DE19517763A1 - Formkörper aus Verbundmaterial auf der Basis von Celluloseacetat und verstärkenden natürlichen Cellulosefasern, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung - Google Patents
Formkörper aus Verbundmaterial auf der Basis von Celluloseacetat und verstärkenden natürlichen Cellulosefasern, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus Verbundmaterial auf der Basis von
Celluloseacetat als Bindemittel und verstärkenden natürlichen Cellulosefasern bzw.
natürlichen cellulosehaltigen Fasern, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Formkörpers sowie dessen Verwendung in besonderen technischen Bereichen.
In vielen Bereichen, beispielsweise in der Automobil-, Verpackungs-, Möbel-, Elektro-
und Elektronikindustrie sowie im Baugewerbe und dgl., werden neben Kunststoffen aus
thermoplastischen oder duroplastischen Polymeren gelegentlich Materialien aus
polymerhaltigen Faserstrukturen oder faserhaltigen bzw. faserverstärkten Polymeren
eingesetzt. Derartige Materialien werden vielfach als Halbzeug hergestellt, beispielsweise
in Form von Vliesstoffen, Matten, Platten etc. Diese werden unmittelbar oder erst nach
weitergehender Verarbeitung oder Veredelung, z. B. durch Formgebung, Beschichtung
oder dgl., eingesetzt. Die erwähnten Polymerwerkstoffe können außer Fasermaterialien
oder anstelle von Fasermaterialien zur Erzielung bestimmter Eigenschaften geeignete
Füllstoffe enthalten. Die Vielfalt und die Zahl der Anwendungsmöglichkeiten solcher
Verbundmaterialien aus den unterschiedlichsten Polymeren, Fasern und Füllstoffen ist
fast unübersehbar.
Im Zuge des gestiegenen Umweltbewußtseins und verschärfter Gesetze spielt die
Recyclingfähigkeit von Werkstoffen bzw. deren umweltfreundliche Beseitigung eine
immer wichtigere Rolle. Dabei kommt insbesondere der umweltschonenden Entsorgung
Bedeutung zu, da die Recyclingfähigkeit wegen zunehmender Verunreinigungen und
Materialschäden begrenzt ist und dann eine Beseitigung unvermeidlich wird. Diese kann
nur durch Verbrennen oder Deponieren erfolgen. Ein zeitlich unbegrenztes Deponieren
scheidet aus Platzgründen aus. Eine besonders einfache und günstige Form der
Beseitigung ist der biologische Abbau, der beispielsweise durch eine Kompostierung
erfolgen kann. Wenn nachfolgend von "biologisch abbaubar" gesprochen wird, dann
bedeutet das, daß die entsprechende Substanz einem Abbau durch lebende Organismen
(Organismen/Mikroorganismen) und/oder durch natürliche umweltbedingte Faktoren
zugänglich ist, z. B. den chemischen Abbau durch Bakterien, Pilze, insbesondere
Schimmelpilze und Hefen. Kunststoffmaterialien, die gewöhnlich in Verpackungs
materialien herangezogen werden, insbesondere Polystyrol, sind biologisch nicht
abbaubar. Bei Kohlenhydraten führt der biologische Abbau, beispielsweise vornehmlich
in Form einer anaeroben, bakteriell bedingten Zersetzung, zu unbedenklichen niederen
Fettsäuren, Alkohol und Kohlendioxid. Dies ist dem Begriff "Fäulnis" unterzuordnen.
Zwischenprodukte der Fäulnisprozesse können zu unbedenklichen neuen polymeren
Produkten zusammentreten; diese vorteilhafte Humifizierung macht man sich bei der
Kompostierung zu nutze. Hierunter versteht man insbesondere den biologischen Abbau
bzw. die Umwandlung von organischen Substanzen, insbesondere organischen Abfällen,
Holz, Blättern, u. a. Pflanzenmaterial, Papier und Klärschlamm, der unter
Wärmeentwicklung ("Selbsterhitzung") verläuft und zur Bildung von Kompost, einer
dunklen, krümligen Masse, mit vorteilhaftem Anteil an Nährsalzen (Phosphate,
Stickstoff- und Caliumverbindung) führt (vgl. Römpp Chemie-Lexikon, 9. Aufl., Bd. 3,
1990, S. 2312/2313).
Im Hinblick auf die angesprochenen Möglichkeiten, bestimmte Abfallmaterialien einem
biologischen Abbau zu unterziehen, werden deswegen bei der Materialentwicklung
zunehmend Naturprodukte interessant. Sie bieten viele Vorteile. Als nachwachsende
Rohstoffe tragen sie zur Resourcenschonung bei. Ferner sind sie überwiegend nicht
toxisch und rückstandsfrei verbrennbar. Ihre Abbauprodukte sind umweltverträglich.
