DE102005033687A1

DE102005033687A1 - Holzfaserplatte und Verfahren zur Herstellung einer Holzfaserplatte

Info

Publication number: DE102005033687A1
Application number: DE200510033687
Authority: DE
Inventors: Udo Schramek; Michael Dr. Makas; Uwe Lange
Original assignee: STEICO AG
Current assignee: STEICO AG
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Holzfaserplatte bzw. einen Holzfaserformkörper mit lignocellulosehaltigen Fasern, vorzugsweise Holzfasern, als Grundfasern, die durch eine Bindemittelmatrix gebunden sind. Erfindungsgemäß weisen die Fasern eine grobe, langfaserige Struktur auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Holzfaserplatte oder einen Holzfaserformkörper mit lignocellulosehaltigen Fasern, vorzugsweise Holzfasern, als Grundfasern, die durch eine Bindemittelmatrix gebunden sind. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Holzfaserplatten bzw. Holzfaserformkörper.
Als tragende bzw. nicht tragende Holzwerkstoffplatten im Baubereich werden vornehmlich sogenannte OSB-Platten (Oriented Strand Board), Spanplatten bzw. mitteldichte Faserplatten (Medium Density Fiberboard, MDF) eingesetzt. Bei den OSB-Platten handelt es sich um Holzfaserplatten aus sogenannten Strands, welche mehrschichtig verleimt werden. Strands stellen lange Späne, welche in einem Schälprozess aus Rundholz erzeugt werden dar. Bei den MDF-Platten handelt es sich um Faserplatten, deren Grundmatrix Holzfaserstoffe darstellen.
Bei der Herstellung von Spanplatten werden als Rohstoffe bei der Bearbeitung von Rohholz anfallende Spanfraktion genutzt. Zudem werden Sägeresthölzer wie Schwarten und Spreißel über Zerspanersysteme (vor allem Messerringzerspaner) zu Schneidspänen verarbeitet. Im Anschluss an die Spanherstellung erfolgt die Spänetrocknung, wobei abhängig vom Feuchtegehalt der Spanfraktionen ein hoher Energieaufwand benötigt wird. Die getrockneten Späne werden in der Folge mit Hilfe von Mischersystemen beleimt, hierbei kommen üblicherweise Kondensationsharze in flüssiger Form (Harnstoffformaldehydharze oder Melaminharnstoffformaldehydharze) zum Einsatz. Die so behandelten Späne werden über dreistufige Streumaschinen gestreut und in einer Heißpresse zu Plattenwerkstoffen verpresst.
Bei der Herstellung von herkömmlichen Spanplatten werden nach dem Stand der Technik ebenfalls hohe Bindemittelmengen benötigt, um die gewünschten Festigkeiten der Platten für einen Einsatz im konstruktiven Bereich zu erlangen. Bedingt durch die Geometrie der Späne weisen Spanplatten im Vergleich zu Faserplatten keine eigene Partikel-Partikel-Bindung auf. Um die bei diesen Plattentypen geforderten Festigkeiten zu erreichen sind hohe Bindemittelmengen nötig. Im Gegensatz dazu erreichen Faserplatten, vor allem mit langen Fasern bereits erhebliche Festigkeiten durch eigene Faser-Faser-Bindungen.
Die Herstellung von OSB-Platten erfolgt im einem aufwendigen Herstellverfahren, wobei die Herstellung der Strands aus Rundholz einen hochtechnisierten Prozessschritt darstellt. Durch Schälen von entrindetem Rundholz in radialer Richtung werden längliche Späne erzeugt, welche über Mischersysteme beleimt werden. Als Bindemittel kommen vorwiegend Polyurethan-Verbindungen oder Kondensationsharze in flüssiger Form zum Einsatz. Im Anschluss an die Beleimung werden die Strands in drei Schichten gestreut, wobei die Strands in den Deckschichten längs zur Produktionsrichtung ausgerichtet (oriented) werden. Diese Ausrichtung der Späne stellt einen sehr aufwendigen, prozessgesteuerten Arbeitsschritt dar, welcher eine hohe Technisierung des Verfahrens verlangt. Dieses schlägt sich auch erheblich in den Produktionskosten des Plattenwerkstoffs nieder.
Für die Erzeugung der Strands muss zwingend Rundholz eingesetzt werden, um die gewünschte Dimensionierung der Partikel zu erreichen. Dieses wird zudem in einem aufwendigen Schritt vorher entrindet. Rundholz ist im Vergleich zu dem Roh stoff für Holzfasern, den Hackschnitzeln, ein deutlich teureres Holzsortiment. Dieser Umstand trägt ebenfalls bei OSB-Platten zum höheren Preis der Plattenwerkstoffe bei.
Die Herstellung der MDF-Platten ist dem am Anfang beschriebenen Prozess sehr ähnlich, vor allen Dingen bei der Verwendung von Bindemitteln in flüssiger Form. MDF-Platten werden neben Ihrem hauptsächlichen Einsatz im Möbelbereich auch zum Teil als nicht tragende Plattenwerkstoffe im Baubereich eingesetzt. Ein Einsatz von solchen Faserplatten im tragenden Bereich des Bauwesens ist nur begrenzt. MDF-Platten im Baubereich werden zwar zum Teil als aussteifende Platten verwendet, der Hauptzweck ihres Einsatzes liegt aber in der Diffusionsoffenheit dieser Plattentypen. Hier werden in der Regel vorwiegend reine Spanplatten bzw. OSB-Platte verwendet.
Die Faserstruktur der MDF-Platten zeichnet sich durch kurze, feine Fasern aus, welche mit relativ hohen Bindemittelgehalten zu Plattenwerkstoffen verpresst werden. Die hohen Bindemittelgehalte sind notwendig, da ansonsten die für den Einsatz im aussteifenden Bereich des Bauens geforderten Festigkeiten der Platten nicht erreicht werden. Zur Erreichung einer derartigen Faserstruktur ist ein hoher Energieeinsatz bei der Faserherstellung notwendig. Die hohen Mahlgrade des Faserstoffes können nur durch sehr lange Mahlzeiten im Refiner erreicht werden. Der Umstand des hohen Mahlgrades der Fasern und der dadurch langen Verweilzeit in der Mahlkammer des Refiners bedingt ebenfalls einen hohen Energieeinsatz im Bereich der Faserherstellung. Dies schlägt sich unmittelbar auch in den Herstellungskosten derartiger Plattentypen nieder.
Der absolut überwiegende Verwendungsbereich von MDF-Platten liegt im Bereich der Möbelindustrie. Der große Vorteil der MDF-Platten gegenüber Spanplatten in diesem Anwendungsbereich liegt in der größeren Homogenität der MDF-Platten als Faserplatten. Im Möbelbau wird vor allem auf die Kantenstabilität von Holzwerkstoffplatten großen Wert gelegt, da der Stabilität der Platte beim Anfräsen von Profilen an den Kanten große Bedeutung zukommt. Bei Spanplatten kommt es hier des öfteren zu Schwierigkeiten, da die Kantenstabilität aufgrund der Partikelform und der damit einhergehenden fehlenden inneren Homogenität und Festigkeit der Platte, nicht ausreicht, um eine saubere Profilierung der Kanten zu gewährleisten. Hier zeigen allgemein Faserplatten große Vorteile gegenüber Werkstoffen aus Spänen. Vor allem MDF-Platten können aufgrund der Struktur der gefrästen Oberfläche an den Kanten problemlos lackiert werden, welches mit Spanplatten nicht möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Holzfaserplatte oder einen Holzfaserformkörper zu schaffen, der aus lignocellulosehaltigen Fasern, vorzugsweise Holzfasern als Grundfasern, besteht, die durch eine Bindemittelmatrix gebunden sind, die einerseits hohe Festigkeiten aufweist, so dass sie auch als tragendes Element im Baubereich eingesetzt werden kann, wobei sie vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hier wird die vorgenannte Aufgabe bei einer erfindungsgemäßen Holzfaserplatte oder einem entsprechenden Holzfaserformkörper durch den Einsatz von Fasern mit grober, langfaseriger Struktur erreicht.

