IHRE VERWENDUNG

Die Erfindung betrifft Verstärkungs-und/oder Prozessfa¬ sern auf Basis von Pflanzenfasern, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung.

Es ist bekannt/ daß Formteilen häufig Asbestfasern bei¬ gemischt werden. In der letzten Zeit hat sich aber heraus¬ gestellt/ daß Asbest vom gesundheitlichen Standpunkt keineswegs unbedenklich ist. Trotz dieses Nachteils kommen diese Fasern nach wie vor in großem Umfang zur Anwendung/ weil sie auf vielen Anwendungsgebieten große Vorteile besitzen und echte Alternativen am Markt zur Zeit nicht vorhanden sind.

Das gleiche gilt für Glasfasern. Auch Kunstfasern sind nicht unbedenklich/ da bei höheren Temperaturen Zersetzungs¬ reaktionen unter Bildung von toxischen Dämpfen stattfinden können.

Auch auf der Basis von Pflanzenfasern wurde bereits ver¬ sucht/ ein Ersatzmaterial für Asbest zu finden. So be¬ schreibt DE-OS 30 08 204 ein Verfahren zur Herstellung einer Armierungsfaser/ bei dem Pflanzenfasern zunächst be¬ züglich der Kapillaren geöffnet werden und die so be¬ handelten Plfanzenfasern dann mit einer Aufschlämmung von Kalk und Wasser und nach einer Zwischentrocknung mit

einer Formaldehyd enthaltenden Wasserglaslösung imprägniert werden. Diese Behandlungsschritte können auch in umge- 5 kehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Auch dieses Ver¬ fahren hat jedoch nicht zu dem gewünschten Erfolg ge¬ führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Ver- 10 stärkungs- und Prozessfasern zur Verfügung zu stellen _/ die die vorteilhaften Eigenschaften der Asbestfaser besitzen _/ ohne deren gesundheitsschädlichen Nachteile aufzuweisen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Verstärkungs- und Prozess- 15 fasern auf Basis von Pflanzenfasern/ die durch das nach _¬ stehende Verfahren erhältlich sind.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verstär¬ kungs- und Prozessfasern ist dadurch gekennzeichnet, daß man 0 a) die faserhaltigen Teile von Faserpflanzen von

Holzbestandteilen und anderen unerwünschten Bestand¬ teilen der Pflanze befreit,

~-° b) die von Holzbestandteilen befreiten Pflanzenfasern gewünschtenfalls mit einer wäßrigen Lösung mindestens einer Metallverbindung, ausgewählt unter Metalloxi¬ den, Metallhydroxiden, Metallcarbonaten, Metallsulfa¬ ten, Metallthiosulfaten, Metallsulfiten, Metall-

- ^~ silikaten oder Metallphosphaten behandelt, anschlies- send wäscht und mit einem anorganischen oder orga¬ nischen Bindemittel behandelt oder die nicht-gewa- schenen Fasern mit einer Mineralsäure neutralisiert, oder

^° c) die von Holzbestaπdteilen befreiten Pflanzenfasern gewünschtenfalls mit einem Oxidationsmittel behandelt, oder

d ₎ die rohen, nicht-vorbehandelten Pflanzenfasern bei 250 bis 350 °C unter kontrollierter Luftzufuhr behandelt, so daß eine Verkohlung der Fasern erfolgt.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Armierungs- und

Prozessfasern sind Fasern von allen Faserpflanzen geeignet. Bevorzugt verwendet man Bastfasern, wie die Stengelfasern von Flachs, Hanf, Jute, Nesselpflanzen, die Blattfasern der Agaven, die Samenhaare beispielsweise der Baumwolle und die Fasern der Fruchtschale von Kokos. Brauchbar sind auch Fasern, die aus Gräsern erhältlich sind, insbesondere aus Elefantengras, das einen Faseranteil von ca. 50 % be¬ sitzt.

