FI104569B - Menetelmä selluloosapohjaisia kuituja sisältävien koostumusten valmistamiseksi - Google Patents

Description

104569

Menetelmä selluloosapohjaisia kuituja sisältävien koostumusten valmistamiseksi * Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää 5 selluloosapohjaista ainetta sisältävien koostumusten valmistamiseksi, jonka menetelmän mukaan hienojakoinen selluloosapohjainen aines sekoitetaan runkoainekseen.

Selluloosapohjaisia kuituja ja muuta sentapaista hienojakoista puu- ja selluloosaraaka-ainesta on vaikea yhdistää muiden materiaalien kanssa. Tämä johtuu aineksen kemialli-10 sesta koostumuksesta ja hygroskooppisuudesta. Niinpä esim. puun sisältämät sokerit hidastavat puukuitua sisältävän betonimassan kovettumista. Tämän vuoksi puukuitu on esikäsiteltävä eri tavoin betonin kovettumisen aikaansaamiseksi. Tunnetun tekniikan mukaiset käsittelyt, jotka perustuvat puukuidun uuttoon, ovat kuitenkin vaikeita ja hitaita.

15

Asfaltin ominaisuuksia on parannettu sekoittamalla asfalttimassaan sellupohjaista kierrä-tyskuitua. Kierrätyskuidun laatu vaihtelee paljon, mikä aiheuttaa yhdistämisprosessissa suuria vaikeuksia. Ongelmat liittyvät lähinnä kuidun sekoitettavuuteen; käsittelemättömän sellukuidun ei näet ole todettu sekoittuvan asfalttimassaan riittävän tasaisesti.

20

Puun ja muovin yhdistämisessä puun hygroskooppisuus ja erilainen kosteuseläminen aiheuttavat suuria vaikeuksia. Tästä syystä tämänlaista yhdistämistä on tehty hyvin vähän, vaikka selluloosapohjaiset kuidut taxjoavat mielenkiintoisen ja ympäristöyställi-sen mahdollisuuden muuttaa muovipohjaisten materiaalien ominaisuuksia.

25

Keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnettuun tekniikkaan liittyvät epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen ratkaisu selluloosapohjaista ainesta sisältävien koostumusten * valmistamiseksi. Etenkin keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, jolla voidaan lisätä selluloosapohjaisen aineksen tasaista sekoitettavuutta muiden materiaalien 30 kanssa sekä edesauttaa eri materiaalien keskinäistä yhteensopivuutta.

Keksintö perustuu siihen havaintoon, että kuumennettaessa selluloosapohjaista ainesta, kuten puu- tai selluloosakuitua, yli 150 °C:n lämpötilassa materiaalin ominaisuudet 2 104569 muuttuvat ratkaisevasti. Kuidun hygroskooppisuus pienenee, mikä edesauttaa oleellisesti kuidun sekoitettavuutta muiden aineiden kanssa. Lisäksi lämpökäsittelyn aikana puussa olevat mono- ja polysakkaridit sekä uuteaineet hajoavat ja poistuvat osittain puukuidusta.

Prosessin tuloksena saatu puu- tai selluloosakuitu ei hidasta mm. betonimassan 5 kovettumista. Lisäksi puukuidun kosteuseläminen pienentyy, lahonkesto-ominaisuudet paranevat ja lämmönjohtavuus pienenee parantaen myös omilta osiltaan puukuidun yhteensopivuutta muiden aineiden mm. muovien kanssa. Niinpä tällaista lämpökäsiteltyä selluloosapohjaista ainesta voidaan hyvin sekoittaa runkoaineksen kanssa erilaisten koostumusten muodostamiseksi.

10 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä selluloosapohjaisena aineksena käytetään esim. puu-15 kuitua, selluloosakuitua, puujauhoa ja/tai puulastuja. Puuraaka-aine on hienojakoista, millä tarkoitetaan sitä, että puujauhon hiukkaskoot ovat noin 0,01 - 10 mm, sopivimmin noin 0,05 - 5 mm. Puukuidut ja puulastut ovat poikkileikkaukseltaan tai vastaaasti paksuudeltaan samoin noin 0,01 - 10 mm, edullisesti noin 0,05 - 5 mm.