Werkstoffe aus Spänen oder natürlichen Fasern, wie Zellstoff, Baumwolle, Bastfasern
und Wolle, werden schon lange zu bekannten Produkten, wie Papier, Pappen, Filzen,
Faserplatten und Spanplatten verarbeitet. Auch können aus solchen Spänen oder
natürlichen Fasern nach unterschiedlichen Verfahren Formteile (Formkörper) hergestellt
werden. Daneben gibt es viele neue Entwicklungen, bei denen hochfeste Naturfasern,
wie Flachs, Hanf, Ramie und dgl., deren mechanische Eigenschaften teilweise mit denen
synthetischer Hochleistungsfasern vergleichbar sind, als Verstärkungsfasern in
Verbundmaterialien bzw. -werkstoffen eingesetzt werden. Den alten und den neuen
Werkstoffen ist gemeinsam, daß sie zur Erzielung von Festigkeit, Steifigkeit,
Verformbarkeit oder Dauerhaftigkeit ein synthetisches Polymer oder synthetische
Polymere als Bindemittel enthalten müssen. Wenn aber die biologische Abbaubarkeit
erforderlich ist, kommen zunächst nur natürliche Bindemittel, wie Stärke, Gummen,
etc., in Frage. Deren Wasserlöslichkeit ist jedoch nachteilig.
Die Entwicklung, synthetische, biologisch nicht abbaubare Polymere in den
Verbundmaterialien durch biologisch abbaubare Polymere zu ersetzen, ist noch nicht
abgeschlossen. Natürliche Produkte, wie Cellulose, Stärke etc., sind als direkt
verformbare Massen für die meisten Zwecke nicht geeignet oder den synthetischen
Polymeren hinsichtlich Variabilität der Eigenschaften und Verarbeitung unterlegen.
Biologisch abbaubare und für Verbundwerkstoffe geeignete neuartige Polymere sind
beispielsweise die Polyhydroxybutyrate. Sie sind aber sehr teuer.
Bei den Verbundmaterialien bzw. -werkstoffen kann das Mischungsverhältnis zwischen
Bindemittelkomponente und Verstärkungs- oder Füllkomponente in weiten Bereichen
schwanken. Der Anteil des polymeren Bindemittels richtet sich lediglich nach den für
den jeweiligen Einsatzzweck angestrebten Eigenschaften. Für Dämmstoffe oder
bestimmte Verpackungsmaterialien kommen z. B. relativ weiche Vliesstoffe mit nur
geringen Anteilen an polymerem Bindemittel in Frage. Aber auch harte und steife
Faserplatten können mit sehr niedrigen Bindemittelzusätzen hergestellt werden.
Andererseits sind für zähelastische, wasserfeste oder thermoformbare Materialien höhere
Polymeranteile notwendig. Wenn die Materialeigenschaften schließlich überwiegend vom
Polymer bestimmt werden sollen, sind gegebenenfalls nur geringe Zusätze an Füll- oder
Verstärkungsmaterial - lediglich zur Modifizierung - erforderlich.
Verformbare Halbzeuge für z. B. Automobilteile, wie Verkleidungen (beispielsweise
Türverkleidungen), Dachhimmel und dergleichen, werden derzeit in großer Menge aus
harzgebundenen Fasermatten aus Glasfasern, Holzfasern, Reißbaumwolle oder Bastfasern
hergestellt. Als Polymer werden überwiegend Phenolharze eingesetzt. Dies ist jedoch in
toxikologischer und ökologischer Hinsicht umstritten. Daher sind zunehmend auch
andere Duromere, wie Epoxide oder ungesättigte Polyester, im Einsatz. Duromere
Bindemittel haben den Vorteil, daß sie bei den teilweise extremen Temperaturen im Auto
nicht zur Verformung neigen. Nachteilig ist jedoch beim Einsatz von duromeren
Bindemitteln der aufwendige Verarbeitungsprozeß und der hohe Preis. So sind
insbesondere Epoxide relativ teuer. Weiter ist es nachteilig, daß ausgehärtete Duromere
schwierig zu recyclieren sind. Aus diesen Gründen werden derzeit in großem Umfang
andere faserverstärkte thermoplastische Polymere, zumeist Polypropylen, eingesetzt.
Diese zeigen jedoch eine geringe Wärmeformstabilität. Als Alternative zu Glasfasern
kommen Naturfasern, wie Zellstoff oder Jute, aber auch Holzmehl zum Einsatz. Die
bisher bekannten Formteil-Werkstoffe enthalten in der Regel mindestens 20 Masse-% an
Polymeren. Durch diesen relativ hohen Polymeranteil werden die Fasern so weit umhüllt
und eingebunden, daß deren biologische Abbaubarkeit nicht mehr möglich ist.
