Verfahren zur Herstellung von cellulosehaltigen Werkstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von durchgehend luft- und wasserdampfdurchlässigen cellulosehaltigen Werkstoffen, indem man die zu verleimenden cellulosehaltigen Teile mit einem niedermolekularen, wasserlöslichen Imprägnierharz tränkt und anschliessend verleimt und verpresst, 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 Teile mit diesem Harz behandelt.
Nach diesem Verfahren können formstabile Werkstoffe, insbesondere Schichtholzwerkstoffe oder Spanplatten, unter normalem oder erhöhtem Pressdruck in allen normierten Qualitäten hergestellt werden, welche keine zusammenhängende Leimschichten (oder Leimfugen , wie sie in Fachkreisen genannt werden)-zwischen den einzelnen Lagen und keine verstopfende Leimeinlagerungen in den Zwischenräumen und mikroskopischen Holzporen aufweisen. Durch dieses Verfahren wird die Qualität des cellulosehaltigen Ausgangsmaterials erhöht und ein homogener Aufbau der Platten dadurch erreicht, dass die natürliche Holzstruktur durch Fremdstoffe im makroskopischen oder mikroskopischen Bereich nicht unterbrochen wird.
Trocken-, wasser- und kochfeste oder witterungsbeständige Verbindungen zwischen den einzelnen Holzbestandteilen können mittels reiner Zellmembranimprägnierung und an den Grenzflächen verstärkten Kohäsions- und spezifischen Adhäsionskräften, zwischen eingelagerten Kunststoff- und Holzmolekülen gesichert werden. Die Beständigkeit des Holzes und der Verbindung kann durch die Art und Intensität des Imprägnierens, die Verstärkung der Bindekräfte an den Grenzflächen der einzelnen Werkstoffelemente und den Pressdruck gesteuert werden.
Holzwerkstoffe, wie Sperrholz, Schichtholz, Sternholz oder Holzspanplatten, werden normalerweise so hergestellt, dass die zweckentsprechend vorbereiteten Furniere oder Späne unter geeigneten Pressbedingungen miteinander verleimt werden. Die Dicke der Leimschicht kann je nach Leimart, Beschaffenheit des Leimes und Leimauftrag unterschiedlich sein.
Eine möglichst dünne, zusammenhängende Leimschicht liefert bekanntlich die höchsten Festigkeitswerte. Die innere Leimschicht zwischen den einzelnen Lagen oder Spänen kann meistens von blossem Auge, je nach der Dicke und Farbe der Fuge, mehr oder weniger deutlich erkannt werden. Diese Leimfuge, wie auch die mechanische Verankerung des erstarrten Leimes in den der Fuge benachbarten Holzporen, d.h. die sogenannte mechanische Adhäsion oder äussere Leimschicht, sind charakteristisch für die Leimverbindungen. Diese Leimschichten wirken in gewisser Hinsicht als Sperrzonen und verhindern die Diffusion von Wasser, Wasserdampf und Luft durch die Platten, ähnlich wie filmbildende Oberflächenbehandlungen.
Wegen der unterschiedlichen Elastizitätsmodule und Ausdehnungskoeffizienten von Holz und Leim und der grossen Schrumpfspannungen während des Abbindevorganges im Leimfilm selbst, treten in den Platten tangentiale Spannungen auf, welche die senkrecht zur Oberfläche wirkenden Adhäsionskräfte vermindern. Die Eigenschaften der durchgehend oder teilweise mit Kunstharz imprägnierten Lagenhölzer, der sogenannten verdichteten Lagenhölzer und der mit Phenolharz verleimten Spanplatten, weichen von denjenigen der unimprägnierten Holzwerkstoffe nur so weit ab, dass der Leim die Holzteile mehr oder weniger über den ganzen Querschnitt durchdringt und z. B. Späne auch umhüllt.
Wegen der Einlagerung des Leimes in die Holzporen und Zwischenräume und mehr noch wegen der Verdichtung einzelner Holzbestandteile kann von einer ursprünglichen Holzstruktur und von einem durchgehenden homogenen Plattenaufbau keine Rede sein.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich nun cellulosehaltige Werkstoffe, insbesondere Holzwerkstoffe, herstellen, welche
1. die guten Holzeigenschaften, wie leichtes Gewicht, gutes Isoliervermögen, durch porösen Aufbau und die schöne, natürliche Holzstruktur behalten,
2. eine über den ganzen Querschnitt nahezu gleiche, wesentlich bessere Beständigkeit gegen Korrosion, Witterungseinflüsse und biologischen Abbau aufweisen als das verwendete Rohmaterial selbst,
3. eine geringe Quellung und erhöhte Festigkeiten besitzen und
4. die Atmung des Holzes und das Diffusionsvermögen für Feuchtigkeit und Luft durch die Leimschichten nicht hindern.
Es ist bekannt, dass die Dauerhaftigkeit und Witterungsbeständigkeit der verschiedenen Holzarten sehr unterschiedlich sein kann. Sogar gleiche Holzarten weisen diesbezüglich in ihren Stämmen verschiedene Zonen auf. Weil diese Erscheinung auf die Bildung und Einlagerung von verschiedenen Kernstoffen in der Holzstruktur zurückzuführen ist, liegt auf der Hand, dass man schon seit langem versucht hat, eine Stabilisierung und Konservierung von Holz durch Imprägnierung zu erzielen.