Die Pflanzenfasern in geschnittener oder ungeschnittener

Form müssen zuerst von Holzbestandteilen und anderen uner¬ wünschten Pflanzenbestandteilen befreit werden. Dies erfolgt anhand bekannter und üblicher Verfahren, beispielsweise durch Rösten und Entholzen von Grünflachs.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Ent¬ fernung der Holzbestandteile durch Aufschluß der Pflanzen¬ fasern mit einer Ultraschallbehandlung in wäßrigem Medium. Die Ultraschallwellenlänge ist nicht kritisch. Sie wird je naclTApparatur vorzugsweise so gewählt, daß optimale Schallintensität erreicht wird und Ultraschallkavitation eintritt.

Als- wäßriges Medium verwendet man vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser mit mindestens einem polaren organischen Lö¬ sungsmittel. Als organisches Lösungsmittel verwendet man vorzugsweise einen C^ bis C4~ ono- oder Dialkohol, ein C bis C4~Keton, einen mit Wasser mischbaren Äther oder ein Getaisch davon. Besonders bevorzugt sind Methanol, Ethanol und Aceton. Das Volumenverhältnis von Wasser zu organischem Lösungsmittel liegt vorzugsweise im Bereich von 5:1 bis 1:5, insbesondere 3:1 bis 1:3.

Das Ultraschallverfahren ist eine besonders rasche, einfache und schonende Methode zur Entfernung der Holz¬ bestandteile und anderer unerwünschter Bestandteile der rohen Pflanzenfasern. Die auf diese Weise erhaltenen

Pflanzenfasern sind mechanisch nicht beschädigt und sie - besitzen die Zerreißfestigkeit der ursprünglichen Faser. Da auch die anderen unerwünschten Pflanzenbestandteile, insbesondere das Bindemittel, weitgehend durch die Ultra- schallbehandlung entfernt werden, sind die Fasern mit ande¬ ren Materialien gut verträglich, so daß sie leicht in eine Matri^ aufgenommen werden können. Die nach Ultraschallbe¬ handlung erhaltenen Pflanzenfasern sind daher auch ohne eine weitere Nachbehandlung für die nachfolgend noch ge- nannten Anwendungsgebiete geeignet.

Gewünschtenfalls können die von Holzbestandteilen befrei¬ ten Pasern anschließend mit der wäßrigen Lösung einer Metallv€grbindung behandelt werden. Diese Lösung enthält insbesondere 1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 30 Gew.-% der Metallverbindung, bezogen auf das Gesamt¬ gewicht der Lösung. Vorzugsweise erfolgt die Behandlung bei 50 bis 100 °C.

Falls erforderlich, werden die Fasern dann mit Wasser ge¬ waschen und gegebenenfalls getrocknet und mit dem Binde- 5 mittel behandelt oder sie werden mit einer Mineralsäure, insbesondere Salzsäure, Phosphorsäure oder Schwefelsäure, neutralisiert, gegebenenfalls getrocknet und mit dem Bindemittel behandelt.

Bevorzugte Metallverbindungen sind Alkali- oder Erdalkali¬ oxide/ -hydroxidβ/ -carbonate/ -thiosulfate oder -sulfate sowie basische Eisen-/ Titan-/ Antimon- oder Aluminium¬ salze. Besonders bevorzugt sind Alkali- oder Erdalkali- hydroxide, Alkalimetasilikate und Alkalithiosulfate _# z.B. ~ - Natrium- oder Kaliumhydroxid/ Natriumetasilikat und

Natriumthiosulfat.

Als Bindemittel verwendet man insbesondere Zement/ Gips/ Silikate, Alkali- oder Erdalkalisalze von Mineralsäuren,

20 Bitumen, Asphalt, natürliche und synthetische Elastomere, Polyurethane, Phenolharze, Resole, Melaminharze, Epoxy- harze oder deren Gemische.

