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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von durchgehend luft- und wasserdampfdurchlässigen, cellulosehaltigen Werkstoffen ohne zusammenhängende Leimfuge, indem man cellulosehaltige Rohstoffteile, wie Rohholzteile und -späne oder auch Holzfasern und holzähnliche Stoffe, wie Flachs, Stroh, Schilf od. dgl. mit einem niedermolekularen, wasserlöslichen Imprägnierharz mindestens teilweise tränkt und anschliessend verleimt und durch Verpressen vereinigt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man nur die Zellmembranen imprägniert, das in die Zellmembranen eingedrungene Imprägnierharz vorkondensiert und die Verleimung ebenfalls mit einem Imprägnierharz durchführt, wobei man die Zellmembranen an den Berührungsflächen der Rohstoffteile mit diesem Harz sättigt.
Nach diesem Verfahren können Holzwerkstoffe unter normalem oder erhöhtem Pressdruck in allen normierten Qualitäten hergestellt werden, wobei die erfindungsgemäss hergestellten Holzwerkstoffe keine zusammenhängenden Leimschichten zwischen den einzelnen Lagen und keine verstopfenden Leimeinlagerungen in den Zwischenräumen und mikroskopischen Holzporen aufweisen. Durch dieses Verfahren wird die Holzqualität erhöht und ein homogener Aufbau der Platten dadurch erreicht, dass die natürliche Holzstruktur durch Fremdstoffe im makroskopischen und mikroskopischen Bereich nicht unterbrochen wird.
Trocken-, wasser- und kochfeste oder witterungsbeständige Verbindungen zwischen den einzelnen Holzbestandteilen können mittels einer reinen Zellmembranimprägnierung und einer Verstärkung der Kohäsions- und spezifischen Adhäsionskräfte an den Grenzflächen zwischen den eingelagerten Kunststoff- und den Holzmolekülen gesichert werden.
Üblicherweise wurden Holzwerkstoffe, wie Sperrholz, Schichtholz, Sternholz oder Holzspanplatten, so hergestellt, dass die zweckentsprechend vorbereiteten Furniere oder Späne unter geeigneten Pressbedingungen miteinander verleimt wurden. Hiebei lieferte eine möglichst dünne, zusammenhängende Leimschicht die höchsten Festigkeitswerte. Jedoch wirkten diese Leimschichten als Sperrzonen, indem sie die Diffusion von Wasser, Wasserdampf und Luft durch die Platten verhinderten. Ferner traten, wegen der unterschiedlichen Elastizitätsmodule und Ausdehnungskoeffizienten von Holz und Leim und der grossen Schrumpfspannungen während des Abbindevorganges im Leimfilm selbst, in den Platten tangentiale Spannungen auf, welche die senkrecht zur Oberfläche wirkenden Adhäsionskräfte verminderten.
Wegen der Einlagerung des Leimes in die Holzporen und Zwischenräume und mehr noch wegen der Verdichtung einzelner Holzbestandteile konnte von einer ursprünglichen Holzstruktur und von einem durchgehenden homogenen Plattenaufbau keine Rede sein.
Es ist auch bereits bekannt, Holzteilchen mit niedermolekularen Kondensationsprodukten zu imprägnieren, dann zu trocknen und anschliessend mit einem Bindemittel zu versetzen und zu Formkörpern zu verpressen.
Ferner wurde die Verwendung von niedermolekularen Phenolformaldehydkondensaten bzw. von Phenolalkoholen, zur Imprägnierung von Holzteilchen bereits beschrieben.
So wird z. B. in dem Buch von Carswell"Phenoplasts" (Interscience Publishers, Inc. 1947) auf den S. 245 und 246 die Imprägnierung von Holzteilchen mit Phenolalkoholen beschrieben. Jedoch werden hiebei die Holzzellen mit dem Kunstharz vollständig gefüllt, u. zw. bis zu 30%, bezogen auf das Holzgewicht. Dadurch wird das Holz aber undurchlässig für Luft und Wasserdampf und seine Dichte nimmt merklich zu.
In der franz. Patentschrift Nr. 1. 174. 415 wird eine Imprägnierung des Holzes auf einen Harzgehalt von mehr als 20% als nötig betrachtet, um ein wetterfestes Produkt zu erzielen. In dieser Patentschrift wird auch darauf hingewiesen, dass die zur Imprägnierung verwendeten Kondensate nicht in stärkerem Masse kondensiert sein dürfen, damit sie sich nicht an der Oberfläche ansammeln.
