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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mehrlagigen Pressplatten aus Holzwerkstoffen und Armierungseinlagen, wie Drahtgitter oder Glasgewebe, die mittels eines unter Wärme und Druck härtbaren Bindemittels verbunden werden.
Es sind zahlreiche Vorschläge bekanntgeworden, den natürlichen Holzbestand besser auszunutzen und besondere Ansprüche der Benutzer zu befriedigen. Bei der Erzeugung von Schnittholz wird nur ein kleiner Teil des Holzes verwertet. Die Herstellung von aus geschälten Holzschichten durch Leimen verklebten Sperrholzplatten (Furnierplatten) ermöglicht zwar eine bessere Ausnutzung des natürlichen Holzes, aber auch mit dieser Methode kann aus 1 m3 Rundholz nur 0, 5 m3 Plattenmaterial hergestellt werden.
Die Entwicklung der Holzaufarbeitung führte zur Herstellung von Holzfaserplatten oder Spanplatten, wobei aus Lignocellulose unter Verwendung verschiedener chemischer Bindemittel gepresste oder ungepresste Faserplatten hergestellt werden können. Faserplatten werden unter Verwendung von 0, 5 bis 1, 5% wärmehärtbarem Phenol-Formaldehyd-Kunstharz-auf Trockensubstanz des Holzes gerechnet-hergestellt,
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hergestellt werden. Im Falle der Herstellung ungepresster Platten werden die mit 2 bis 8% Bindemittel behandelten Holzfasern in einer Trocknungsanlage getrocknet. Mit diesem Verfahren können 15 bis 20 mm dicke
Platten mit 15 bis 20 kg/m2 Biegefestigkeit hergestellt werden. Die Oberfläche der Holzfaserplatten kann nach
Bedarf mit Paraffinemulsion imprägniert werden.
Holzspanplatten werden mit 8 bis 12% wärmehärtbaren
Phenol-Formaldehyd-Kunstharzen-auf Trockensubstanz des Holzes berechnet-in einer oder mehreren
Schichten hergestellt, wobei beim Pressen 25 bis 30 kg/cm2 Druck angewendet wird. Auf diese Weise werden
Platten von etwa 175 bis 250 kg/cm2 Biegefestigkeit erzeugt. Mit der Einführung der Faser- bzw.
Spanplattenfabrikation kann die Ausnutzung des natürlichen Holzmaterials in einzelnen Fällen auf 80 bis 85% erhöht und die anisotrope Struktur des natürlichen Holzes behoben werden. Die über eine entsprechende
Biegefestigkeit verfügenden Holzfaser-bzw. Holzspanplatten können jedoch nur in begrenzten Stärken hergestellt werden und sind für die Aussen-Verwendung, wo sie Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, nicht geeignet.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Pressholzprodukte besteht darin, dass sie zu Verwerfungen neigen. Wegen ihres ursprünglichen Feuchtigkeitsgehaltes von etwa 8% quellen sie bereits in Luft von 15 bis 20% relativer
Feuchtigkeit. In Wasser eingetaucht, nehmen sie durchschnittlich 30% Wasser auf.
Die Herstellung der Pressholzprodukte hatte auf zahlreichen Gebieten nicht den Ersatz des natürlichen
Nadelholzes zur Folge. Die Verwendung von natürlichem Nadelholz ist heute noch weit verbreitet, vor allem auf solchen Gebieten, wo die als Konstruktionselemente eingesetzten Platten einer vielseitigen, komplexen
Beanspruchung ausgesetzt sind. Derartige Anwendungsgebiete sind z. B. Seitenwände, Vorderwände,
Dachabdeckungen, Bodenbeläge in Eisenbahnwaggons, Containern und Behältern sowie Schalungsbretter in der
Bauindustrie, wo die Ansprüche an mechanische Festigkeit und Wetterbeständigkeit sehr hoch sind ; bei
Konstruktions- und Strukturelementen ist es auch ein wichtiger Wirtschaftlichkeitsfaktor, dass sie in
Massenproduktion erzeugt werden ; ausserdem sollen Montage und Reparatur nicht allzu arbeitsintensiv sein.