Die Eigenschaften der Imprägnierungen und Verleimungen gehen aber sehr oft weit auseinander. Sie weisen sogar manchmal grosse Gegensätze auf. Es sind nur wenige Fälle bekannt, bei welchen die Leimbindefestigkeit bereits imprägnierter Hölzer durch das Imprägnieren nicht beeinträchtigt wird. Seltener noch lässt sich ein Imprägniermittel gleichzeitig auch als Bindemittel verwenden. Man erwartet von solchen Stoffen, dass ihre Moleküle untereinander und gegenüber den Holzbestandteilen eine grosse Affinität zeigen, was z. B. bei den stark polaren Phenolharzmolekülen der Fall ist. Bisher wurde allerdings festgestellt, dass man auf ein starkes Imprägnieren mit Phenolharzen oder auf einen Leimauftrag, in gewissen Fällen auf beides, im Interesse einer guten Leimbindefestigkeit nicht verzichten kann.
Ausserdem verlangt man von den Imprägnierharzen einen niedermolekularen, von den Leimharzen aber einen stärker vorkondensierten Zustand.
Die Folgerung, dass die Imprägnierung und Verleimung in einem Arbeitsgang ein stärker vorkondensiertes Phenolharz benötigt, scheint durchaus berechtigt zu sein. Diese Harze sind bekanntlich polydispers, d.h. sie enthalten niedermolekulare wie auch hochmolekulare Fraktionen. Das Imprägnieren mit stärker vorkondensierten Harzen, und mehr noch das Auftragen von Leimharzen bringen unvermeidlich die Ablagerung von gewissen Harzbestandteilen in die Holzporen mit sich. Diese sogenannte mikroskopische Verankerung, oder mit anderen Worten, mechanische Adhäsion ist eine selbstverständliche Begleiterscheinung bei Leimverbindungen von porösen Stoffen. Ihr Beitrag zur Leimbindefestigkeit wird aber in jüngster Zeit immer mehr bestritten. Bekanntlich sind nur einkernige Phenol alkohole 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 die Trialkohole überhaupt nicht mehr extrahierbar. Eine chemische Bindung zwischen Harzmolekülen und Zellwandbestandteilen, wie auch zwischen den Harzmolekülen selbst, kommt aber erst durch Heisspressen zustande. Dabei sind Temperatur und Pressdruck wichtige Faktoren.
Überraschenderweise haben nun mit verschiedenen Harzfraktionen durchgeführte Verleimungsexperimente gezeigt, dass das Vorhandensein von Di- und Trialkoholen im Leimfilm genügt, um eine Leimverbindung durch Heisspressen herzustellen. Es fällt dabei ohne Zweifel die grössere Rolle den Trialkoholen zu. Bs stellt sich daher die Frage, ob es nicht möglich wäre, in Holzwerkstoffen eine reine Zellmembrantränkung zu erzielen, welche gleichzeitig eine gute Bindefestigkeit sichert. Um dies zu ermöglichen, müssen an den Berührungsflächen der einzelnen Holzelemente die Verbindungskräfte der Trialkohole mit genügender Intensität zur Geltung kommen.
Bei dem oben erwähnten Verleimungsexperiment wurde die verwendete Leimfolie mit Einkern-Phenolalkoholen bis zu einer Harzaufnahme von 60 Gew. %, bezogen auf das Gesamtgewicht, getränkt. Eine so starke Imprägnierung des gesamten Holzgefüges wäre aber nicht wirtschaftlich, würde die Platten sehr erschweren und die Holzporen zum grössten Teil verstopfen. Die Holzfasersättigung, welche bei etwa 30 bis 40 Gew. % Harzgehalt liegt, wäre zwar bezüglich der Stabilisierung des Holzes ideal, doch wirtschaftlich immer noch unrentabel. Es hat sich nämlich gezeigt, dass je nach Holzart 5 bis
10 Gew. % Festharzgehalt mit der Wirtschaftlichkeit und mit der Verbesserung der Holzeigenschaften am besten vereinbar sind. Von diesem Harzgehalt allein ist aber bei der Tränkung mit Einkern-Phenolalkoholen eine ausreichende Leimbindefestigkeit noch nicht zu erwarten.
Es wäre nichts einfacher als die mit etwa 5 bis 10 Gew. % Festharzgehalt imprägnierten Furniere oder Späne mit Leimfilmen oder Flüssigharzen nach den üblichen Verfahren zu verpressen. Dadurch wären aber in den so hergestellten Holzwerkstoffen geschlossene Leimfugen, Harzeinlagerungen und Verankerungszonen vorhanden, die mit dem neuen Verfahren vermieden werden.
Wenn die Trialkohole als grösste Kondensationsprodukte im Resol bei stärkerem Imprägnieren der Zellwände tatsäch lich ausreichen sollen, um eine gute Leimbindefestigkeit zu erzielen, liegt es auf der Hand, die Zellmembranen an den Berührungsflächen der Holzelemente zusätzlich dadurch stär ker zu imprägnieren, dass man das gleiche Tränkharz in einem zweiten Arbeitsgang auf das Holz aufträgt. Dabei ist hier im
Gegensatz zu der Imprägnierung das Ziel, das Holz stark aber so flach wie möglich zu tränken. Die Viskosität des Harzes hängt von dem verwendeten Auftragsverfahren ab. Beim vorgängigen Imprägniervorgang besteht die Möglichkeit, das Holz im trockenen wie auch im feuchten Zustand zu tränken.
Diese Imprägnierung geschieht am besten durch Tauchverfahren, gegebenenfalls mit Vakuum. Im Vakuum ist der Imprä gniervorgang schneller und vollkommen. Daran schliesst man vorzugsweise eine Diffusionslagerung an. Daraufhin folgt die Trocknung des imprägnierten Holzes. Diese sogenannte Kondensationstrocknung , bei welchem das Imprägnierharz vorkondensiert wird, 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, weil 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 im feuchten Zu stand imprägniert. In diesem Falle also kann eine zweite Trocknung vermieden werden. Es ist allerdings auf eine 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 in die sem Falle vorteilhaft, das Harz mit der 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 Mittel lagefurnieren beidseitig aufgetragen werden. Die Deckfur niere werden normalerweise nur auf den Innenseiten benetzt.