Im Gegensatz zu diesen Verfahren imprägniert man nach der Erfindung in der Regel mit höchstens etwa 10% Phenolharz, bezogen auf das Holzgewicht und erzielt hiedurch, dass die Zellumina freibleiben und die Luftund Wasserdampfdurchlässigkeit gewährleistet ist.
Wenn in den bekannten Verfahren die Anwendung eines Bindemittels oder Leims beschrieben wird, bedeutet dies immer, nach der technologischen und chemischen Nomenklatur, einen weiter vorkondensierten, höhermolekularen Stoff, der auf die Oberfläche der zu verleimenden Holzteile aufgetragen wird und die Ausbildung einer Leimfuge bewirkt. Hingegen wird nach der Erfindung die Ausbildung einer zusammenhängenden Leimfuge vermieden.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass Phenolharzfraktionen in die submikroskopischen Kapillaren der verholzten Zellwände eindringen und dort durch chemische Bindungen einen Klebeeffekt hervorrufen können, wenn sie in den Holzmembranen an den Grenzflächen der zu verklebenden Holzteile in genügender Menge vorhanden sind. Diese Eigenschaft besitzen die Di- und Trialkohole, nicht aber die Monoalkohole. Höhermolekulare Phenolharzprodukte können wegen der gleichsinnigen elektrischen Ladung ihrer Moleküle nicht in die Zellwandkapillaren eindringen und lassen sich deshalb ausschliesslich als Leimharze verwenden. Nur einkernige Phenolalkohole sind imstande, in die submikroskopischen Kapillaren der verholzten Zellwände einzudringen.
Die Grösse der Adsorptionskräfte, welche die Einkern-Phenolalkohole in der Holzstruktur fixieren, sind der Molekülgrösse direkt proportional. Es wurde festgestellt, dass die freien Phenole und die Phenolmonoalkohole sich schon mit destilliertem Wasser aus dem Holz eluieren lassen. Die Dialkohole sind mit Wasser weniger gut und Trialkohole überhaupt nicht mehr extrahierbar. Eine chemische Bindung zwischen Harzmolekülen und Zellwandbestandteilen, sowie zwischen den Harzmolekülen selbst, kommt aber erst
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durch Heisspressen zustande. Dabei sind Temperatur und Pressdruck wichtige Faktoren.
Verleimungsexperimente mit verschiedenen Harzfraktionen haben überraschenderweise gezeigt, dass das Vorhandensein von Di- und Trialkoholen im Leimfilm genügt, um eine Leimverbindung durch Heisspressen herzustellen. Es erhob sich daher die Frage, ob es nicht möglich wäre, in Holzwerkstoffen eine reine Zellmembrantränkung zu erzielen, welche gleichzeitig eine gute Bindefestigkeit sichert.
Es wurde nun gefunden, dass je nach Holzart eine Tränkung bis zu einer Harzaufnahme von etwa 5 bis etwa 10 Gew.-*% Festharzgehalt die beste Wirtschaftlichkeit und Vergütung der Holzeigenschaften ergibt. Um jedoch eine ausreichende Leimbindefestigkeit zu erzielen, wird in einem zweiten Arbeitsgang das gleiche Tränkharz auf das Holz aufgetragen, um die Zellmembranen an den Berührungsflächen der Holzelemente
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Die Viskosität des Harzes wird dem verwendeten Auftragsverfahren angepasst. Beim ersten
Imprägniervorgang kann man das Holz sowohl im trockenen, als auch im feuchten Zustand tränken. Diese erste
Vollimprägnierung geschieht am besten durch Tauchverfahren, ohne oder mit Anwendung von Vakuum. Im
Vakuum erfolgt der Imprägniervorgang schneller und vollkommener. Daran schliesst man vorzugsweise eine
Diffusionslagerung an. Daraufhin erfolgt die Trocknung des imprägnierten Holzes. Diese sogenannte "Kondensationstrocknung" kann in den üblichen Trocknungsanlagen durchgeführt werden. Die Endfeuchtigkeit der Deckfurniere und Decklagespäne soll bei etwa 2 bis 3% und diejenige der Mittellagefurniere und
Mittellagespäne bei etwa 1 bis 2% liegen. Eine allzu starke Trocknung ist zu vermeiden. Das Harz im Holz muss nämlich während des Heisspressens noch fliessen.
Das ist unbedingt notwendig, da die endgültige
Vollimprägnierung und eine chemische Bindung zwischen den beteiligten Harz- und Holzmolekülen erst während des Pressens erfolgt. Die Trocknung bringt keine Schwierigkeiten mit sich, weil die Oberfläche des imprägnierten Holzes nicht klebrig ist und sich höchstens feucht anfühlt.