20 Erään edullisen sovellutusmuodon mukaan sopivat puu- tai selluloosakuidut valmistetaan hiertämällä lignoselluloosapitoista lähtöainetta. Hiertävä jauhatusvaikutus saadaan aikaan « esim. uritetuilla terillä varustetuilla jauhimilla, kuten levy- tai kartiojauhimilla. Esimerkkinä sopivista materiaaleista mainittakoon kuitutuotteiden valmistukseen käytettävä puuaines, kuten MDF-levyihin käytettävät puukuidut, mekaanisen selluloosamassan valmis-25 tuksesta saatavat selluloosakuidut, kierrätysmassojen kuidut sekä sahapuru. Puu- ja selluloosakuidut ovat erityisen edullisia.

Selluloosapitoinen aines voi olla peräisin puusta, esim. kuusesta, männystä koivusta tai * haavasta, tai yksi- tai monivuotisista kasveista. Lähtöaineeksi sopii siten myös olki.

30

Keksinnön mukaan selluloosapohjaista materiaalia lämmitetään ainakin 150 °C:n lämpö- 3 104569 tilassa, kunnes aineksen paino on vähentynyt ainakin 3 % :11a (kuiva-aineesta laskettuna). Lämmittämistä voidaan jatkaa noin 22 - 25 % :n painohäviöön asti ilman, että materiaalin - lujuusominaisuudet liiallisesti heikkenisivät.

5 On ennestään tunnettua käsitellä hienojakoista puuainesta korotetussa lämpötilassa. EP- hakemusjulkaisussa 0 373 726 on kuvattu kuitumainen selluloosatuote, jossa kuituainesta pehmennetään 150 - 220 °C:n lämpötilassa vesipitoisella pehmennysaineella korotetussa paineessa, minkä jälkeen tuote kuivatetaan ja kovetetaan korotetussa lämpötilassa silloitetun rakenteen muodostamiseksi. FI-patenttihakemus 920774 koskee puolestaan menetel-10 mää puuhiokkeen käsittelemiseksi höyryllä sen paperiteknisten ominaisuuksien paranta miseksi. GB-hakemusjulkaisussa 2 185 748 on kuvattu menetelmä kuitulevyn valmistamiseksi, jolloin puukuidut tai -lastut ensin kuumennetaan autoklaavissa 100 - 200 °C:n lämpötilassa ainakin yhden tunnin ajan ennen kuin ne liimataan yhteen sideaineella levyn muodostamiseksi. Menetelmän avulla voidaan parantaa levyn kosteudenkestävyyttä.

15 Samankaltainen menetelmä on esitetty myös EP-hakemusjulkaisussa 0 186 503, jossa puulastuja ensin käsitellään vesihöyryllä korotetussa paineessa, minkä jälkeen niistä muodostetaan kerros, johon lisätään jauhemaista fenoli-formaldehydihartsia, joka toimii sideaineena puristettaessa lastuista komposiitti-levy.

20 Esillä oleva keksintö eroaa edellä esitetystä tunnetusta tekniikasta sikäli, että keksinnön mukaan selluloosapohjaisesta aineesta muodostetaan koostumuksia, joista selluloosapoh-jäinen aines ei muodosta pääkomponenttia. Koostumusten pääkomponenteista käytetään tämän keksinnön puitteissa myös nimitystä "runkoaines" tai "koostumusten matriisi". Tyypillisesti selluloosapohjainen aines muodostaa noin 0,1 - 49 %, edullisesti noin 1-40 25 % koostumuksen kuivapainosta. Keksinnön tarkoituksena on lämpökäsittelyn avulla pa rantaa selluloosapohjaisen materiaalin ominaisuuksia niin, että se sopii paremmin käytet- *r. * täväksi koostumuksissa, jossa se sekoitetaan koostumuksen runkoaineen kanssa. Tämä , runkoaine voi olla sekoitettuna tai liuotettuna veteen tai vesipitoiseen liuottimeen tai johonkin muuhun nesteeseen.

Betonin lujitteina käytettävien selluloosakuitujen lämpökäsittely on ennestään tunnettua 30 4 104569 DE-patenttijulkaisusta 3 734 729. Kyseisen julkaisun mukaan selluloosakuituja käsitellään korotetussa lämpötilassa ja korotetussa paineessa. Esillä oleva keksintö eroaa viite-julkaisusta mm. siinä, että keksinnössä pyritään aikaansaamaan noin 3 - noin 25 %:n painohäviö. Keksinnön mukaisella lämpökäsittelyllä vaikutetaan puun kemiallisiin omi-5 naisuuksiin, poistetaan puun sokereita, eli mono- ja polysakkarideja, sekä puun uuteainei- ta. Samalla puun hygroskooppisuus vähenee ja lahonkesto paranee. Hygroskooppisuuden vähenemisesti johtuen selluloosapohjainen aines sekoittuu hyvin nesteisiin, etenkin veteen ja vesipitoisiin seoksiin. Tämä käy myös ilmi esimerkistä 1. DE-patenttijulkaisella paineen korottamisella halutaan juuri välttää kuitujen terminen hajoaminen.