Die Holzspäne müssen an allen Seiten gleichmässig beleimt werden. Das Heisspressen kann dem Leim auftrag 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 im allgemeinen eine Säuredissoziation auf, welche die Kohäsions- und Adhäsionskräfte verringert und die Beständigkeit der Fertigprodukte herabsetzt. Die Neutralität (pH etwa 7) der verwendeten Imprägnierharze ist daher mit Vorteil für eine gute Bindefestigkeit, Farbbeständigkeit und Wetterbeständigkeit. Die zweite Voraussetzung ist die sorgfältig durchgeführte Vorkondensation des Imprägnierharzes. Das fixierte Imprägnierharz 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 z.B.
Di- und Trialkoholen in die tieferen Holzregionen aus den stärker imprägnierten Oberflächenzonen gesperrt wird. Die Reaktionsintensität der Harzmoleküle in den stark imprägnierten, an der Oberfläche liegenden Holzmembranen kann durch das Beimengen von zweiwertigem Phenol stark unterstützt 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.
Das Bild bei diesem Verfahren kann nicht mit einer sogenannten verhungerten Leimfuge analog gestellt werden.
Diese Fehlleimung, welche bei den handelsüblichen Leimharzen unter Umständen entstehen kann, bedeutet, dass das Bindemittel aus der inneren Leimfuge tief in das Holzgefüge getrieben wird, dort die Poren füllt, ohne eine für die Verleimung ausreichende Zellmembranimprägnierung zu bewirken. Die geringen niedermolekularen Fraktionen eines solchen Leimharzes, welche bekanntlich die Zellmembranen während des Pressvorganges zu imprägnieren vermögen, werden teilweise in den Poren durch die grössere Harzmoleküle adsorbiert. Der kleine Anteil der niedermolekularen Fraktionen, welcher von den Poren aus in die Zellwände gelangt, wird in einer verhungerten Leimfuge auf eine breite Zone verteilt.
Das vorzugsweise im wesentlichen aus nur Einkernphenolalkoholen bestehende als Leimharz dienende Imprägnierharz wird dagegen bei dem neuen 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. Diese Adsorptionskräfte und die sperrende Wirkung des Vorimprägnierens sorgen dann für 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 Gefässporen führen. Diese Harzeinlagerungen sind aber nur unter dem Mikroskop wahrnehmbar. Sie können zwar die Luft und Wasserdampfdiffusion quer durch die Platte beeinträchtigen, bedeuten aber noch keine Sperrzonen. Man soll bei der Fabrikation diese Erscheinung ebenfalls vermeiden, wie auch solche Fehler, die zur Herabsetzung der Leimbindefestigkeit und Wetterbeständigkeit führen.
Beispiele
1. 1 bis 3 mm dicke Buchenfurniere werden in eine etwa 25 bis 30%ige wässerige Lösung von handelsüblichen Einkern Phenolalkoholen so lange eingetaucht, bis sie etwa 5 % Festharz, bezogen auf das Trockenholzgewicht, aufgenommen haben. Der ganze Vorgang dauert je nach Dicke der Furniere 10 bis 20 Min. ohne Vakuum. Die Furniere werden durch die niederviskose Lösung während dieser verhältnismässig kurzen Zeit praktisch durchgetränkt. Im Vakuum kann die Zeit des Imprägnierens wesentlich verkürzt werden.
Die getränkten Furniere können aufeinander gestapelt werden. Sie werden dann etwa 24 Stunden lang gelagert.
Diese Diffusionslagerung kann ohne Bedenken bis auf einige Tage verlängert werden. Danach werden die Furniere in einem Bandtrockner bei etwa 100" C Temperatur auf etwa 1 bis 2% Feuchtigkeitsgehalt getrocknet, wobei gleichzeitig das Harz vorkondensiert wird. Die schön glatt gebliebenen Furniere weisen nach dieser sogenannten Kondensationstrocknung infolge der teilweisen Stabilisierung der Zellwände eine gewisse Dimensionszunahme auf. Je stärker die Imprägnierung ist, um so grösser wird natürlich diese bleibende Dimensionsveränderung.
Nach der Trocknung erfolgt die sogenannte Leimimprägnierung . Man benetzt mit demselben, aber auf 50 bis 60% Festgehalt konzentrierten Imprägnierharz leicht die Mittellagefurniere beidseitig und die Decklagefurniere an den Innenseiten. Das Harz kann auch mit 3 bis 5 % Resorzinzugabe verstärkt werden. Es wird normalerweise für das Leimimprägnieren eine Sprühanlage, eine Vierwalzen-Leimauftragmaschine oder eine Giessanlage verwendet. Die Viskosität soll der Auftragsmethode entsprechend gewählt werden. Der Harzauftrag kann bei den Decklagefurnieren ebenfalls beidseitig erfolgen, wodurch nach dem Verpressen eine härtere und widerstandsfähigere Plattenoberfläche erzielt wird.
Die leicht beharzten Furniere können sofort aufeinandergelegt und zwischen Zulageblechen zu Lagenhölzern verpresst werden. Die Presstemperatur liegt bei etwa 135 bis 140 C.
Die Presszeit ist etwa 15 bis 20 Min. Pressdruck: 6 bis 8 kg/cm2.