Die unbedingt notwendige Kondensationstrocknung kann unter Umständen mit der üblichen Holztrocknung zusammenfallen, wenn man die Furniere oder Späne in feuchtem Zustand imprägniert. In diesem Falle kann eine zweite Trocknung vermieden werden. Allerdings ist auf gute Lüftung während des Trocknens zu achten.
Die zweite, sogenannte "Leimimprägnierung" kann sofort nach dem Trocknen des Holzes durchgeführt werden. Wie durch Versuche ermittelt wurde, reicht für die Leimimprägnierung eine leichte Benetzung der Grenzoberflächen mit der z. B. auf etwa 40 bis 60% Festgehalt eingedickten Tränkharzlösung vollkommen aus.
Der Auftrag des Harzes geschieht am einfachsten durch Spritzverfahren. Es ist vor allem in diesem Falle vorteilhaft, das Harz durch die Beimischung von etwa 3 bis 5% Resorzin zu verstärken. Bei der Verwendung einer Vierwalzendosiermaschine oder einer Giessmaschine zieht man höherviskose Leime vor. Das Harz soll bei allen Mittelagefurnieren beidseitig aufgetragen werden. Die Deckfurniere werden normalerweise nur auf den Innenseiten benetzt. Die Holzspäne müssen an allen Seiten gleichmässig beleimt werden. Das Heisspressen kann dem Leimauftrag ohne Wartezeit oder zu einem späteren Zeitpunkt folgen. Die nach diesem Verfahren präparierten Furniere oder Späne können auch wochenlang gelagert und, ähnlich wie imprägnierte Leimfilme, auch als Halbfertigprodukte verkauft werden.
Die Holzimprägnierung und Leimimprägnierung wird vorzugsweise mit neutral eingestellten Resolen durchgeführt. Bei alkalischen Harzlösungen tritt eine Säuredissoziation auf, welche die Kohäsions- und Adhäsionskräfte verringert und die Beständigkeit der Fertigprodukte herabsetzt. Die Neutralität (pH-Wert etwa 7) der verwendeten Imprägnierharze ist eine wichtige Voraussetzung für eine gute Bindefestigkeit, Farbbeständigkeit und Wetterbeständigkeit. Die zweite Voraussetzung ist die sorgfältig durchgeführte Kondensationstrocknung.
Das fixierte "Tränkharz" verhindert das tiefere Eindringen des"Leimharzes"in das Holzgewebe und bewirkt, dass letzteres sich während des Pressvorganges an den Grenzflächen am Aufbau von starken Kohäsions- und Adhäsionskräften mit genügend Intensität beteiligt. Entscheidend ist bei diesem Verfahren, dass der Weg für das Eindringen von Di- und Trialkoholen aus den stärker imprägnierten Oberflächenzonen in die tieferen Holzregionen gesperrt wird. In den stark imprägnierten, an der Oberfläche liegenden, Holzmembranen kann durch das Beimengen von zweiwertigem Phenol die Intensität der Reaktion wesentlich gesteigert werden.
Die verhältnismässig geringe Menge niedermolekularen Leimharzes, welche während des Leimimprägnierens durch die Holzzellwände aufgenommen wird und ein optimaler und von der Holzart abhängiger Pressdruck sorgen dafür, dass die Holzporen im Fertigprodukt durch Harzeinlagerungen nicht verstopft werden. Eine kochfeste und witterungsbeständige Leimverbindung ist trotzdem gewährleistet. Die bei diesem Verfahren entstehenden Verleimungen sind nicht mit einer sogenannten"verhungerten Leimfuge"zu vergleichen.
Diese Fehlleimung, welche mit handelsüblichen Leimharzen unter Umständen auftreten kann, entsteht dadurch, dass das Bindemittel aus der inneren Leimfuge tief in das Holzgefüge getrieben und dort die Poren füllt, ohne eine für die Verleimung ausreichende Zellmembranimprägnierung zu bewirken. Die geringen niedermolekularen Fraktionen eines solchen Leimharzes werden in den Poren teilweise durch die grösseren Harzmoleküle absorbiert. Der kleine Anteil an niedermolekularen Fraktionen, welcher aus den Poren in die Zellwände gelangt, wird in einer"verhungerten Leimfuge"auf eine breite Zone verteilt.