Die Anwendung dieser Bindemittel kann in wäßrigem oder ²⁵ organischem Medium (Lösungsmittel) erfolgen. Die Binde¬ mittelmenge beträgt vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%/ bezogen auf den Faseranteil.

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Die Fasern werden mit einer wäßrigen oder organischen Lösung oder Suspension des Bindemittels imprägniert _/ indem sie beispielsweise in die Lösung oder Suspension getaucht oder damit besprüht werden. Die Imprägnierung erfolgt vorzugsweise bei Raumtemperatur, anschließend wird getrocknet,

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LATl

Anstelle der in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Fasern kann man auch die bei der Flachsbearbeitung anfallen¬ den Faserkomponenten direkt mit dem Bindemittel behandeln.

Je nach Anwendungszweck der erfindungsgemäßen Fasern kann man noch zusätzliche Behandlungsstufen vorsehen. Wenn beispielsweise eine helle Faser gewünscht ist/ kann man nach der Vorbehandlung der Fasern einen Bleichvorgang ein¬ schieben. Zu diesem Zweck werden die Fasern in üblicher Weise bei Räumptemperatur oder bei erhöhter Temperatur mit einer Peroxid- oder Hypochloritlösung oder mit Chlor- wasser behandelt und anschließend mit Wasser gespült.

Falls ein tribologischer Effekt gewünscht ist/ kann man ihnen ein Feststoffschmiermittel zusetzen. Geeignete Feststoffschmiermittel sind beispielsweise Molybdändi- sulfid, Graphit/ Zinksulfit/ Tricalciumphosphat/ Titanoxid und dergleichen.

Falls eine zusätzliche flammhemmende Ausrüstung gewünscht ist/ kann man ihnen eine flammhemmende Verbindung zusetzen/ wie ein Antimonoxid/ Eisensulfat/ Alaun/ Wismutoxid/ Harn- stoffphosphat oder Chlorparaffin.

Als Konservierungsmittel kann ihnen auch ein Bakterizid, wie ein Schwermetallsalz oder eine Chlorphenolverbindung, zugesetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Fasern, insbesondere die nach Ultraschallbehandlung erhaltenen Fasern können auch hydophobiert werden, zum Beispiel mit einem Fluorcopolymer, Paraffin, Polysiloxan, reaktiven Hydrophobierungsmittel

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(Silane, Isocyanate) oder Zirkon- oder Zinksalz.

^~ _W ie oben bereits erwähnt/ können in einerweiteren Variante- des erfindungsgemäßen Verfahrens Pflanzenfasern/ die die organischen Bestandteile (Holzbestandteile, Zuckerstoffe/ Pektine) noch enthalten/ pyrolysiert werden. Sie werden

_Q dabei einer Behandlung bei einer Temperatur von 250 bis

350 °C unter kontrollierter Luftzufuhr unterworfen. Dabei verbrennen die Pflanzen nicht, sondern sie verkohlen. Beispielsweise werden die Fasern unter kräftiger Durchmischung in einem von außen beheizten Röhrenofen erhitzt. Dabei werden

!5 die gebildeten Gase abgesaugt und der Luftzutritt so geregelt, daß keine Verbrennung und eine Druckerniedrigung von etwa- 0,1 bis 0,05 Bar erfolgt. Alternativ dazu kann man Inert¬ gase, wie Kohlendioxid, Stickstoff, Stickstoff/Wasserstoff etc. Zuspeisen, um den Sauerstoffgehalt zu erniedrigen. Man

20 kann auch unter im wesentlichen reiner Inertgasatmosphäre arbeiten.

Die Erhitzungszeit wird so gewählt, daß der Carbonisierungs- grad etwa 20 bis 80 %, insbesondere 20 bis 60 %, beträgt. 25 überraschenderweise erhält man auf diese Weise ohne eine

Vorbehandlung eine Faser, die auf bestimmten Anwendungsgebie¬ ten umweltschädliche Fasern ersetzen kann.