Als Dämmstoffe zur Wärmeisolation von Gebäuden werden in großen Mengen Glas-
oder Mineralfasermatten eingesetzt, die mit geringen Anteilen an Duromeren, wie
Phenol- oder Harnstoffharz, gebunden sind. Wegen der toxikologischen Bedenken gegen
Mineralfasern und deren ungeklärter Entsorgung werden zunehmend Naturfasermatten
entwickelt und angeboten. Je nach Herstellungsprozeß müssen auch diese mit geeigneten
polymeren Bindemitteln verfestigt werden. Im Einsatz sind beispielsweise für die
thermische Verfestigung leichtschmelzende synthetische Bindefasern. Diese stehen
jedoch im Widerspruch zur Forderung nach biologischer Abbaubarkeit.
Aus verschiedenen Veröffentlichungen, z. B. aus "Verpackung aus nachwachsenden
Rohstoffen", Vogel Buchverlag, Würzburg, 1. Aufl., 1994, S. 146-148 sowie 374-
380, aus "Nachwachsende und bioabbaubare Materialien im Verpackungsbereich",
Roman Kovar Verlag, München, 1. Aufl., 1993, S. 120-126 sowie S. 463 und der DE
39 14 022 A1, ist ein biologisch durch Kompostieren leicht abbaubares Rohstoffmaterial
auf der Basis von Celluloseacetat und Zitronensäureestern und dessen Verwendung zur
Herstellung von beispielsweise Hüllen oder Behältern für Öllichte, Ewiglichtölkerzen,
Kompositionsöllichte, andere Grablichtausführungen, Opferlichten und Folien bekannt.
Dieses Kunststoffmaterial enthält neben den angegebenen Materialien Polyester und
gegebenenfalls andere organische Säuren und/oder Säureester. Der Zitronensäureester
dient als Weichmacher und führt dazu, daß das Celluloseacetat thermoplastisch
verarbeitet werden kann, also zu einem Formkörper ausformbar ist.
Ferner ist aus dem Artikel "AVK-Tagung "Faserverstärkte Kunststoffe" - Weg
zurück zur Natur" von Wolfgang Asche in der Zeitschrift "Chemische Rundschau", Nr.
39, 30. September 1994, S. 3, die Verwendung des zuvor erwähnten, u. a. in dem
genannten Werk "Verpackung aus nachwachsenden Rohstoffen" beschriebenen
Kunststoffmaterials auf der Basis von Cellulose(di)acetat und Zitronensäureestern
zusammen mit Naturfasern, wie Ramie, Flachs, Sisal oder Hanf, zur Herstellung von
Verbundwerkstoffen bekannt. Das erwähnte ausformbare Material auf der Basis von
Cellulose(di)acetat, Zitronensäureestern und Polyestern und gegebenenfalls anderen
organischen Säuren und/oder Säureestern sowie Naturfasern, Ramie, Flachs, Sisal oder
Hanf läßt sich zu Formkörpern verarbeiten, die biologisch gut abbaubar sind. Aufgrund
des hohen Preises des Kunststoffmaterials sind sie relativ teuer. Nachteilig ist daran
insbesondere der Anteil an Zitronensäureester als Weichmacher. Bei der Verarbeitung
des Materials kann dieser Weichmacher bei erhöhter Temperatur entweichen, was zu
einer unerwünschten Dampf- bzw. Rauchbelastung führen kann. Auch kann der
Weichmacher bei Normaltemperatur an die Oberfläche des Materials migrieren und
umweltbeeinträchtigend verdampfen. Durch die Einbindung des niedermolekularen
Weichmachers zeigt das Fertigerzeugnis auch eine Festigkeitseinbuße. Ferner hat dieses
einen ziemlich niedrigen Erweichungspunktes, der auf den Weichmacher zurückgeht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichneten Formkörper so
weiterzubilden, daß sie die angesprochenen physikalischen Nachteile der bekannten
Formkörper nicht aufweisen, problemlos biologisch abbaubar sind und die
wünschenswerten mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere Festigkeit und Wärme
formbestandigkeit, zeigen und auch die strengen Gebrauchsanforderungen erfüllen.
Insbesondere sollen sie bei höherer Temperatur zu keiner Dampf- bzw. Rauchbelastung
führen und die Notwendigkeit der Einbeziehung eines Weichmachers ausschließen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Celluloseacetat einen
Substitutionsgrad (DS) von etwa 1,2 bis 2,7 und der Formkörper eine Vicat-Temperatur
von mindestens 160°C aufweist und das Masseverhältnis von Celluloseacetat zu den
natürlichen Cellulosefasern bzw. natürlichen cellulosehaltigen Fasern etwa 10 : 90 bis
90 : 10 beträgt.