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Das im wesentlichen nur aus Einkernphenolen bestehende Imprägnierharz wird hingegen bei dem erfindungsgemässen Verfahren in einer flachen Zone vollkommen durch die Zellmembranen aufgenommen und in dieser Zone von den Holzbestandteilen und den durch die Vorimprägnierung dort schon eingelagerten Harzmolekülen adsorbiert. Die Adsorptionskräfte und die sperrende Wirkung des Vorimprägnierens bewirken eine gute Bindefestigkeit während des Pressvorganges.
Zu starke Leimimprägnierung und hoher Pressdruck können auch bei dem neuen Verfahren zu geringfügigen Harzeinlagerungen in die Fasern und Poren führen. Diese Harzeinlagerungen sind aber nur unter dem Mikroskop wahrnehmbar. Sie können zwar die Diffusion von Luft und Wasser quer durch die Platte beeinträchtigen, sind aber noch keine Sperrzonen. Jedenfalls wird man bei der Fabrikation diese Erscheinung zu vermeiden trachten und auch solche Fehler, die zur Herabsetzung der Leimbindefestigkeit und Wetterbeständigkeit führen.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich Holzwerkstoffe herstellen, die vorteilhafte Holzeigenschaften, wie leichtes Gewicht, gutes Isoliervermögen durch porösen Aufbau und die schöne, natürliche Holzstruktur behalten haben. Diese weisen über den ganzen Querschnitt eine nahezu gleiche, erhöhte Beständigkeit gegen Korrosion, Witterungseinflüsse und biologischen Abbau auf, im Vergleiche zu dem verwendeten Rohholz. Sie besitzen ferner eine geringere Quellung und erhöhte Festigkeit und die Atmung des Holzes, sowie das Diffusionsvermögen für Feuchtigkeit und Luft werden durch die Leimschichten nicht verhindert.
Beispiel l : l bis 3 mm dicke Buchenfumiere werden in eine etwa 25 bis 30% ige wässerige Lösung von Einkernphenolen getaucht, bis sie etwa 5% Festharz, bezogen auf das Trockenholzgewicht, aufgenommen haben. ohne Vakuum dauert dieser Vorgang je nach Dicke der Furniere etwa 10 bis 20 min. Die Furniere werden durch die niederviskose Lösung in dieser Zeit praktisch durchgetränkt.
Die getränkten Furniere werden aufeinander gestapelt und etwa 24 h gelagert. Danach werden die Furniere in einem Bandtrockner bei einer Temperatur von etwa 1000C auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 1 bis 2% getrocknet. Die schön glatt gebliebenen Furniere weisen nach dieser sogenannten "Kondensationstrocknung" infolge der teilweisen Stabilisierung der Zellwände eine gewisse, bleibende Dimensionszunahme auf.
Nach der Trocknung erfolgt die sogenannte "Leimimprägnierung". Man benetzt mit demselben, aber auf 50 bis 605to Festgehalt konzentrierten, Imprägnierharz, welchem man zur Verstärkung gegebenenfalls 3 bis 5% Resorzin zugesetzt hat, leicht die Mittellagefurniere beidseitig und die Decklagefurniere an den Innenseiten. Das Leimimprägnieren erfolgt mittels einer Sprühanlage, einer Vierwalzen-Leimauftragsmaschine oder einer Giess anlage.
Die leicht beharzten Furniere können sofort aufeinandergelegt und zwischen Zulageblechen bei einer Presstemperatur von etwa 135 bis 140 C, einem Pressdruck von 6 bis 8 kg/cm2 und einer Presszeit von etwa 15 bis 20 min zu Lagenhölzern verpresst werden. Die Zulagebleche werden vor dem Pressen mit einem Trennmittel behandelt. Die fertigen Platten werden nach dem Pressen nicht geschliffen. Nach Wunsch können sie nachträglich gestrichen oder anderswie behandelt werden. Bei Verwendung von hellem und neutralem Harz erzielt man eine helle und weitgehend beständige Naturfarbe der Fertigplatten, die die Schönheit der ursprünglichen Holzstruktur aufweisen. Die Fertigplatten sind in der Struktur weitgehend homogen und porös und besitzen keine zusammenhängenden inneren Leimfugen. Sie sind für dekorative, wie auch für technische Zwecke geeignet.
Nicht nur die Verleimung, sondern auch das Holz ist wetterbeständig. Ein Kantenschutz ist nicht notwendig, da die Produkte durchgehend witterungsbeständig sind.