Die Beschaffenheit der fertigen Plattenoberflächen hängt von der Oberflächenqualität der Zulagebleche ab. Vor dem Pressen sollen die Bleche mit Trennmittel behandelt werden.
Trennmittel, wie z. B. Stearinsäure, kann auch zum Harz in geringen Mengen zugemischt werden, vor allem, wenn die Deckfurniere auch auf den Aussenseiten beharzt werden.
Die fertigen Platten sollten nach dem Pressen nicht geschliffen werden. Sie sind aber geschliffen oder ungeschliffen gleicherweise wetterbeständig und lassen sich nach Wunsch nachträglich streichen oder anderswie behandeln. Eine helle und weitgehend beständige Naturfarbe und die Schönheit der ursprünglichen Holzstruktur ist gewährleistet, wenn man helles und neutrales Harz für das Verfahren verwendet. Die Fertigplatten sind in der Struktur weitgehend homogen und porös und besitzen keine inneren Leimfugen, also keine Dampfsperren. Sie sind für dekorative wie auch für technische Zwecke überall geeignet. Nicht nur die Verleimung, sondern auch das Holz ist wetterbeständig. Ein Kantenschutz ist nicht notwendig, da die Produkte durchgehend witterungsbeständig sind.
Für das Verfahren sind andere Holzarten ebenfalls geeignet.
2. Hackspäne aus im Freien gelagerten Holzarten werden mit einer etwa 30 %igen wässrigen Harzlösung von neutral eingestellten Einkern-Phenolalkoholen so stark besprüht oder gebadet, dass der Festharzgehalt der Späne, bezogen auf ihr Trockengewicht, etwa 5 bis 6 Gew. % beträgt. Die Konzentra tion der Harzlösung kann der ursprünglichen Holzfeuchtigkeit entsprechend variiert werden. Die imprägnierten Späne werden dann wenigstens einige Stunden lang in Silos gelagert (Diffusionslagerung). Darauf folgt die Kondensationstrocknung bei etwa 100 bis 110 C, bei den Decklagespänen auf etwa 2 bis 3 Gew. %, bei den Mittellagespänen auf etwa 1 bis 2 Gew. % Gehalt an flüchtigen Bestandteilen hinunter.
Nach der Trocknung lässt man die Späne abkühlen, bevor man sie mit einer 50 bis 60 zeigen Harzlösung derselben Einkern-Phenolalkohole wiederum unter ständigem Umrühren gleichmässig leicht benetzt. Das Leimharz kann durch das Beimischen von etwa 5 bis 10 Gew. % technischem Resorzin zur Lösung, bezogen auf deren Feststoffgehalt, verstärkt werden.
Nach dieser Leimimprägnierung können die Späne sofort oder auch nach einer bestimmten Liegezeit gestreut und verpresst werden. Presstemperatur 130 bis 135"C; Presszeit: 10 Min.; Grundzeit + Überzeit je nach Plattendicke der bekannten Minutenregel entsprechend. Spangrösse, Plattenaufbau und auch Pressdruck können nach den gewünschten sonstigen Verfahren beliebig gewählt werden. Die Qualität der Fertigprodukte ist hellfarbig, hochfest und wetterbeständig.
Wenn der Grad der Holz- und Leimimprägnierung dem verwendeten Pressdruck richtig angepasst ist, befindet sich in den Platten kein Harz in den Zwischenräumen und Holzporen.
Die Platte wird leicht, porös und kompakt, lässt sich sehr sauber bearbeiten und besitzt eine ausserordentlich gute Standfestigkeit.
3. Innensperrholz.
Für diese Qualität brauchen die einzelnen Lagen nicht durchgehend imprägniert zu werden, wie es bei den wetterbeständigen Aussenhölzern (z.B. in Beispiel 1 und 2) der Fall ist.
Die Furniere werden beidseitig mit einem auf 60 bis 70 Gew.% Feststoffgehalt eingedickten niedermolekularen Phenolharz, welches vorwiegend aus Einkern-Phenolalkoholen besteht und einen möglichst hohen Anteil an Trialkoholen aufweist, an ihren Oberflächen gleichmässig besprüht. Diesem Harz können vorteilhaft 5 bis 20 Gew. % Polyäthylenglykol oder 1 bis 5 Gew. % Paraffinemulsion beigemischt werden, um das Eindringen des Harzes in das Holzinnere zu verhindern.
Die derart an der Oberfläche imprägnierten Furniere werden sofort der sogenannten Kondensationstrocknung bei etwa 110 bis 120"C in einem Durchlauftrockenofen unterzogen, um das Harz vorzukondensieren und dadurch sein weiteres Eindringen in das Holz zu verhindern.
Die Furniere werden sodann mit demselben Phenolharz zur Leimimprägnierung ein zweites Mal besprüht und bei 135 bis 140 C verpresst. Das Phenolharz kann in beiden Stufen oder nur bei der Leimimprägnierung mit etwa 2 bis 5 % Resorein verstärkt werden.
Bei dieser Ausführungsform werden nur die flachen Oberflächenzonen der Furniere imprägniert, während der grössere Querschnitt der Fertigplatte nicht imprägniert ist und daher gegen Witterungseinflüsse nicht geschützt ist. Auf diese Weise entstehen leichte, durchgehend poröse und sehr standfeste Sperrhölzer, welche sich für den Möbelbau und die Innenausstattung bestens eignen. Infolge des kleinen Leimaufwandes, welcher bis auf etwa 30 bis 40 g/m Furnierfläche reduziert werden kann, ist dieses Verfahren besonders wirtschaftlich.