Das in grosser Menge verwendete Nadelschnittholz entspricht in mancher Hinsicht den an Strukturelemente gestellten
Forderungen, jedoch ist die Anisotropie des natürlichen Holzes nachteilig.
Bekanntlich sind die mechanischen Eigenschaften des natürlichen Holzes in Abhängigkeit von der Richtung der Beanspruchung (parallel oder senkrecht zum Faserverlauf) sowie in Abhängigkeit vom Volumengewicht veränderlich. Im Elementarvolumen des Holzes ist die Ursache dieser anisotropen Eigenschaft die symmetrische, senkrecht zueinander liegende Dreiebenenstruktur. Diese Eigenschaft wird als Orthogonalanisotropie bezeichnet.
Diese anisotropen Eigenschaften sowie die Inhomogenität des Holzes sind in der Holztechnologie ungünstig. Ein weiterer Nachteil des natürlichen Holzes liegt in seiner Inhomogenität. Holz kommt selten in regelmässiger Form vor und es enthält schräge Faserbündel, eingewachsene Äste u. dgl. Wegen dieses besonderen Aufbaues und der Inhomogenität muss z. B. im Hochbau bei der Dimensionierung mit 6 bis 7facher Sicherheit gerechnet werden.
Bei Verwendung von Holz als Strukturelement erweisen sich Inhomogenität und Anisotropie des natürlichen Holzes ebenfalls als äusserst ungünstige Eigenschaften, da die Strukturelemente in der Praxis oft stossartigen, konzentrierten und starken Krafteinwirkungen ausgesetzt sind. Auf derartige, plötzlich auftretende, gesteigerte Beanspruchungen werden Strukturelemente im allgemeinen nicht dimensioniert, da eine Überdimensionierung einerseits ein Gewichtsübermass verursacht und anderseits die Baukosten steigert.
Bei gewaltsamer Krafteinwirkung geht natürliches Nadelbaumschnittholz oft zu Bruch ; da aber das Holz in natürlichem Zustand anisotrop und inhomogen ist, beschränkt sich der Bruch nicht auf die Stelle der Krafteinwirkung, sondern verbreitet sich in der Faserrichtung. Der Bruch breitet sich weit aus, die Bruchstelle ist scharf und hat eine splitterige Oberfläche. Solche Bruchstellen können in den meisten Fällen nicht repariert werden, sondern es ist ein vollkommener Ersatz des Strukturelementes notwendig.
Bei der Anwendung von Strukturelementen aus Schnittholz muss auch auf Witterungseinwirkungen Rücksicht genommen werden ; sie können z. B. veränderlicher Wärme- und Kältewirkung, Sonnenstrahlung und Wasserwirkung ausgesetzt sein, eventuell auch einer Abriebbeanspruchung.
In natürlichem Zustand vorliegendes Holz nimmt aus der Umgebung 10 bis 18% Feuchtigkeit auf. Die
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gemeinsame Einwirkung des Wassers und der Witterung verursachen im Rohholz strukturelle Veränderungen, wodurch das Holz altert. Natürliches Holz erleidet unter Einwirkung des Wassers auch eine Massänderung, und man muss mit einer relativen Quellung rechnen, die bis etwa 4% betragen kann. Die Massänderung bewirkt eine ständige Bewegung des Strukturelementes und trägt dadurch in hohem Masse an der Alterung bei ; anderseits bilden sich zwischen den Strukturelementen Kontinuitätslücken.
Zur Verminderung der angeführten nachteiligen Eigenschaften des natürlichen Holzes werden verschiedene
Verfahren angewendet, hauptsächlich um seine Festigkeitseigenschaften, hydrophoben Eigenschaften sowie die
Abriebfestigkeit zu verbessern. Die bekannten Verfahren haben aber nur eine geringe Wirkung, da die Struktur, die der hauptsächliche Träger der nachteiligen Eigenschaften ist, unverändert erhalten bleibt.