Der erfindungsgemäße Formkörper enthält Celluloseacetat als Bindemittel. Cellulose
acetat ist seit langem bekannt und wird großtechnisch überwiegend zur Herstellung
faserförmiger Materialien (Filamente und Spinnfasern) sowie zur Herstellung von Folien
eingesetzt. In großen Mengen wird faserförmiges Celluloseacetat für die Herstellung von
Zigarettenfiltern herangezogen, in kleineren Mengen für Textilien. Auch ist es, wie
vorstehend gezeigt, bekannt, daß Celluloseacetat biologisch abbaubar ist und dessen
biologischer Abbau beschleunigt werden kann, wenn dessen Acetylzahl verringert wird.
Als Werkstoff zur Herstellung von Verbundwerkstoffen wurde reines Celluloseacetat
bisher nicht eingesetzt, da man davon ausging, daß dieses den gravierenden Nachteil hat,
daß es sich nicht thermoplastisch verarbeiten läßt und bei der Weiterverarbeitung zu
Produkten mit wenig attraktiven Eigenschaften führt. Es muß daher als äußerst
überraschend angesehen werden, daß sich im Rahmen der Erfindung reines
Celluloseacetat, ohne daß zusätzlich ein Weichmacher mit seinen nachteiligen
Auswirkungen herangezogen werden muß, thermoplastisch verarbeiten läßt. Dabei sind
bezüglich seines Substitutionsgrades (DS) Rahmenbedingungen zu beachten. So hat es
sich gezeigt, daß der Substitutionsgrad (DS) unter 3, nämlich in dem Bereich von etwa
1,2 bis 2,7 liegen sollte. Bevorzugt liegt der Substitutionsgrad (DS) zwischen etwa 1,8
bis 2,6 und insbesondere zwischen etwa 2,1 und 2,5.
Wird der Substitutionsgrad (DS) von 2,7 überschritten, dann führt das zu einer massiven
Verschlechterung der thermoplastischen Verarbeitbarkeit. Ein Substitutionsgrad (DS)
unter 1,2 bedeutet, daß der Formkörper in hohem Maße Feuchtigkeit aufnehmen kann
und dann nicht mehr formstabil ist.
Der Polymerisationsgrad (DP) des Celluloseacetats liegt vorzugsweise zwischen etwa 140
bis 270, insbesondere zwischen etwa 170 bis 250. Liegt der Polymerisationsgrad (DP)
zwischen etwa 140 und 270, dann stellen sich besonders vorteilhafte Eigenschaften ein,
wie insbesondere hohe mechanische Festigkeiten bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit
bei der Formgebung.
Weiterer wichtiger Bestandteil des erfindungsgemäßen Formkörpers sind die verstär
kenden natürlichen Cellulosefasern bzw. natürlichen cellulosehaltigen Fasern, die im
Sinne der vorstehend dargestellten Definition als "biologisch abbaubar" zu verstehen
sind. Dabei kann in Einzelfällen auch von einem weitgehend biologischen Abbau
gesprochen werden, der möglichst zu solchen Abbauprodukten führen sollte, die als
umweltunbedenklich anzusehen sind. Erfindungsgemäß werden mit besonderem Vorteil
eingesetzt natürliche Cellulosefasern bzw. natürliche cellulosehaltige Fasern in Form von
Kapok-, Sisal-, Jute-, Flachs-, Kokos-, Kenaf-, Abaka-, Maulbeerbast-, Hanf-, Ramie
und/oder Baumwollfasern. Die Fasern haben vorzugsweise eine mittlere Faserlänge von
etwa 0,2 bis 100 mm, insbesondere 3 bis 30 mm, und einen mittleren
Querschnittsdurchmesser von etwa 8 bis 100 µm, insbesondere von etwa 10 bis 30 µm.
Das Masseverhältnis von Celluloseacetat zu verstärkenden natürlichen Cellulosefasern
bzw. natürlichen cellulosehaltigen Fasern ist nicht kritisch eingeschränkt. Es liegt
zwischen etwa 10 : 90 bis 90 : 10, insbesondere zwischen etwa 15 : 85 bis 85 : 15 und ganz
besonders bevorzugt zwischen etwa 25 : 75 bis 60 : 40.
Aufgrund des nachfolgend noch näher dargestellten Verfahrens zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Formkörper erlangen diese die erforderliche Wärmestabilität, wofür
die sog. Vicat-Temperatur ein geeignetes Maß ist. Diese wird bestimmt nach der DIN 53
460 (Dezember 1976). Nach dieser Norm wird die Temperatur ermittelt, bei der ein
Stahlstift mit einem kreisförmigen Querschnitt von 1 mm² und einer Länge von
mindestens 3 mm unter Aufbringen einer Kraft von 50 N 1 mm tief senkrecht in einen
Probekörper eindringt. Hierüber erfolgt eine Aufheizung mit der Aufheizrate von 120
K/min. Die Vicat-Temperatur liegt bei den meisten Polymeren deutlich unterhalb der
Temperatur, bei der diese vollständig in den flüssigen Zustand übergehen. Im Rahmen
der Erfindung beträgt diese mindestens etwa 160°C, vorzugsweise mindestens etwa
170°C und insbesondere etwa 180 bis 200°C.