Die Platteneigenschaften, vor allem die Wetterbeständigkeit, kann durch die Stärke der Imprägnierung gesteuert werden. Das Überfurnieren der Platten kann mit unimprägnierten oder imprägnierten Deckfurnieren in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Eine nachträgliche Oberflächenbehandlung ist in allen Fällen möglich.
Anstatt niedermolekularer Phenolharze, können auch andere Kunststoffe, wie Kresol-, Resorcin-, Melamin-, Harnstoff- oder Epoxyharze, verwendet werden, die das Holzgewebe durchdringen und einen dreiaggregatigen Endzustand durch das Heisspressen zu bilden vermögen. Das Harz kann auch mit anderen Stoffen vorimprägniert und stabilisiert werden, wie z.B. mit Polyäthylenglykol, welche die Zellwände durchimprägnieren und das Eindringen des Leimharzes verhindern.
In der Zeichnung zeigen anhand von Mikroschnitten:
Fig. 1 vergleichsweise eine mittels einer Tegofilm -Leimfolie durchgeführte Verleimung an Tannenholz,
Fig. 2 vergleichsweise eine mit Phenol-Flüssigharz durchgeführte Verleimung an Okoumeholz und
Fig. 3 eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren durchgeführte Verleimung an Buchenholz.
Anstelle des Heisspressens können auch andere Härtungsbehandlungen, wie z.B. Hochfrequenztrocknung oder Bestrahlung vorgenommen werden. Bei der Kondensationstrocknung können ebenfalls andere Trocknungsmethoden angewendet werden. Das Leimharz kann auch mit anderen reaktiven Stoffen als Resorcin verstärkt werden.
Ein Werkstoff, dessen Zellmembranen durchgehend mit Imprägnierharz imprägniert wurde, ist wasser-, koch- und witterungsbeständig sowie pilzresistent und eignet sich ausgezeichnet als sogenannter Aussenwerkstoff. Verwendet man zur Imprägnierung weniger Imprägnierharz, so entsteht ein Werkstoff, dessen Zellmembranen wohl in den Randregionen, nicht aber im Inneren durchgehend imprägniert sind und der sich daher als äusserst formstabiler Werkstoff für den Innenbau bestens eignet.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zur Herstellung von luft- und wasserdampfdurchlässigen cellulosehaltigen Werkstoffen, indem man die zu verleimenden cellulosehaltigen Teile mit einem niedermolekularen, wasserlöslichen Imprägnierharz tränkt und anschliessend verleimt und verpresst, dadurch gekennzeichnet, 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 Teile mit diesem Harz behandelt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I zur Herstellung eines wasser-, koch- und witterungsbeständigen sowie pilzresistenten cellulosehaltigen Werkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass man die Zellmembrane durchgehend mit 5 bis 10 Gew. % Imprägnierharz durchtränkt.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man als Imprägnierharz ein einkernphenolalkoholhaltiges Mittel verwendet.
3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Verleimung mit denselben Einkern-Phenolalkoholen, die gegebenenfalls mit Resorcin oder anderen Mitteln verstärkt sind, vornimmt.
4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägnier- und bzw. oder Bindemittel neutral eingestellt ist.
5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man die Teilchen vor und bzw. oder während der Vorkondensation trocknet.
6. Verfahren nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die verleimten Produkte vor dem Verpressen lagert.
PATENTANSPRUCH II
Luft- und wasserdampfdurchlässiger cellulosehaltiger Werkstoff, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patent
Process for the production of cellulose-containing materials
The invention relates to a process for the production of cellulose-containing materials that are continuously permeable to air and water vapor by impregnating the cellulose-containing parts to be glued with a low molecular weight, water-soluble impregnating resin and then gluing and pressing, which is characterized in that only the cell membranes are impregnated The impregnation resin that has penetrated the cell membranes is precondensed and the glue is also carried out with an impregnation resin, the cell membranes being treated with this resin on the contact surfaces of the parts.
According to this process, dimensionally stable materials, in particular laminated wood materials or chipboard, can be produced under normal or increased pressure in all standardized qualities, which do not have any coherent glue layers (or glue joints, as they are called in specialist circles) between the individual layers and no clogging glue deposits in the Have gaps and microscopic wood pores. This process increases the quality of the cellulose-containing starting material and achieves a homogeneous structure of the panels in that the natural wood structure is not interrupted by foreign substances in the macroscopic or microscopic range.
Dry, water and boil-proof or weather-resistant connections between the individual wood components can be secured between embedded plastic and wood molecules by means of pure cell membrane impregnation and increased cohesion and specific adhesion forces at the interfaces. The durability of the wood and the connection can be controlled by the type and intensity of the impregnation, the reinforcement of the binding forces at the interfaces of the individual material elements and the pressure.
Wood-based materials such as plywood, laminated wood, star wood or chipboard are normally produced in such a way that the appropriately prepared veneers or chips are glued together under suitable pressing conditions. The thickness of the glue layer can vary depending on the type of glue, the nature of the glue and the glue application.
As is well known, a coherent glue layer that is as thin as possible provides the highest strength values. The inner layer of glue between the individual layers or chips can mostly be seen more or less clearly with the naked eye, depending on the thickness and color of the joint. This glue joint, as well as the mechanical anchoring of the solidified glue in the wood pores adjacent to the joint, i.e. the so-called mechanical adhesion or outer glue layer are characteristic of the glue joints. In a certain sense, these glue layers act as restricted zones and prevent the diffusion of water, water vapor and air through the panels, similar to film-forming surface treatments.
