bayhydrol PR 240 (40%
Feststoffgehalt) beschichtet. Bayhydrol 240 PR ist ein elastomeres
Polyurethan-Klebemittel auf Wasserbasis, erhältlich von Bayer Corp., Pittsburgh,
PA. Eine Schicht von mit Melamin-Formaldehyd- (MF-) Harz imprägniertem Papier
und vier Schichten von mit Phenol-Formaldehyd (PF) imprägnierten
Papieren werden auf die Oberseite der beschichteten Faserzementplatte
aufgebracht, und eine Schicht MF-imprägniertes
Papier und eine Schicht PF-imprägniertes
Papier werden auf die Unterseite der beschichteten Faserzementplatte
aufgebracht. Die Schichten und die Platte werden bei 350°F (177°C) für 5 Min.
bei einem Druck von 750 psi (5 MPa) zusammengepreßt. Die
laminierte Platte wird dann bei 60°C für 3 Tage in einen Ofen gegeben.
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Das
resultierende Baumaterial zeigte keine Delamination. Ein gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsformen
hergestelltes Baumaterial wurde drei Arten von Delaminationstests
unterzogen:
- 1. Das Baumaterial wurde für 2 Tage
in ein Entfeuchtungsmittel (Feuchtigkeit weniger als 10%) mit Raumtemperatur
gegeben.
- 2. Das Baumaterial wurde bei 60°C für 3 Tage in einen Trockenofen
gegeben.
- 3. Das Baumaterial wurde 5 Trocken/Naß-Zyklen, wie z.B. 24 Stunden
in einem Ofen bei 60°C
und 24 eingeweicht in Wasser, unterzogen.
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Es
wurde herausgefunden, daß es,
wenn kein Polymerfilm zwischen dem Faserzement und FORMICA® vorgesehen
ist, in einem Ofen bei über 60°C binnen
etwa 2 Stunden zu einer Delamination kommt. Mit dem Film trat bei
den drei oben beschriebenen Tests keine Delamination auf.
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Beispiel 2
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Ein
weiteres Beispiel verwendet ein Verfahren der indirekten Laminierung
zum Laminieren von dekorativem Papier auf Faserzement. Die mit Phenol-Formaldehyd
imprägnierten
Papiere und die mit Melamin-Formaldehyd imprägnierten Papiere wurden in
einer Heißpresse
mit hohem Druck (beispielsweise etwa 1500 psi (10 MPa)) oder mit
mittlerem Druck (beispielsweise etwa 1000 psi (6,7 MPa)) gepreßt, um dekorative
Laminate auf Papierbasis zu erhalten. Die Dicke des Laminats auf
Papierbasis kann von etwa 0,5 mm bis 3 mm variieren.
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Eine
Faserzementlage mit einer Dicke von etwa 1/4'' (6
mm) wurde mit dem Klebemittel WC-0682-M-449
(H. B. Fuller, St. Paul, Minnesota) unter Verwendung eines Pinsels
beschichtet. WC-0682-M-449
ist ein elastomeres Acryl-Klebemittel auf Wasserbasis. Der Feststoffgehalt
des Klebemittels betrug etwa 48%. Die Menge an Kleber auf dem Faserzement
betrug etwa 7 g/ft2 (Bezugsbasis Masse des
feuchten Stoffs, d.h. 7 g von 48% Klebemittel) für jede Seite. Ein Laminat auf
Papierbasis mit einer Dicke von etwa 0,5 mm wurde auf beide Seiten des
beschichteten Faserzements aufgebracht. Die Laminate auf Papierbasis
und der Faserzementkern wurden bei etwa 50 psi (0,34 MPa) für etwa 1
Min. gepreßt.
Die Temperaturen der oberen und der unteren Heizplatte in der Presse
betrugen etwa 350°F (177°C).
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Die
laminierte Platte wurde dann zum Testen der Haftung und der Delamination
in verschiedene Umgebungsbedingungen eingebracht. Die laminierte Platte
zeigte eine ausgezeichnete Haftung und wies keine Delamination auf.
Zum Vergleich wurde anstelle eines elastomeren Klebemittels Harnstoff-Formaldehyd-Klebemittel,
wie es in dem US-Patent Nr. 5,425,986 beschrieben ist, zur Herstellung
derselben Laminate verwendet. Es kam zu einer Delamination im Faserzementkern,
als das Laminat in einem Ofen bei 60°C für etwa 2 Stunden getrocknet
wurde.
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Im
allgemeinen ermöglichen
es die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, daß ein
Baumaterial die Langlebigkeit und andere Eigenschaften von Faserzement
ausnutzt, wobei das Material vorgefertigt wird, indem der Faserzement
an harzimprägnierte
Lagen, wie FORMICA®, oder ähnliches
Material laminiert wird. Die vorgefertigte Oberfläche beseitigt
die Notwendigkeit des Anstreichens auf der Baustelle oder der Aufbringung
einer Grundfarbe und/oder einer die Farbe veredelnden Beschichtung
in der Fabrik. FORMICA® und ähnliche Materialien haben gegenüber üblichen
Innen- und Außenanstrichfarben
von Häusern
(wie Acrylfarben) den Vorteil, daß sie gegenüber Zerkratzen und Abrieb der
Oberfläche
beständiger
sind. Darüber
hinaus gleicht der elastomere Polymerfilm zwischen dem Faserzement
und FORMICA® oder ähnlichem Material
Spannungen dazwischen aus und verhindert eine Delamination des Baumaterials.
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Die
oben veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsformen werden lediglich
als Beispiele bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung angegeben. Verschiedene Veränderungen und
Modifikationen können
von Fachleuten auf dem Gebiet an den hier dargestellten Ausführungsformen vorgenommen
werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.