Die durch Pyrolyse erhaltene Faser ist relativ brüchig und 30 kann sehr leicht zerkleinert werden, so daß die Faser als

Mikrofaser vorliegt. Dies kann anhand der spezifischen Ober¬ fläche (nach Blaine-Dyckerhoff) und der Dichte gezeigt werden:

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Spezif. Ober¬ Dichte fläche (cm ² ? ⁾ glcι~? erfindungsgemäß pyroly- sierte Paser (aus Flachs erhalten) 6100 1,58

Asbest 9900 2,5

Flachsfaser (unbehandelt , 2000 1,47 geschnitten)

Gewünschtenfalls können die durch Pyrolyse erhaltenen Fasern noch imprägniert werden/ indem man sie in eine Lösung aus einem Harz/ synthetischen oder natürlichen Gummi oder Elastomer taucht oder mit dieser Lösung besprüht. Diese

Imprägnierung dient dazu, die Benetzung und Verarbeitung der Faser zu erleichtern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Pflanzenfasern einer chemischen Oxidation unterworfen. Zu diesem Zweck behandelt man Pflanzenfasern, die von Holzbestandteilen befreit und zweckmäßigerweise auf ca. 3 bis 10 mm Länge geschnitten sind, mit einer wäßrigen Lösung eines Oxidations ittels. Als Oxidationsmittel sind insbesondere Alkalimetallj-erioda- te, Alkalimetallpersulfate, vorzugsweise Alkalimetall- peraanganate und insbesondere Kaliumpermanganat geeignet.

Die Fasern werden mit der Oxidationslösung benetzt, bei¬ spielsweise durch Aufsprühen, Imprägnieren und derglei¬ chen. Die Behandlung erfolgt bei einer Temperatur von etwa 60 °C bis zum Siedepunkt der Lösung, vorzugsweise bei etwa 80 bis 95 °C und insbesondere bei 85 bis 95 °C.

Nach der Oxidation, die im allgemeinen nach einigen Minuten beendet ist, werden die Fasern gewaschen und getrocknet. Das Trocknen erfolgt bei einer Temperatur bis maximal 140 °C.

Die oxidierten Fasern sind schwer entzündlich und be¬ sitzen vorteilhafte tribologische Eigenschaften. 0

Es können auch Garne oxidiert werden. Dabei muß der Oxi- dationsprozeß so gesteuert werden, daß das Garn nicht zerstört wird. Dies erfolgt über die Konzentration der Oxidationslösung und die Kontaktzeit mit der Oxidations- --" lösung sowie durch eine nachfolgende Reduktion der behandel¬ ten Fasern mit einem üblichen Reduktionsmittel, z.B. Natrium¬ sulfit.

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Im folgenden werden Anwendungsgebiete für die erfindungs¬ gemäßen Fasern erläutert:

In der Zementfaserindustrie sind die erfindungsgemäßen "mineralisierten" Fasern für die Herstellung von beispiels¬ weise ^" Zementplatten und Zementformteilen brauchbar. Für diesen Zweck werden die Fasern wie oben beschrieben be¬ handelt, auf eine Länge von beispielsweise 4 bis 8 mm zugeschnitten und mit einer Metallverbindung wie oben be¬ schrieben behandelt. Die Einarbeitung der Fasern in den Zement erfolgt auf übliche Weise, beispielsweise durch Zumischen zum Zement oder zu der angemachten Betonmischung.

Auf gleiche Weise können Gipsplatten und Gipsformteile hergestellt werden. Die Anwendung ineralisierter Pflanzen¬ fasern ist hier nicht zwingend, weil die Mineralisierung bei der Anwendung der Pflanzenfasern im Gipsbrei erfolgen kann. Die Länge der Fasern richtet sich nach der gewünschten mechanischen Festigkeit der Gipsteile.

Für die Herstellung von Gips für medizinische Zwecke werden die Fasern zusätzlich _/ wie oben beschrieben, gebleicht, was gleichzeitig eine Entkeimung bewirkt.