Because of the different elasticity modules and expansion coefficients of wood and glue and the large shrinkage stresses during the setting process in the glue film itself, tangential stresses occur in the panels, which reduce the adhesive forces acting perpendicular to the surface. The properties of the continuously or partially impregnated ply wood, the so-called compacted ply wood and the phenolic resin-glued chipboard, differ from those of the unimpregnated wood-based materials only so far that the glue penetrates the wood parts more or less over the entire cross-section and z. B. shavings also enveloped.
Because of the storage of the glue in the wood pores and spaces and even more because of the compression of individual wood components, there is no question of an original wood structure and a homogeneous panel structure throughout.
According to the method according to the invention, cellulose-containing materials, in particular wood-based materials, can now be produced which
1. Retain the good wood properties, such as light weight, good insulating properties, thanks to the porous structure and the beautiful, natural wood structure,
2. have almost the same, significantly better resistance to corrosion, weathering and biological degradation over the entire cross-section than the raw material itself,
3. have a low swelling and increased strength and
4. Do not prevent the wood from breathing and the ability to diffuse moisture and air through the glue layers.
It is known that the durability and weather resistance of different types of wood can be very different. Even the same types of wood have different zones in their trunks in this regard. Because this phenomenon is due to the formation and storage of various core substances in the wood structure, it is obvious that attempts have been made for a long time to stabilize and preserve wood by impregnation.
However, the properties of the impregnation and gluing often differ widely. Sometimes they even show great contrasts. Only a few cases are known in which the glue bond strength of wood that has already been impregnated is not impaired by the impregnation. Even more rarely, an impregnating agent can also be used as a binding agent. It is expected of such substances that their molecules show a great affinity for each other and for the wood components, B. is the case with the strongly polar phenolic resin molecules. So far, however, it has been found that one cannot do without a strong impregnation with phenolic resins or an application of glue, in certain cases both, in the interests of good glue bond strength.
In addition, the impregnation resins are required to have a low molecular weight, but the glue resins to be in a more precondensed state.
The conclusion that the impregnation and gluing in one operation requires a more strongly pre-condensed phenolic resin seems to be entirely justified. These resins are known to be polydisperse, i. they contain low molecular weight as well as high molecular weight fractions. The impregnation with more strongly pre-condensed resins, and even more the application of glue resins, inevitably lead to the deposition of certain resin components in the wood pores. This so-called microscopic anchoring, or in other words, mechanical adhesion, is a natural accompaniment to glue connections between porous materials. However, their contribution to glue bond strength has recently been more and more disputed. It is well known that only mononuclear phenolic alcohols are able to penetrate the submicroscopic capillaries of the lignified cell walls.
The size of the adsorption forces that fix the single-core phenol alcohols in the wood structure are directly proportional to the size of the molecules. It was found that the free phenols and the phenol monoalcohols can be eluted from the wood with distilled water. The dialcohols are less good with water and the trial alcohols can no longer be extracted at all. A chemical bond between resin molecules and cell wall components, as well as between the resin molecules themselves, only comes about through hot pressing. Temperature and pressure are important factors here.
Surprisingly, glueing experiments carried out with different resin fractions have now shown that the presence of di- and tri-alcohols in the glue film is sufficient to produce a glue connection by hot pressing. There is no doubt that trial alcohols play the greater role. The question therefore arises as to whether it would not be possible to achieve pure cell membrane impregnation in wood-based materials, which at the same time ensures good bonding strength. In order to make this possible, the connecting forces of the trial alcohols on the contact surfaces of the individual wooden elements must be effective with sufficient intensity.
In the above-mentioned glueing experiment, the glue film used was impregnated with single-core phenol alcohols up to a resin absorption of 60% by weight, based on the total weight. Such a strong impregnation of the entire wood structure would not be economical, it would make the panels very difficult and clog the wood pores for the most part. The wood fiber saturation, which is around 30 to 40% by weight resin content, would be ideal with regard to the stabilization of the wood, but still economically unprofitable. It has been shown that, depending on the type of wood, 5 to
10% by weight solid resin content are best compatible with economic efficiency and with the improvement in wood properties. From this resin content alone, however, sufficient glue bond strength cannot be expected when impregnating with single-core phenol alcohols.
Nothing would be easier than pressing the veneers or chips impregnated with a solid resin content of about 5 to 10% by weight with glue films or liquid resins using the usual methods. However, this would result in closed glue joints, resin deposits and anchoring zones in the wood-based materials produced in this way, which are avoided with the new process.
If the trial alcohols, as the largest condensation products in the resole, are actually to be sufficient to achieve a good glue bond strength with stronger impregnation of the cell walls, it is obvious to additionally impregnate the cell membranes on the contact surfaces of the wooden elements by using the same impregnating resin applies to the wood in a second step. Here in the
In contrast to impregnation, the aim is to soak the wood strongly but as flatly as possible. The viscosity of the resin depends on the application method used. During the previous impregnation process, it is possible to soak the wood in a dry as well as a moist state.
This impregnation is best done by immersion, possibly with a vacuum. The impregnation process is faster and more complete in a vacuum. This is preferably followed by a diffusion storage. The impregnated wood is then dried. This so-called condensation drying, in which the impregnating resin is precondensed, can be carried out in conventional drying systems. The final moisture of the top veneers and top layer chips should be around 2 to 3% and that of the middle layer veneers and top layer chips should be around 1 to 2%. Avoid excessive drying. The resin in the wood still has to flow during hot pressing.
This is absolutely necessary because the final full impregnation and a chemical bond between the resin and wood molecules involved only takes place during pressing. There are no difficulties with drying because the surface of the impregnated wood is not sticky and at most feels damp.