Um Witterungseinwirkungen herabzusetzen, werden Strukturelemente aus Holz mit Farbschutzüberzügen versehen. Infolge der starken Beanspruchungen altern aber selbst die besten Farbanstriche schnell und müssen häufig erneuert werden. Bei Verwendung von Strukturelementen aus Nadelholz stellt es einen weiteren Nachteil dar, dass sich, auf die fertige Normware des Handels gerechnet, im Laufe der Aufarbeitung etwa 25 bis 30%
Fabrikationsausschuss bilden. Ausserdem sind auch der Aufarbeitungs-und Einbauarbeitsbedarf hoch. Eine
Band-Montagetechnik kann bei Verwendung von natürlichem Schnittholz nicht verwirklicht werden, obwohl ein solches Bedürfnis bestünde.
Die Erfindung bezweckt, das Anwendungsgebiet von Holzfaserplatten bzw. Holzspanplatten zu erweitern und die Herstellung von laminierten Pressholzprodukten mit verbesserten Eigenschaften zu ermöglichen.
Das eingangs skizzierte erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei äusseren Holzfaser- oder Holzspanplatten mit gegebenenfalls geschliffener Aussenseite eine oder mehrere
Holzfaser- und/oder Holzspanplatten mit aufgerauhter Oberfläche und zwischen die Platten Lagen des
Kunststoffbindemittels sowie die Armierungen eingebracht werden, nach Verpressung der Platten der
Verbundkörper mit einem auf 20 bis 50 C vorgewärmten trocknenden Öl imprägniert und sodann bei einer
Temperatur zwischen 120 und 160 C wärmebehandelt wird.
Als Kunststoffbindemittel kann ein mit Polyamin oder Polyamid vernetzbares Epoxydharz oder ein in
Gegenwart eines Peroxydkatalysators mit einem Aminbeschleuniger vernetzbares Polyesterharz verwendet werden. Als trocknende öle werden ungesättigte Bindungen enthaltende Öle, wie Leinöl, vorzugsweise 30 bis
75% konjugierte Doppelbindungen enthaltende trocknende öle, wie Holzöl oder Oitizikaöl, verwendet. Das verwendete Epoxydharz sollte 180 bis 195 Epoxydäquivalente aufweisen.
Als Polyesterharz kann ein solches aus einem Gemisch von Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Stearinsäure, Äthylenglykol und Glycerin in
Gegenwart eines Inhibitors hergestelltes oder ein aus Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Sebacinsäure, Äthylenglykol und Diäthylenglykol in Gegenwart eines Inhibitors hergestelltes und in monomerem Styrol gelöstes Polyesterharz verwendet werden.
Die folgenden Rezepturen für Polyesterharze haben sich bewährt :
Aus einem Gemisch von 0, 386 Mol Maleinsäureanhydrid, 0, 08 Mol Phthalsäureanhydrid, 0, 021 Mol Stearinsäure, 0, 0488 Mol Äthylenglykol und 0, 02 Mol Glycerin in Gegenwart eines Inhibitors gekochtes
Kunstharz wird im Verhältnis 8 : 2 in monomerem Styrol gelöst.
Ein Gemisch von 0, 248 Mol Maleinsäureanhydrid, 0, 21 Mol Phthalsäureanhydrid, 0, 029 Mol Sebacinsäure, 0, 364 Mol Äthylenglykol und 0, 174 Mol Diäthylenglykol wird in Gegenwart eines Inhibitors gekocht und das Harz im Verhältnis 7 : 3 in monomerem Styrol gelöst.
Als Holzfaser- bzw. Holzspanplatten werden handelsübliche Produkte mit einer Stärke von 2 bis 10 mm verwendet. Als Armierung werden Gewebe bzw. -netze aus Stahldraht von bis 1 mm Stärke oder Glasfasergewebe oder Glaswolle von 400 bis 900 g/m2 Gewicht verwendet. Die Endwärmebehandlung nach der Imprägnierung mit trocknenden ölen erfolgt am besten in einem Trockenofen mit Luftzirkulation.