Es kann vorteilhaft sein, den erfindungsgemäßen Formkörpern zusätzlich mineralische
Materialien zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften einzuverleiben. Diese
sind zwar nicht biologisch abbaubar, aber zumindest inert und ökologisch unbedenklich.
Bevorzugte Beispiele hierfür sind Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Siliziumdioxid und
Aluminosilikate, wie z. B. Kaolin. Das mineralische Material liegt vorzugsweise in einer
Menge von etwa 5 bis 50 Masse-%, insbesondere etwa 10 bis 20 Masse-% in dem
erfindungsgemäßen Formkörper vor. Neben diesen mineralischen Materialien kann der
erfindungsgemäße Formkörper Farbmittel in Form von Farbstoffen und/oder
insbesondere Farbpigmenten enthalten. Soll der erfindungsgemäße Formkörper weiß
eingefärbt sein, dann wird ein Weißpigment in Form von Titandioxid bevorzugt. Weitere
denkbare Farbpigmente sind beispielsweise Eisenoxide. Um hier die gewünschte
Einfärbung zu erzielen, reichen 0,2 bis 1 Masse-% Farbmittel innerhalb des
erfindungsgemäßen Formkörpers aus.
Den erfindungsgemäßen Formkörpern werden noch weitere Substanzen zur Modifi
zierung, zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und zur Erzielung spezifischer
Materialeigenschaften einverleibt werden, sofern dadurch die biologische Abbaubarkeit
und die ökologische Unbedenklichkeit nicht wesentlich eingeschränkt werden. Als
typische weitere Hilfsmittel und Additive kommen in Frage: Stabilisatoren,
unbedenkliche Weichmacher, Vernetzer, Gleitmittel, Haftvermittler, Flammschutzmittel,
Hydrophobier- oder Hydrophiliermittel, Biozide, Rodentizide, Aromen und dergleichen.
Darüber hinaus können natürliche und biologisch abbaubare Füllmittel einbezogen
werden, die bei der Verarbeitung oder Wiederaufarbeitung von Textilabfällen aus
Naturfasern, von Reißwolle und Reißbaumwolle sowie von Abfällen aus Altpapier und
dergleichen anfallen.
Die erfindungsgemäßen Formkörper werden anhand des nachfolgend beschriebenen
erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt, wobei die angesprochenen Ausgangs
materialien zu einem Verbundmaterial verarbeitet werden, bei dem der Celluloseacetat-
Anteil die Funktion des Bindemittels erfüllt und dort eine weitgehend verschmolzene
Phase bildet.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper wird insbesondere derartig
vorgegangen, daß Celluloseacetat mit den natürlichen Cellulosefasern bzw. den
natürlichen cellulosehaltigen Fasern in einem Masseverhältnis von etwa 10 : 90 bis etwa
90 : 10 gemischt, der Gesamtfeuchtigkeitsgehalt auf mindestens etwa 3 Masse-%,
bezogen auf die Gesamtmenge des Celluloseacetats in diesem Gemisch, eingestellt, und
dieses Gemisch bei einer Temperatur von etwa 220 bis 280°C und einem Druck von
etwa 30 bis 150 bar verpreßt wird. Vorzugsweise beträgt das oben angesprochene
Masseverhältnis von Celluloseacetat zu den natürlichen Cellulosefasern bzw. den
natürlichen cellulosehaltigen Fasern etwa 15 : 85 bis 85 : 15 und ganz besonders von 25
75 bis 60 : 40. Wird der untere Grenzwert von 10 : 90 unterschritten, dann liegt nicht
ausreichend Celluloseacetat vor, um die Cellulosefasern ausreichend fest im Verbund zu
halten. Wird der obere Grenzwert von etwa 90 : 10 überschritten, dann geht die
angestrebte verstärkende Funktion der Cellulosefasern weitgehend verloren.
Die Ausgangsmaterialien werden vorzugsweise bei Raumtemperatur gemischt und dann
den obigen Verfahrensbedingungen unterworfen. Dabei erfolgt das Verpressen
vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 240 bis 270°C und einem Druck von etwa
50 bis 130 bar. Die Einhaltung des oben genannten Druckrahmens von etwa 30 bis 150
bar ist erfindungswesentlich und läßt sich wie folgt erklären. Ein Druck unter etwa 30
bar führt dazu, daß Celluloseacetat nicht ausreichend gut fließen kann und infolgedessen
nicht homogen im Formkörper vorliegt, während ein Überschreiten des Drucks von etwa
150 bar insofern nachteilig ist, als dieses einen sehr hohen technischen Aufwand
erfordern würde. Um das Celluloseacetat ausreichend zu verschmelzen, ist es
erforderlich, daß bei der Formgebung unter Druck eine Mindesttemperatur von etwa
220°C herrscht. Wird der obere Grenzwert von 280°C überschritten, dann bedeutet das,
daß das Celluloseacetat thermisch geschädigt wird.