The absolutely necessary condensation drying can possibly coincide with the usual drying of wood, if the veneers or chips are impregnated in a damp condition. In this case, a second drying can be avoided. However, it is important to ensure that there is good ventilation during drying.
The second, so-called glue impregnation, can be carried out immediately after the wood has dried.
As has been determined by experiments, a slight wetting of the boundary surfaces with the e.g. Impregnating resin solution thickened to about 40 to 60% solids content completely. The easiest way to apply the resin is by spraying. It is advantageous in this case, the resin with the admixture of about
Reinforce 3 to 5% resorcinol. When using a four-roller metering machine or a casting machine, higher-viscosity glues are preferred. The resin should be applied on both sides of all medium-ply veneers. The deck furs are normally only wetted on the inside.
The wood chips must be evenly glued on all sides. The hot pressing can follow the glue application without waiting or at a later point in time. The veneers or chips prepared according to this process can also be stored for weeks and, similar to impregnated glue films, also sold as semi-finished products.
The wood impregnation and glue impregnation are preferably carried out with neutral resoles. In the case of alkaline resin solutions, acid dissociation generally occurs, which reduces the cohesive and adhesive forces and reduces the stability of the finished products. The neutrality (pH about 7) of the impregnation resins used is therefore advantageous for good bond strength, color stability and weather resistance. The second requirement is the carefully carried out precondensation of the impregnation resin. The fixed impregnation resin prevents the glue resin from penetrating deeper into the wood fabric and ensures that the latter takes part in the development of strong cohesive and adhesive forces with sufficient intensity during the pressing process at the interfaces. The decisive factor in this process is that the path for the penetration of e.g.
Di- and tri-alcohols in the deeper wood regions are blocked from the more heavily impregnated surface zones. The reaction intensity of the resin molecules in the heavily impregnated wood membrane lying on the surface can be greatly enhanced by adding dihydric phenol. The relatively small amount of low-molecular glue resin, which is absorbed by the wood cell walls during glue impregnation, and an optimal pressure depending on the type of wood ensure that the wood pores in the finished product are not clogged by resin deposits. A boil-proof and weather-resistant glue connection is still guaranteed.
The picture in this process cannot be made analogously with a so-called starved glue joint.
This incorrect gluing, which can occur with commercially available glue resins, means that the binding agent is driven from the inner glue joint deep into the wood structure, filling the pores there without effecting adequate cell membrane impregnation for glueing. The small, low molecular weight fractions of such a glue resin, which are known to be able to impregnate the cell membranes during the pressing process, are partially adsorbed in the pores by the larger resin molecules. The small portion of the low molecular weight fractions that enter the cell walls from the pores is distributed over a wide zone in a starved glue joint.
In contrast, the impregnation resin, which consists essentially of mononuclear phenol alcohols only, is used as glue resin, is completely absorbed by the cell membranes in a flat zone in the new process and is adsorbed in this zone by the wood components and the resin molecules already stored there due to the pre-impregnation. These adsorption forces and the blocking effect of the pre-impregnation then ensure a good bond strength during the pressing process.
Excessive glue impregnation and high pressure can also lead to slight resin deposits in the fibers and vessel pores with the new process. These resin deposits can only be seen under the microscope. They can adversely affect the air and water vapor diffusion across the plate, but they do not yet mean restricted zones. This phenomenon should also be avoided during manufacture, as well as errors that lead to a reduction in the glue bond strength and weather resistance.
Examples
1. 1 to 3 mm thick beech veneers are immersed in an approximately 25 to 30% aqueous solution of commercially available single-core phenol alcohols until they have absorbed approximately 5% solid resin, based on the dry wood weight. The whole process takes 10 to 20 minutes without vacuum, depending on the thickness of the veneers. The veneers are practically soaked through the low-viscosity solution during this relatively short time. The impregnation time can be significantly reduced in a vacuum.
The soaked veneers can be stacked on top of each other. They are then stored for about 24 hours.
This diffusion storage can be extended to a few days without hesitation. The veneers are then dried in a belt dryer at a temperature of around 100 "C to a moisture content of around 1 to 2%, with the resin being precondensed at the same time. The veneers, which have remained beautifully smooth, show a certain increase in dimensions after this so-called condensation drying due to the partial stabilization of the cell walls. The stronger the impregnation, the greater this permanent change in dimension will of course be.
After drying, the so-called glue impregnation takes place. The same impregnating resin, which is concentrated to a solids content of 50 to 60%, is used to lightly wet the middle layer veneers on both sides and the top layer veneers on the inside. The resin can also be reinforced by adding 3 to 5% resorcinol. A spray system, a four-roll glue applicator or a pouring system is normally used for glue impregnation. The viscosity should be selected according to the application method. The resin can also be applied on both sides of the top layer veneer, which results in a harder and more resistant board surface after pressing.
The lightly resinified veneers can be placed on top of each other immediately and pressed together between additional sheets to form plywood. The pressing temperature is around 135 to 140 C.
The pressing time is about 15 to 20 minutes. Pressing pressure: 6 to 8 kg / cm2.
The condition of the finished panel surface depends on the surface quality of the additional sheets. Before pressing, the sheets should be treated with a release agent.
Release agents, such as B. stearic acid can also be added to the resin in small amounts, especially if the outer veneers are also treated with resin.
The finished panels should not be sanded after pressing. They are, however, sanded or not sanded equally weatherproof and can be painted or treated differently, if desired. A light and largely permanent natural color and the beauty of the original wood structure is guaranteed if light and neutral resin is used for the process. The prefabricated panels are largely homogeneous and porous in structure and have no internal glue joints, i.e. no vapor barriers. They are suitable for decorative as well as technical purposes everywhere. Not only the glue, but also the wood is weatherproof. Edge protection is not necessary because the products are weatherproof throughout.