Das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte laminierte Pressholzprodukt verfügt über eine isotrope Struktur, es widersteht dauernd mechanischen Einwirkungen, seine mechanische Festigkeit beträgt 500 bis 600 kg/m2 und es verträgt besonders gut eine dauernde Vibrationsbeanspruchung. Einen besonderen Vorteil bedeutet es, dass die mechanische Festigkeit und die in der Verwendung als Strukturelement ausschlaggebende Bedeutung besitzende Biegeschlagfestigkeit im Verhältnis zum erwarteten addierten Wert der einzelnen Schichten sprunghaft zunimmt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäss erhältlichen Pressholzproduktes besteht darin, dass es im Gebrauch die mechanischen Krafteinwirkungen elastisch, auf das ganze Strukturelement verteilt, aufnimmt und dämpft. Die elastische Strukturgestaltung ist bei den grösseren Strukturelementen, wie bei Paneelen, sehr wichtig, da z. B. die Seitenwände und die Vorderwände von Eisenbahnwaggons, die schlagartigen, starken Krafteinwirkungen ausgesetzt sind, die Beanspruchung nur im Falle der Verwendung derartiger Strukturelemente aushalten.
Einen weiteren Vorteil bedeutet es, dass die isotropen Eigenschaften des für den Aufbau verwendeten Pressholzes gesteigert und gleichzeitig auch Elastizität erhalten bleibt. Das durch nachträgliche Wärmebehandlung mit öl erzeugte Pressholzprodukt verfügt hinsichtlich seines strukturellen Aufbaues über vorteilhafte Inhomogenitäten, da der geplanten Verwendungsbeanspruchung entsprechend die äusseren Schichten dichter sind.
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Ihre mechanische Festigkeit, ihre Wetterbeständigkeit, ihre Abriebfestigkeit sind gesteigert, die
Wasseraufnahmefähigkeit ist gering, die inneren Schichten dagegen haben einen verhältnismässig lockeren Aufbau und verleihen dem ganzen Strukturelement Elastizität.
Die auf Wirkung der nachträglichen Wärmebehandlung mit öl eintretende vorteilhafte Strukturveränderung in den äusseren Schichten ist als sehr überraschend zu bezeichnen, da das in natürlichem Zustand befindliche Holz oder eine aus diesem hergestellte Furnierplatte unter der Wirkung einer Wärmebehandlung irreversible Schrumpfungen erleidet und die Elastizität hochgradig einbüsst.
Dagegen offenbart sich bei dem erfindungsgemäss erhältlichen Pressholzprodukt die Ölhärtung in einer Zunahme der Kohäsion der äusseren Schichten und nebst Verbesserung der übrigen Eigenschaften wirkt sie nicht schädlich auf den elastischen Zustand des ganzen Strukturelementes, da die lockere Struktur der inneren Schichten erhalten bleibt. Ausserdem verhindert das im geschichteten Aufbau als gesonderte Schicht angewandte Kunstharz das Eindringen des für das Imprägnieren verwendeten öls in die inneren Schichten. Die Zunahme der Kohäsion der äusseren Schicht ist der Bildung des sich während der Hitzepolymerisation des trocknenden öls ausbildenden
Kunstharze zuzuschreiben.
Das in das Pressholzprodukt als Schicht eingeschaltete verstärkende Element, z. B. Stahlnetz oder Glasgewebe, bewirkt eine Zunahme der Biegeschlagfestigkeit des Fertigproduktes. Durch die gerüstverstärkende Struktur wird auch gesichert, dass im Gegensatz zum Nadelschnittholz die im Falle einer konzentrierteren, stoss artigen Krafteinwirkung erfolgende Verletzung sich ausdrücklich auf den Angriffspunkt der Krafteinwirkung beschränkt, sich in Faserrichtung nicht weiter verbreitet und eine lokale Ausbesserung der Verletzung ermöglicht.
Die Bruchfläche ist stumpfkantig, splitterlos und verursacht keine Verletzung der transportierten Produkte.
Die Herstellung des Pressholzproduktes gemäss der Erfindung bedeutet einen wesentlichen technologischen Fortschritt sowohl im Vergleich zum Nadelschnittholz, als auch zu den mit den bekannten Verfahren herstellbaren Pressholzprodukten ; da es einerseits die vorteilhaften Bearbeitbarkeitseigenschaften des Holzes mit den vorteilhaften isotropen Eigenschaften des Pressholzes vereinigt, anderseits beide vom Standpunkt der mechanischen Festigkeit, der Abriebfestigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser übertrifft.