Beispiel 2 : Hackspäne aus im Freien gelagerten Holzarten werden mit einer etwa 30%igen wässerigen Lösung von neutral eingestellten Einkernphenolalkoholen so stark besprüht oder gebadet, dass der Festharzgehalt der Späne, auf ihr Trockengewicht bezogen, etwa 5 bis 6 Gew.-% beträgt. Die imprägnierten Späne werden einige Stunden in Silos gelagert (Diffusionslagerung) und anschliessend bei etwa 100 bis 110 C der Kondensationstrocknung unterworfen. Hiebei wird bei Decklagespänen auf etwa 2 bis 3 Gew.-%, bei Mittellagespänen auf etwa 1 bis 2 Gew.-% Gehalt an flüchtigen Bestandteilen getrocknet. Nach der Trocknung lässt man die Späne abkühlen und benetzt sie hierauf unter ständigem Umrühren möglichst gleichmässig mit einer 50 bis 60%igen Lösung derselben Einkernphenolalkohole.
Diesem Leimharz können gegebenenfalls etwa 5 bis 10 Gew.-% technisches Resorzin, bezogen auf den Feststoffgehalt der Leimharzlösung, zugesetzt sein.
Nach dieser Leimimprägnierung werden die Späne gestreut und bei einer Presstemperatur von 130 bis 1350C verpresst. Presszeit : 10 min ; Grundzeit + überzeit je nach Plattendicke der bekannten Minutenregel entsprechend. Spanngrösse, Plattenaufbau und Pressdruck können je nach den gewünschten Verfahren gewählt werden.
Die Fertigprodukte sind hellfarbig, hochfest und wetterbeständig. Wurde das Ausmass der Holz- und Leimimprägnierung dem verwendeten Pressdruck richtig angepasst, so befindet sich kein Harz in den Zwischenräumen und Holzporen. Die Platte ist leicht und porös, lässt sich sehr sauber bearbeiten und besitzt eine ausserordentlich gute Standfestigkeit. Die Platteneigenschaften, vor allem die Wetterbeständigkeit, können durch die Stärke der Imprägnierung gesteuert werden. Das Überfurnieren der Platten kann mit unimprägnierten oder imprägnierten Deckfurnieren in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Eine nachträgliche Oberflächen-
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behandlung ist in allen Fällen möglich.
An Stelle von niedermolekularen Phenolharzen können auch andere Kunststoffe verwendet werden, die das Holzgewebe durchdringen und beim Heisspressen einen dreiaggregatigen Endzustand bilden können. Das Holz kann auch mit andern Stoffen vorimprägniert und stabilisiert werden, wie z. B. mit Polyäthylenglykol, welche die Zellwände durchimprägnieren und das Eindringen des Leimharzes verhindern.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Quer- bzw. Längsschnitt durch mittels"Tegofilm"--l--verleimte Tannenholzfumiere--2 bzw. 2'--.
Fig. 2 zeigt einen Quer- bzw. Längsschnitt durch nach dem erfindungsgemässen Verfahren verleimte Tannenholzfurniere--2 bzw. 2'--, mit einer Leimimprägnierungszone--3--und einer Imprägnierungszone
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An Stelle des Heisspressens können auch andere Härtungsbehandlungen, wie z. B. Hochfrequenztrocknung oder Bestrahlung, angewendet werden. Auch bei der Kondensationstrocknung können andere Trocknungsmethoden angewendet werden. Das Leimharz kann, an Stelle von Resorzin, auch mit andern reaktiven Stoffen verstärkt werden.
Handelsübliche Sperrholz- und Spanplatten, die mit Harnstoff-, Formaldehyd-, Melanin-, Phenolharz- oder andern Leimen normal verpresst werden sollen, können ebenfalls vorteilhaft mit neutralen Einkernphenolalkoholen erfindungsgemäss vorimprägniert werden. In diesem Falle ist eine Kondensationstrocknung nicht unbedingt erforderlich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von durchgehend luft- und wasserdampfdurchlässigen cellulosehaltigen Werkstoffen ohne zusammenhängende Leimfuge, indem man cellulosehaltige Rohstoffteile, wie Rohholzteile und - Späne oder auch Holzfasern und holzähnliche Stoffe, wie Flachs, Stroh, Schilf od. dgl. mit einem niedermolekularen, wasserlöslichen Imprägnierharz mindestens teilweise tränkt und anschliessend verleimt und
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das in die Zellmembranen eingedrungene Imprägnierharz vorkondensiert und die Verleimung ebenfalls mit einem Imprägnierharz durchführt, wobei man die Zellmembranen an den Berührungsflächen der Rohstoffteile mit diesem Harz sättigt.
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