Das Celluloseacetat kann mit den jeweiligen Verstärkungskomponenten bzw. anderen
Zusatzmitteln in beliebiger Form gemischt werden. Grundsätzlich können alle
entsprechenden Einsatzformen, die aus anderen Bereichen bekannt und erprobt sind,
herangezogen werden. Geeignete Einsatzformen sind z. B. Pulver, Mahlgut oder
Granulat, insbesondere aber auch Fasern mit unterschiedlichen Längen und
Querschnitten oder auch Folienbändchen des Celluloseacetats. Möglich ist auch die
Anwendung des Bindemittels in Form von Flächengebilden, wie Folien oder
Faservliesen. Schließlich kann das Bindemittel in Einzelfällen auch aus flüssiger Phase,
aus Lösungen oder Dispersionen, eingebracht werden.
Zum Vermischen der erläuterten Ausgangsmaterialien des erfindungsgemäßen Form
körpers eignen sich grundsätzlich alle bekannten Verfahren der Komposit-Herstellung.
Wegen der speziellen Eigenschaften der Verbundkomponenten sind einige Mischver
fahren besonders bevorzugt. So kommen die üblichen Verfahren der Polymer-
Compoundierung in Frage, wobei beispielsweise Extruder, Strainer, Kneter oder
Walzwerke herangezogen werden. Da es dabei bereits vor der Formgebung zu einer
thermischen und mechanischen Belastung der Verbundkomponten kommen kann, sind
Mischmethoden, bei denen das als Bindemittel wirkende Celluloseacetat nicht wesentlich
thermisch belastet wird, besonders vorteilhaft.
Für die Herstellung von Formteilen bzw. für die Herstellung bestimmter
Eigenschaftsprofile sind z. B. die Imprägnierung mit Lösungen oder Dispersionen oder
auch die Vereinigung der Komponenten in flächiger Form als Folie und/oder Faservlies
durch Laminierung oder nach Sandwich- bzw. Filmstacking-Verfahren besonders gut
geeignet. Besonders vorteilhaft ist im Hinblick auf die erfindungsgemäß möglichen
Materialeigenschaften die Zugabe des Celluloseacetats zum jeweiligen Verstärkungs
material in Form von Pulvern oder Fasern, z. B. durch Misch- und Streuverfahren, in
Fasermischstationen oder im Zuge eines der verschiedenen Vliesbildungsverfahren.
Geeignet sind insbesondere die mechanische Vliesbildung auf Krempeln oder Karden, die
aerodynamische Vliesbildung und die hydrodynamische Vliesbildung bzw. der
Papierprozeß.
Nach dem Mischprozeß liegt das Ausgangsmaterial, abhängig vom angewandten
Mischverfahren, mit unterschiedlichem Charakter vor. So erhält man z. B. bei der
Compoundierung auf Extrudern oder im Filmstacking-Verfahren harte und feste
Produkte. Diese können gegebenenfalls zur Weiterverarbeitung granuliert oder aber
bereits direkt zu Platten, Profilen oder fertigen Teilen geformt werden. Durch
Fasermischung oder mit Vliesbildungsverfahren erhält man, je nach Vorgehensweise,
lockere oder feste Matten, die gegebenenfalls bereits als solche z. B. zu Dämmzwecken
eingesetzt werden können oder als Halbzeug anschließend zu den gewünschten Produkten
weiterverarbeitet werden. Neben der biologischen Abbaubarkeit ist ein wesentliches
vorteilhaftes Charakteristikum der erfindungsgemäßen Formkörper die Tatsache, daß sie
zwar prinzipiell Thermoplaste enthalten und auch darauf zurückgehende Vorzüge
besitzen, jedoch die Thermoplastizität nur unter speziellen Verarbeitungsbedingungen
gegeben ist. Dagegen verhalten sich die Produkte unter üblichen Gebrauchsbedingungen
praktisch nicht thermoplastisch und besitzen damit eine ausgezeichnete
Wärmestandfestigkeit.