Für die Herstellung von Verputz- und Spachtelmassen auf Basis von Gips und Leim oder wasserlöslichen Harzen setzt man die vorbehandelten Fasern zusammen mit einem üblichen Konservierungsmittel ein. Auch in diesem Fall ist die ge¬ wünschte Festigkeit maßgebend für die Länge der zur Anwendung kommenden Fasern.

Die erfindungsgemäßen Fasern sind auch zur Herstellung von Schalldämmstoffen, wie Maschinenverkleidungen und Massen für

den Unterbodenschutz von Fahrzeugen und zur Verwendung in Dichtmassen, Dachbahnen und Straßenbelägen geeignet. Zu diesem Zweck werden sie beispielsweise mit Bitumen-Gummi- mehl, Asphalt und Epoxyharzen vermischt. Die Länge der Fasern richtet sich nach der Auftragungsmethode. Bei aufzu¬ sprühenden Überzügen sollte die Länge der Fasern 10 mm nicht überschreiten, wohingegen die Länge der Fasern bei aufgespachtelten Überzügen 20 bis 50 mm betragen kann.

Die erfindungsgemäßen Fasern sind besonders geeignet, als

Zusatz zu Phenoplasten oder thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere bei der Herstellung von Kunststoff-Formteilen.

Die pyrolysierten und die oxidierten Fasern sind besonders vorteilhaft für Dämmstoffe und Reibbeläge, die aus einem Agglomerat mehrerer Komponen¬ ten bestehen und unter Anwendung von Druck und Temperatur verpreßt werden. Die erfindungsgemäßen Fasern dienen dabei dazu, eine optimale Verteilung und homogene Mischung der zahlreichen Einzelbestandteile, die eine sehr unterschied¬ liche Dichte aufweisen können, zu gewährleisten. Die pyro¬ lysierten und oxidierten Fasern lassen sich auch zur Ver¬ besserung der Fließfähigkeit von Zement, Kunststoffen etc. verwenden. Auf Grund ihrer tribologischen Eigenschaften können sie auch für die Herstellung von technischen Papieren eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Fasern (einschließlich der oxidierten Fasern) können auch in Form von Garnen oder Geweben in Phenoplasten oder thermoplastischen Kunststoffen verwendet werden^ welche zu Gleit- und Verschleißteilen und gepreßten Maschinenteilen, wie Bremsbändern, Kupplungen und Reibbelä¬ gen, verarbeitet werden. Sie verleihen den Formteilen aus¬ gezeichnete mechanische Eigenschaften, wie Zug-, Reiß- und Biegefestigkeit.

In der Papier- und Pappeindustrie kommen gebleichte oder ungebleichte erfindungsgemäße Fasern zur Anwendung. Für diesen Zweck werden sie vorzugsweise mit einer Harzlösung (Leimung), die aus Harz, Seifen, Wasserglas und Casein besteht, imprägniert. In gleicher Weise lassen sich die erfindungsgemäßen Fasern auch bei der Herstellung von Filz erwenden.

Die erfindungsgemäßen Fasern können auch zur Herstellung von Poliermitteln verwendet werden. Zu diesem Zweck werden Fasern von ca. 2 bis 4 mm Länge mit Wachs oder einer Gummi¬ lösung getränkt und anschließend über einen Extruder zu Kügelchen geformt. Als Wachse kann man beispielsweise Bienen- - wachs, synthetische Hartwachse, Pflanzenwachse, wie Carnauba- wachs, Candelilawachs und dergleichen verwenden. Je nach Wachsart liegt das Verhältnis von Wachs zu Faser im Be- . reich von 3 bis 5 g Wachs pro 1 g Faser. Durch geeignete Wahl des Wachses läßt sich auch die Härte und die thermi¬ sche Stabilität der Kügelchen beeinflussen.