Die Strukturelemente sind auch für die Ausbildung einer bandartigen Montagetechnologie geeignet. Somit kann das neue Produkt in der Fahrzeugindustrie, in der Bauindustrie und im Falle jeder andern, bislang auf Nadelschnittholz beruhenden industriellen Technologie vorteilhafter verwendet werden. Aus dem erfindungsgemäss erhältlichen Pressholzprodukt können mit Grossbetriebsmethoden für die Montage vorbereitete, 15 bis 25mm dicke oder noch dickere fertige Paneele hergestellt werden, wodurch in den betroffenen Industriezweigen bei der Montage ein bedeutender Arbeitsaufwand erspart werden kann.
Zur Illustration des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachstehendes Ausführungsbeispiel mitgeteilt.
Eine auf die gewünschte Grösse eines Strukturelementes zugeschnittene, 5 mm dicke Holzfaserplatte wird auf beiden Seiten abgeschliffen und als Innenplatte verwendet. Zwei weitere Platten werden als Aussenplatten verwendet, wobei ihre polierten Seiten nicht abgeschliffen und ihre Siebmusterseiten gegebenenfalls abgeschliffen werden.
Zur Herstellung des als Bindemittel bzw. als selbständige Schicht verwendeten ungesättigten Polyesterharzes sind nachstehende zwei Variationen geeignet :
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anhydrid, 70 Gew.-Teile Stearinsäure, 22 Gew.-Teile Glycerin und 0, 1 Gew.-Teil Hydrochinon werden in einen mit Rückflusskühler und mit Vorlagegefäss versehenen Reaktor eingewogen. Die Temperatur des Gemisches wird im Laufe von 2 h auf 1900C erhöht, sodann wird das Gemisch bis zum Erreichen einer Säurezahl von 80 bis
90 mg KOH/g bei dieser Temperatur gehalten. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird die Säurezahl halbstündig kontrolliert. Die Zeitdauer des Kochens beträgt etwa 6 h, man arbeitet zwekcmässig in einer inerten Atmosphäre und misst im Laufe der Kondensation die Menge des gebildeten Kondensationswassers.
Nach dem Erreichen der vorgeschriebenen Säurezahl wird das hergestellte Harz auf 120 bis 1300C abgekühlt und im zum Auflösen dienenden Rührgefäss in 244 Gew.-Teilen Styrolmonomeren bei 700C aufgelöst.
Der Lösung in Styrol wird die Lösung von 0, 14 Gew.-Teilen Hydrochinon in 0, 56 Gew.-Teilen Styrol zugefügt.
2. 243 Gew. -Teile Äthylenglykol, 168 Geww-Teile Diäthylenglykol, 260 Gew.-Teile Maleinsäureanhydrid, 336 Gew.-Teile Phthalsäureanhydrid, 81 Gew.-Teile Sebacinsäure und 0, 5 Gew.-Teile Hydrochinon werden in einen mit Rückflusskühler und mit Vorlagegefäss versehener Reaktor eingewogen. Die Temperatur des Gemisches wird im Laufe von 2 h auf 1900C erhöht und bis zum Erreichen einer Säurezahl von 70 bis 80 mg KOH/g wird das Reaktionsgemisch bei dieser Temperatur gehalten. Das Kochen wird in Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Nach dem Erreichen der notwendigen Säurezahl wird das Reaktionsgemisch bei 1900C unter 150 bis 200 mm Hg verminderten Druck gebracht und bis zum Erreichen der Säurezahl 50 bis 55 mg KOH/g weiter gekocht.
Nach dem Erreichen dieser letzteren Säurezahl wird das Kunstharz auf 120 bis 130 C abgekühlt und in ein Rührgefäss übergeführt, wo das Kunstharz bei 700C in 397 Gew.-Teilen Styrol aufgelöst wird. Während des Auflösens werden der Kunstharzlösung 0, 2 Gew.-Teile in Styrol aufgelöstes Hydrochinon zugefügt.
Zur Vernetzung des ungesättigten Polyesters bei Zimmertemperatur wird aus 153 Gew. -Teilen 50%iger Benzoylperoxydpaste, 46 Gew.-Teilen Dibutylphthalat und 105 Gew.-Teilen Chinolin eine homogene Masse bereitet, die als Katalysator verwendet wird. Der bei der Vernetzung verwendete Beschleuniger besteht aus 300 Teilen Diäthylanilin und 600 Teilen Styrolmonomeren.