10

Selluloosapohjaisen aineksen, esim. puukuidun, lämpökäsittely voidaan tehdä kuivalle tai märälle kuidulle. Mikäli käsittely tehdään märälle kuidulle, on estettävä sen paakkuun-tuminen kuivumisvaiheessa. Materiaalin syttyminen lämpökäsittelyn aikana estetään teke-mälllä käsittely hapettomassa tilassa. Keksinnön mukainen lämpökäsittely suoritetaan 15 siksi edullisesti kosteassa atmosfäärissä, joka esim. on kylläinen vesihöyryn suhteen.

Erona tunnetun tekniikan mukaisiin menetelmiin keksinnön mukainen lämpökäsittely toteutetaan sopivimmin paineettomissa olosuhteissa.

Keksinnön ensimmäisen sovellutusmuodon mukaan tuoreesta puusta tai kasvimateriaalista 20 peräisin oleva selluloosapohjainen aines saatetaan sellaisenaan lämpökäsittelyyn ainakin 150 °C:n lämpötilassa.

I · • ·

Toisen sovellutusmuodon mukaan kostean selluloosa-pohjaisen aineksen lämpökäsittely suoritetaan kahdessa vaiheessa, jolloin ensin kuivatetaan tuote haluttuun, tavallisesti alle 25 15 % :n kosteuteen. Tämän jälkeen lämpötila nostetaan nopeasti yli 150 °C:n (tyypilli sesti noin 180 - 300 °C:seen), jossa lämpötilassa käsittelyä jatketaan kunnes käsiteltävän tuotteen painohäviöksi on saatu ainakin 3 %.

Ψ

Sanotussa toisessa sovellutusmuodossa voidaan lähteä liikkeelle tuoreesta hienojakoisesta 30 materiaalista, joka kuivatetaan missä tahansa sopivissa olosuhteissa (jopa ulkona ympäristön lämpötilassa) haluttuun alle 15 %:n kosteuteen. Keksinnön edullisen sovellutusmuo- * j 104569 don mukaan tuote kuivatetaan kuitenkin korotetussa lämpötilassa, esim. 90 - 120 °C:n lämpötilassa. Tällöin tapahtuu samalla puutuotteen värin tummentumista.

Tuotteen kuivattua alle 15 % :n kosteuteen jatketaan käsittelyä korotetussa lämpötilassa.

5 Menetelmän toisessa vaiheessa pidetään lämpötila ensimmäistä vaihetta korkeampana. Edullisesti toimitaan noin 150 - 300 °C:n lämpötilassa kylläisessä höyryatmosfäärissä. Lämpötila voidaan myös nostaa kesken toista vaihetta. Käsittelyaika ja lämpötila riippuvat toisistaan, korkeassa lämpötilassa käsittely on kestoltaan lyhyempi kuin matalassa lämpötilassa. Tyypillisesti toisen vaiheen lämpökäsittely kestää ainakin 1 minuutin, edul-10 lisesti 0,05 - 20 tuntia ja erityisen edullisesti noin 0,1-10 tuntia. Säätämällä lämpökäsittelyn kautta tuotteen painohäviötä voidaan sen sekoittuvuus-ominaisuuksia muuttaa halutulla tavalla. Tuotteen homeen- ja lahonkestävyysominaisuudet paranevat myös jo 3 %:n painohäviöllä, mutta sanottua kestävyyttä voidaan vielä entisestään lisätä jatkamalla lämmitystä, kunnes tuotteessa on tapahtunut ainakin noin 5 % :n, edullisesti noin 6 tai jopa 8 15 %:n painohäviö.