Die erfindungsgemäßen Verbundmaterialien besitzen bei spezifischen Verarbeitungs
bedingungen die notwendig gute Verformbarkeit. Insbesondere sind die Preßtemperatur
und der Preßdruck der jeweiligen Zusammensetzung im oben angesprochenen Rahmen
anzupassen. Allerdings ist bei der Verarbeitung auch die Materialfeuchtigkeit von
Relevanz. So muß der Gesamtfeuchtigkeitsgehalt des Ausgangsmaterials mindestens etwa
3 Masse-%, bezogen auf die Gesamtmenge des in dem Ausgangsgemisch eingesetzten
Celluloseacetats, betragen. Gegebenenfalls kann diese Menge etwa 20 Masse-%
betragen, wobei regelmäßig besonders gute Werte in dem Bereich von etwa 3 bis 5
Masse-% erzielt werden. Im allgemeinen enthalten die natürlichen Cellulosefasern bzw.
natürlichen cellulosehaltigen Fasern bereits den nötigen Feuchtigkeitsgehalt, um in der
Vermischung obige Anforderungen an den Gesamtfeuchtigkeitsgehalt zu erfüllen. So
enthält Flachs beispielsweise unter den Bedingungen eines Normklimas (nach DIN
50 014/20°C/65%ige Luftfeuchtigkeit) 8 bis 10% Wasser.
Die erfindungsgemäßen Formkörper lassen sich, wie ohne weiteres ersichtlich, aufgrund
ihrer besonderen thermischen und mechanischen Eigenschaften vielfältig mit Vorteil
einsetzen. Dies gilt insbesondere im Automobilbereich, so z. B. als Seitenverkleidungen
bzw. Türverkleidungen sowie als Dachhimmel, als Verpackungsmaterial, Dämmaterial
und als Möbelteil. Von Bedeutung sind die erfindungsgemäßen Formkörper auch als
Halbzeuge jeglicher Art, wie Vliesstoffe, Matten, Platten und Folien.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand verschiedener Beispiele erläutert werden. Dabei
wird bezüglich erfindungswesentlicher Merkmale auf die Tabellen 1 bis 3 Bezug
genommen.
Es wurden Celluloseacetatfasern mit dem aus der Tabelle 1 ersichtlichen DS-Wert und
dem dort angegebenen Faseranteil herangezogen. Dabei wurden Flachsfasern einer
Schnittlänge von 10 mm und Celluloseacetatfasern einer Schnittlänge von 5 mm und
einer Feinheit von 3 dtex mit einer Naßvliesanlage zu Faservliesen verarbeitet. Es
kommen zwei Celluloseacetattypen zum Einsatz, die sich im Substitutionsgrad (DS)
unterscheiden: DS 2,2 (Beispiele 1 bis 5) und DS 2,5 (Beispiele 6 bis 10). Der Anteil an
Flachsfasern variiert von 15 bis 85 Gew.-%. Diese Vliese werden mehrlagig in einer
hydraulischen Presse zu etwa 2,5 mm dicken Platten verpreßt. Die Preßbedingungen sind
260°C, 1 min und 120 bar. Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 1
angegeben.
Es wurden Celluloseacetatfasern mit dem aus der Tabelle 2 ersichtlichen DS-Wert und
dem dort angegebenen Faseranteil herangezogen. Alle in Tabelle 2 aufgeführten
Preßplatten besitzen einen Faseranteil von 50 Masse-%. Bzgl. der mechanischen
Eigenschaften der hiernach erhaltenen Formkörper sei ebenfalls auf Tabelle 2 verwiesen.
Beispiel 11 entspricht dem Beispiel 8, wobei jedoch das Vlies nicht auf einer Naßanlage,
sondern mit einer Vlieskrempel hergestellt wurde (Faserlänge von Flachs und
Celluloseacetat: 50 mm).
Die Beispiele 12 und 13 entsprechen dem Beispiel 8, wobei anstelle von Flachs Jute und
Papierfaser (CTMP) eingearbeitet wird.
Zum Vergleich des Werkstoffs Celluloseacetat wurden Preßplatten mit Bioceta erstellt
(spritzgießfähiges Celluloseacetat mit hohem Weichmacheranteil, Herstellung auf
Naßvliesanlage, 50% Flachs) sowie Polypropylen (Herstellung nach dem "Film-
Stacking"-Verfahren), wobei ein Sandwich-Aufbau aus mehreren Lagen Flachsvlies und
PP-Folie verpreßt wird. Der Flachsanteil beträgt 50 Masse-%. Die mechanischen
Kenndaten sind in Tabelle 2 angegeben. Die gemessene Vicat-Temperatur ist ein Maß für
die Wärmeformbeständigkeit.
Es wurden Celluloseacetatfasern mit dem aus der Tabelle 3 ersichtlichen DS-Wert und
dem dort angegebenen Faseranteil herangezogen. Preßplatten aus reinem Celluloseacetat
(Beispiel 16) sowie Preßplatten mit 50 und 75 Masse-% Flachs nach Beispiele 17 und 18
wurden in Anlehnung an den Erdeingrabtest nach DIN 53 933 45 Tage lang in feuchte
Erde eingegraben und bei 29°C gelagert. Die Änderungen der mechanischen
Eigenschaften sowie der Gewichtsverlust sind angegeben. Durch den Zusatz von Flachs
erhöht sich der Gewichtsverlust. Dies bedeutet, daß der biologische Abbau schneller
abläuft.