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Das als Verstärkungsstruktur angewandte, aus 0, 5 mm dickem Metalldraht erzeugte ebene Metallnetz von 12, 5 X 12, 5 mm Quadratgrösse wird dem Mass des herzustellenden Strukturelementes entsprechend zugeschnitten und entfettet. Im Falle der Verwendung eines Glasgewebes wird ein Glasgewebe mit Leinenverband von 400 bis 900 g/m2 Gewicht benützt, das der Herstellung von Polyester- bzw. Epoxydschichtprodukten entsprechend vorbehandelt wurde. Die Elementarfäden des Glasgewebes sind vorteilhaft 7 bis 12 f. J. dick.
Dem laut Punkt 1 hergestellten Kunstharz in einer Menge von 100 Gew.-Teilen werden in einem Mischer mit Z-Arm 6 Gew.-Teile Katalysator und 0, 6 Gew.-Teile Beschleuniger unter Kühlung zugefügt. Während der Zugabe wird vorerst der Katalysator in das Kunstharz gemischt und nach dem Homogenisieren der Beschleuniger.
Für 1 m2 des herzustellenden Strukturelementes wird etwa 1 kg Bindemittel gerechnet.
Das Auftragen erfolgt in der Weise, dass auf eine äussere Seite der Platte in 0, 8 bis 1 mm Dicke ein dickflüssiges Bindemittel aufgetragen und auf dieses das vorbereitete flächenartige Netz gelegt wird. Nach Einbetten des Netzes wird die an beiden Seiten vorbehandelte innere Platte aufgelegt ; schliesslich wird auf die vorbehandelte Seite der zweiten äusseren Platte in 0, 15 bis 0, 2 mm Dicke dickflüssiges Bindemittel aufgeschichtet und dieses wird auf die vorangehend vorbereiteten Schichten gelegt. Das geschichtete Strukturelement wird in die Presse gebracht. Mit dem Fortschritt der Bindung des Kunstharzes wird zunehmender Druck angewandt. Der
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Holzfaserplatten aufgebauten, dreischichtigen Paneelen die Bindungszeit unter Wärmeeinwirkung, im Falle der Anwendung von 120 C auf 15 bis 20 min verkürzt werden.
Die Strukturelemente werden an der Säge abgesäumt und mit Holzöl imprägniert. Im Laufe des Imprägnierens werden die Strukturelemente in das auf 20 bis 800C vorgewärmte Holzöl getaucht, wobei die aufgenommene ölmenge etwa 5 bis 6% ist. Für die Aufnahme dieser Ölmenge sind etwa 1 bis 2 min erforderlich.
Das überschüssige öl wird von den Strukturelementen entfernt, sodann werden diese in einem Luftzirkulationsofen 2 bis 3 h lang bei 120 bis 160 C gehalten. Während der Wärmebehandlung werden die Strukturelemente zur Ausschaltung einer eventuellen Verwerfung in Klemmbacken geklemmt.
Die hergestellten Strukturelemente werden mit einer Pigment enthaltenden, mit Holzöl modifizierten Alkylphenollösung zweimal überzogen, die innere Fläche und die Kanten dagegen werden mit einer kein Pigment enthaltenden, mit farblosem Holzöl modifizierten Alkylphenollösung behandelt.
Für spezielle Anwendungsgebiete kann auf das hergestellte Strukturelement durch Kleben ein Kunststoffüberzug oder irgendein anderer, z. B. ein Metallüberzug, aufgebracht werden.
Die Wasseraufnahme des hergestellten Strukturelementes beträgt nur 1 bis 2% ; der Wert der relativen Quellung ist 1 bis 2%.
Der Biegefestigkeitswert liegt in Abhängigkeit von der angewendeten Technologie zwischen 600 und 800 kg/cm2.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von mehrlagigen Pressplatten aus Holzwerkstoffen und Armierungseinlagen, wie Drahtgitter, Glasgewebe od. dgl., die mittels eines unter Wärme und Druck härtbaren Bindemittels verbunden
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