Esimerkkeinä keksinnön mukaisten koostumusten runkoaineista mainittakoon jo yllä kuvatut esimerkit: sementit mahdollisine täyteaineineen, kuten kiviaines; muovi, etenkin kestomuovit, sopivimmin polyolefiinit, polyesterit tai polyeetterit, mahdollisine täyte-20 aineineen mukaanlukien pigmentit; sekä bituumi ja asfalttimassa sisältäen mahdollisen kiviaineksen ja muun täyteaineen. Monissa tapauksissa koostumukset kovetetaan, esim. huoneenlämpötilassa tai lämpökäsittelyllä, jolloin runkoaine silloittuu tai kiteytyy tai muulla tavalla jäykistyy. Runkoaineen osuus valmistettavasta koostumuksesta on tyypillisesti noin 1 - 99,9 %, edullisesti noin 10 - 99 % (kuiva-aineksesta).

25

Keksinnön erään erityisen edullisen sovellutusmuodon mukaan lämpökäsiteltyä hienoja- T · koista puuainesta voidaan käyttää sellaisten puupohjaisten muotokappaleiden valmistuk-, seen, jonka sideaine ainakin osittain koostuu sementistä tai sentapaisesti kalsiumpitoisesta sideaineesta. Tässä sovellutusmuodossa, kuten myös yllä mainituissa betonisovelluksissa, 30 sementit voivat olla perinteisiä Portland-sementtejä, mutta myös rapidsementit soveltuvat käytettäviksi. Sementteinä voidaan edelleen käyttää rautakuonapohjaisia sementtejä, joi- 6 104569 .

loin seokseen voidaan erikseen lisätä alkalia sementin aktivaattoriksi. Sementin lisäksi muotokappaleiden valmistuksessa sideaineena voidaan käyttää jotain sopivaa hartsiliimaa tai proteiinipohjaista sideainetta, kuten gluteenia.

5 Muotokappaleiden valmistukseen käytettävä koostumus tai seos voidaan kovettaa joko huoneenlämpötilassa tai korotetussa lämpötilassa. Jälkimmäisessä vaihtoehdossa lämpötila pidetään noin 50 - 300 °C:ssa. Kovettamisaika huoneenlämmössä vaihtelee kappaleen koon mukaan mutta on tavallisesti muutamien vuorokausien pituinen. Korotetussa lämpötilassa seos saadaan kovettumaan muutamassa tunnissa.

10 Lämpökäsitellyn puuraaka-aineen käyttö tekee mahdolliseksi sementtipitoisen seoksen kovettamisen huoneenlämpötilassa.

Muotokappale sisältää niin paljon puuraaka-ainetta, että siitä voidaan tehdä höyrynsulu-15 tonta seinää. Näin päästään muovivapaaseen rakentamiseen. Tuotteiden lämmöneristys-kyky on varsin hyvä, tavallisesti luokkaa 0,05 - 0,08 W/m°C, mikä on täysin verrattavissa mineraalivillan arvoon 0,04 - 0,05 W/m°C.

Keksintöön liittyy huomattavia etuja. Niinpä normaalisti sekoitettaessa selluloosapohjaista 20 materiaalia, kuten puukuitua, esimerkiksi veteen kuitu paakkuuntuu ja muodostaa sakan astian pohjalle. Lämpömodifioimalla puukuitu saadaan se tasaisesti jakaantumaan veden

• I

• ·' sekaan. Paakkuuntumista ei tapahdu ja sakka muodostuu hitaasti astian pohjalle. Lämpö-modifiointi pienentää puukuidun lämmönjohtavuutta, jolloin sitä voidaan muiden aineiden kanssa yhdistämällä käyttää mm. routaeristeenä. Lämpömodifioinnissa puukuitu kevenee.

25 Edelleen puukuidun lämpömodifiointi parantaa puukuidun ja esim. betonin välistä yhteensopivuutta. Seos kovettuu huoneen lämpötilassa. Samalla puukuidun osuutta betonin seassa voidaan lisätä.

«

Seuraavassa keksintöä ryhdytään lähemmin tarkastelemaan muutaman sovellutusesimer-. 30 kin avulla.

J

7 104569,

EsimerkkU

Puukuidun käyttäminen asfaltin valmistukseen

Asfaltin sekaan lisättävän selluloosapohjaisen kuidun soveltuvuutta voidaan tutkia pika-5 testillä, jossa kuitua (4 - 5 g) lisä-tään 200 ml:aan tislattua vettä. Seosta sekoitetaan kynällä. Mikäli kynä jää pystyy seokseen, voidaan sekoitettavuutta pitää hyvänä.

Edellisen pikatestin mukaan lämpökäsitelty (3 h, 205 °C) kuusi- ja haapakuitu sekoittuvat hyvin. Kun sama koe tehtiin käsittelemättömällä kuidulla kuidut paakkiintuivat astian 10 pohjalle eikä kynä jäänyt pystyyn.