Other types of wood are also suitable for the process.
2. Wood chips from types of wood stored outdoors are sprayed or bathed with an approximately 30% aqueous resin solution of neutral single-core phenol alcohols so that the solid resin content of the chips, based on their dry weight, is about 5 to 6% by weight. The concentration of the resin solution can be varied according to the original moisture content of the wood. The impregnated chips are then stored in silos for at least a few hours (diffusion storage). This is followed by condensation drying at about 100 to 110 ° C., for the top layer chips to about 2 to 3% by weight, and for the middle layer chips to about 1 to 2% by weight of volatile components.
After drying, the chips are allowed to cool before they are evenly and evenly wetted with a 50 to 60% resin solution of the same mononuclear phenol alcohols, again with constant stirring. The glue resin can be reinforced by adding about 5 to 10% by weight of technical resorcinol to the solution, based on its solids content.
After this glue impregnation, the chips can be sprinkled and pressed immediately or after a certain waiting time. Pressing temperature 130 to 135 "C; pressing time: 10 min .; base time + overtime depending on the panel thickness according to the known minute rule. Chip size, panel structure and also pressing pressure can be selected according to the desired other processes. The quality of the finished products is light-colored, high-strength and weather-resistant .
If the degree of wood and glue impregnation is correctly adjusted to the pressure used, there will be no resin in the panels in the gaps and wood pores.
The plate becomes light, porous and compact, can be processed very cleanly and has an extremely good stability.
3. Interior plywood.
For this quality, the individual layers do not need to be impregnated throughout, as is the case with the weather-resistant outer woods (e.g. in example 1 and 2).
The surfaces of the veneers are evenly sprayed on both sides with a low molecular weight phenolic resin thickened to a solids content of 60 to 70% by weight, which consists predominantly of mononuclear phenolic alcohols and has the highest possible proportion of trial alcohols. 5 to 20% by weight of polyethylene glycol or 1 to 5% by weight of paraffin emulsion can advantageously be added to this resin in order to prevent the resin from penetrating the interior of the wood.
The veneers impregnated on the surface in this way are immediately subjected to so-called condensation drying at about 110 to 120 "C in a tunnel drying oven in order to precondense the resin and thereby prevent it from penetrating further into the wood.
The veneers are then sprayed a second time with the same phenolic resin for glue impregnation and pressed at 135 to 140 ° C. The phenolic resin can be reinforced with about 2 to 5% resorein in both stages or only during glue impregnation.
In this embodiment, only the flat surface zones of the veneers are impregnated, while the larger cross-section of the prefabricated panel is not impregnated and is therefore not protected against the effects of the weather. In this way, light, continuously porous and very stable plywood is created, which is ideally suited for furniture construction and interior decoration. Due to the small amount of glue required, which can be reduced to around 30 to 40 g / m 2 of veneer surface, this process is particularly economical.
The board properties, especially the weather resistance, can be controlled by the strength of the impregnation. The panels can be veneered with unimpregnated or impregnated face veneers in one operation. A subsequent surface treatment is possible in all cases.
Instead of low molecular weight phenolic resins, other plastics, such as cresol, resorcinol, melamine, urea or epoxy resins, can also be used, which penetrate the wood fabric and are able to form a three-aggregate final state through hot pressing. The resin can also be pre-impregnated and stabilized with other substances, e.g. with polyethylene glycol, which impregnate the cell walls and prevent the glue resin from penetrating.
In the drawing, using micro-sections, show:
1 comparatively shows a gluing of fir wood carried out by means of a Tegofilm glue film,
FIG. 2 compares a gluing carried out with phenol liquid resin to okoume wood and FIG
3 shows a gluing of beech wood carried out according to the method according to the invention.
Instead of hot pressing, other hardening treatments, such as e.g. High frequency drying or irradiation can be carried out. Other drying methods can also be used with condensation drying. The glue resin can also be reinforced with other reactive substances than resorcinol.
A material whose cell membrane has been impregnated throughout with impregnation resin is resistant to water, boiling and weathering, as well as being fungus-resistant, and is ideally suited as a so-called external material. If less impregnation resin is used for impregnation, a material is created whose cell membranes are impregnated in the peripheral regions, but not continuously inside, and which is therefore ideally suited as an extremely dimensionally stable material for interior construction.
PATENT CLAIM I
Process for the production of air and water vapor permeable cellulose-containing materials by impregnating the cellulose-containing parts to be glued with a low molecular weight, water-soluble impregnating resin and then gluing and pressing, characterized in that only the cell membranes are impregnated and the resin that pre-impregnates into the cell membranes Gluing is also carried out with an impregnation resin, whereby the cell membranes on the contact surfaces of the parts are treated with this resin.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I for the production of a water-, boil- and weather-resistant and fungus-resistant cellulose-containing material, characterized in that the cell membrane is continuously impregnated with 5 to 10% by weight of impregnating resin.
2. The method according to claim I, characterized in that an agent containing a mononuclear phenol alcohol is used as the impregnating resin.
3. The method according to dependent claim 2, characterized in that the gluing is carried out with the same mononuclear phenol alcohols, which are optionally reinforced with resorcinol or other agents.
4. The method according to claim I, characterized in that the impregnation and / or binding agent is adjusted to be neutral.
5. The method according to claim I, characterized in that the particles are dried before and or or during the precondensation.
6. The method according to claim I or one of the dependent claims 1 to 5, characterized in that the glued products are stored prior to pressing.
PATENT CLAIM II
Cellulose-containing material permeable to air and water vapor, manufactured according to the process according to the patent