Für sämtliche Tabellen gilt, daß die Abkürzung CA für Celluloseacetat steht.
Die verschiedenen Eigenschaften wurden nach folgenden DIN-Vorschriften bestimmt:
Zugfestigkeit: DIN 53 455
Zug-E-Modul: DIN 53 457
Biegefestigkeit: DIN 53 452
Biege-E-Modul: DIN 53 457
Bruchdehnung: DIN 53 455
Schlagzähigkeit: DIN 53 453.
Zugfestigkeit: DIN 53 455
Zug-E-Modul: DIN 53 457
Biegefestigkeit: DIN 53 452
Biege-E-Modul: DIN 53 457
Bruchdehnung: DIN 53 455
Schlagzähigkeit: DIN 53 453.
Claims (17)
1. Formkörper aus Verbundmaterial auf der Basis von Celluloseacetat als Bindemittel
und verstärkenden natürlichen Cellulosefasern bzw. natürlichen cellulosehaltigen Fasern,
dadurch gekennzeichnet, daß das Celluloseacetat einen Substitutionsgrad (DS) von etwa
1,2 bis 2,7 und der Formkörper eine Vicat-Temperatur von mindestens etwa 160°C
aufweist und das Masseverhältnis von Celluloseacetat zu natürlichen Cellulosefasern
bzw. natürlichen cellulosehaltigen Fasern etwa 10 : 90 bis 90 : 10 beträgt.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substitutionsgrad
(DS) des Celluloseacetats zwischen etwa 1,8 bis 2,6, insbesondere zwischen etwa 2,1
und 2,5 liegt.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Masseverhältnis von Celluloseacetat zu den natürlichen Cellulosefasern bzw. den
natürlichen cellulosehaltigen Fasern etwa 15 : 85 bis 85 : 15, insbesondere etwa 25 : 75
bis 60 : 40 beträgt.
4. Formkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vicat-Temperatur mindestens etwa 170°C, insbesondere etwa
180-200°C, beträgt.
5. Formkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Polymerisationsgrad (DP) des Celluloseacetats zwischen etwa
140 bis 270, insbesondere zwischen etwa 170 bis 250 liegt.
6. Formkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die natürlichen Cellulosefasern bzw. natürlichen cellulosehaltigen
Fasern eine mittlere Faserlänge von etwa 0,2 mm bis 100 mm, insbesondere von etwa 3
mm bis 30 mm, und einen mittleren Querschnittsdurchmesser von etwa 8 µm bis 100 µm,
insbesondere von etwa 10 µm bis 30 µm, aufweisen.
7. Formkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die natürlichen Cellulosefasern bzw. natürlichen cellulosehaltigen
Fasern in Form von Kapok-, Sisal-, Jute-, Flachs-, Kokos-, Kenaf-, Abaka-,
Maulbeerbast-, Hanf-, Ramie- und/oder Baumwollfasern vorliegen.
8. Formkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß er zusätzlich mineralische Materialien enthält.
9. Formkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralische
Material als Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Siliziumdioxid und/oder Aluminosilikat
vorliegt.
10. Formkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralische
Material in einer Menge von etwa 5 bis 50 Masse-%, insbesondere etwa 10 bis 20
Masse-% vorliegt.
11. Formkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß er Farbmittel enthält.
12. Formkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbmittel ein
Pigment, insbesondere ein Weißpigment, ist.
13. Formkörper nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbmittel
darin in einer Menge von etwa 0,2 bis 1 Masse-% vorliegen.
14. Verfahren zur Herstellung des Formkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß das Celluloseacetat mit den natürlichen Cellulosefasern
bzw. den natürlichen cellulosehaltigen Fasern in einem Masseverhältnis von etwa 10 : 90
bis 90 : 10, insbesondere etwa 15 : 85 bis 85 : 15, gemischt werden, der
Gesamtfeuchtigkeitsgehalt auf mindestens etwa 3 Masse-%, bezogen auf die
Gesamtmenge des Celluloseacetats, in diesem Gemisch eingestellt wird und dieses
Gemisch bei einer Temperatur von etwa 220 bis 280°C und einem Druck von etwa 30
bis 150 bar verpreßt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs
komponenten bei Raumtemperatur gemischt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpressen
bei einer Temperatur von etwa 240 bis 270°C und einem Druck von etwa 50 bis 130 bar
durchgeführt wird.
17. Verwendung der Formkörper nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 als
Automobilinnenteil, insbesondere als Dachhimmel und als Seitenverkleidung,
Verpackungsmaterial, Dämmaterial oder Möbelteil.
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