Als Gummilösung sind Natur- oder Synthesegummi, aufgelöst in einem Lösungsmittel, beispielsweise Methylenchlorid und Kohlenwasserstoffe, wie Xylol, Toluol sowie Latex brauchbar. Latex kann auch in wäßrigem Medium zur Anwendung kommen.

Die mit Wachs oder mit Gummi getränkten Faserkügelchen werden insbesondere als Trommelgut zum Reinigen und Polieren von verschiedenen Materialien (Leder, Holz, Metall) einge- setzt. Sie können auch als Strahlgut beim Strahlreinigen

(z.B. Sandstrahlen) Anwendung finden. Die mit Gummi getränk¬ ten Faserkügelchen lassen sich vorteilhaft auch in Pre߬ massen einarbeiten. Sie stauben nicht und haben eine bessere Verankerung in der Matrix in Gegenwart von Harzen oder bei der Armierung von Elastomeren.

BEISPIELE Beispiel 1 Grünflachsfasern wurden durch Rösten und Entholzen von Holz¬ bestandteilen befreit. 100 kg der von Holzbestandteilen befreiten Fasern wurden in einer 5 %igen wäßrigen Natrium¬ hydroxidlösung 30 Minuten bei 60° C gerührt. Die Fasern werden isoliert und durch Besprühen mit 10 %iger Phosphor¬ säure neutralisiert. Anschließend werden die Fasern in einem Heißluftstrom, z.B. im Wirbelbett, getrocknet.

Beispiel 2 Man wiederholt das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren, wobei man jedoch nach der Behandlung der Fasern mit Natron¬ lauge die Fasern isoliert, mit Wasser wäscht und anschließend mit Zementbrühe besprüht.

Beispiel 3

100 kg geschnittene Grünflachsfasern werden bei 280 bis 300 ^β C in einem Ofen unter kräftiger Durchmischung erhitzt. Die gebildeten Gase werden abgesaugt und durch Frischluft derart ersetzt, daß keine Verbrennung erfolgt. Das Erhitzen wird so lange durchgeführt, bis der gewünschte Carbonisie- rungsgrad, z.B. 80 % beträgt.

Beispiel 4

800 g von Holzbestandteilen befreite Flachsfasern werden mit einer Lösung von 300 g Kaliumpermanganat in 3,5 1

Wasser ^"" mit einer Temperatur von 90 bis 93 °C imprägniert.

Nach 3 bis 4 Minuten erfolgt eine Schaumbildung, der

Oxidationsprozeß ist dann beendet. Anschließend zieht man das Oxidationsmittel ab und wäscht die Flachsfasern mehrmals mit Wasser. Nach dem Waschen werden die Fasern bei ca. 110 bis 120 ^β C getrocknet.

Die oxidierten Fasern haben eine Dichte von 3,5 q/cm- und eine spezifische Oberfläche nach Blain Dyckerhoff von 8600 cm ² /g.

Längenverteilung der oxidierten Fasern:

80 % zwischen 10 und 500 um

5 % zwischen 1 und 2 mm

12,5 % zwischen 2 und 3 mm

2,5 % >3mm.

Dickeverteilung der oxidierten Fasern:

20 % zwischen 5 und 8 μm

25 % zwischen 10 und 16 μm

17,5 % zwischen 30 und 32 um

25 % >40 μm (zwischen 50 und 500 μm) .

Beispiel 5

RohflachsStengel, die nur oberflächlich entholzt waren, werden auf 10 cm Länge geschnitten und in ein Gemisch von 50 % Wasser und 50 % Ethanol (V/V) eingetaucht und bei Raumtemperatur mit Ultraschall behandelt. Der Ultra¬ schallgenerator wurde auf 700 kHz bei einer Leistung von 50 Watt cml- über eine piezoelektrische Anordnung ein¬ gestellt. Der Aufschluß war nach 10 Minuten beendet und die Bad-Temperatur erhöhte sich um 30 °C. Die Fasern wurden anschließend isoliert und in einem Heißluftstrom getrocknet,