Esimerkki 2

Puukuidun käyttäminen betonin valmistukseen 15 Normaalin betonin valmistuksessa on kovettumisen havaittu lähtevän liikkeelle 7 vrk:n kuluessa seoksen valmistamisesta. Standardin mukainen puristuslujuuskoe tehdään 28 vrk: n kovettumisajan jälkeen.

Lisättäessä betonimassaan normaalia puukuitua massan kovettuminen hidastuu oleellisesti 20 tai ei käynnisty ollenkaan. Lisättäessä betonimassaan lämpökäsiteltyä puukuitua kovettu- misprosessi etenee normaalilla tavalla ilman häiriöitä.

•«<

Esimerkki 3

Puukuidun käyttäminen yhdessä sementin ja gluteenin kanssa muotokappaleiden 25 valmistamiseen *

Valmistettiin muotokappaleet, joiden sideaineena on gluteeni ja sementti, seuraavan ; reseptin mukaisesti: 30 200 g lämpökäsiteltyä puukuitua (haapa, 205 °C, 3 h) 200 g lämpökäsiteltyjä kutterinlastuja (haapa, 205 °C, 3 h) 104569 8 100 g gluteenia 600 g sementtiä 1500 ml vettä 5 Kuivat aineet sekoitettiin ensin kuivana koneella. Tämän jälkeen lisättiin vesi voimakkaasti sekoittaen, jolloin seos vaahdottuu. Seos muotoillaan halutuksi muotokappaleeksi, jonka annetaan kuivua huoneen lämpötilassa viikko. Lopputuotteena saatiin kevyt, levymäinen lämmöneriste, jota voidaan käyttää jäykän mineraalivillalevyn tapaan. Sitä voidaan työstää tavanomaisin työkaluin (puukko, saha).

• I

» · < < e

Claims (11)

1. 9 104569 - 1. Menetelmä selluloosapohjaista ainesta sisältävän koostumuksen valmistamiseksi, jonka menetelmän mukaan 5. hienojakoinen puuraaka-aine tai selluloosakuitu sekoitetaan sellaisen runkoainek- sen kanssa, joka koostuu sementistä mahdollisine täyteaineineen, muovista, hirnumista tai asfalttimassasta, tunnettu siitä, että - puuraaka-ainetta tai selluloosakuitua kuivatetaan alle 15 %:n kosteuteen, minkä 10 jälkeen sitä pidetään kosteassa atmosfäärissä 150 °C - 300 °C:n lämpötilassa, kunnes tuotteessa on tapahtunut noin 3 - noin 25 %:n painohäviö, ja - lämpökäsitelty materiaali sekoitetaan runkoaineksen kanssa.
2. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapoh-15 jäistä ainesta kuivatetaan alle 15 %:n kosteuteen huoneenlämpötilassa.
3. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapohjaista ainesta kuivatetaan noin 90 - 100 °C:n lämpötilassa alle 15 %:n kosteuteen.
4. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapohjaista ainesta käsitellään 180 - 300 °C:ssa 0,05 - 20 tunnin, edullisesti noin " 0,1-10 tunnin ajan.
5. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpökäsittelyn 25 yhteydessä atmosfääriä pidetään vesihöyryllä kyllästettynä. c V
6. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpökäsittely suoritetaan ainakin oleellisesti paineettomissa olosuhteissa.
7. 7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapohjaisena aineksena käytetään puukuituja, selluloosakuituja, puujauhoa ja/tai ίο 104569 puulastuja.
8. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosapoh-jaisena aineksena käytetään hiertämällä valmistettuja kuituja. ·* 5
9. 9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, jossa runkoaineksena käytetään sementtiä, tunnettu siitä, että lämpökäsittelyä jatketaan, kunnes ainakin osa selluloosapohjaisen aineksen mono- ja polysakkarideista saadaan poistetuksi.
10. 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että selluloosa- pohjaisesta aineksesta valmistetaan sementin ja mahdollisesti jonkin toisen sideaineen, kuten gluteenin, kanssa koostumus, joka voidaan kovettaa haluttuun muotoon.
11. 11. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 8 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä valmiste-15 taan nestepitoinen koostumus, tunnettu siitä, että selluloosapohjaista ainesta lämpö-käsitellään, jotta se saataisiin paremmin sekoittumaan nesteeseen. 1. Π 104569