Lange, grobe Fasern zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Verbund mit dem Bindemittel eine hochfeste Matrix bilden. Im Gegensatz zu OSB-Platten weisen sie aufgrund Ihrer Faserstruktur jedoch eine weitaus höhere Homogenität auf, als eine Platte aus langen Spänen (Strands). Diese verbesserte Homogenität der Platte wird erreicht, da sich Fasern besser zu einer dichten Matrix zusammenlagern als Späne. Zudem wird durch die lange Faserstruktur eine interne Faser-Faser-Vernetzung erreicht, welche deutlich zur Verbesserung der Homogenität der Platte und zur Erhöhung der Festigkeit des Werkstoffes im Vergleich zu OSB-Platten beiträgt. Ein entscheidender Vorteil von Platten aus langen, groben Fasern ist demnach die weitaus höhere Festigkeit im Vergleich zu OSB-Platten aus schlanken Spänen. Dieser Plattenaufbau bringt zusätzlich bei der Verarbeitung des Werkstoffes Vorteile, da ein Fräsen oder Schneiden der Platte dimensionsstabiler durchführbar ist.

Wie zuvor beschrieben, ist die Herstellung der Strands bei OSB-Platten sehr aufwendig und teuer. Im Gegensatz dazu können grobe Faserstoffe bedeutend günstiger hergestellt werden. Dieses liegt zum einen in dem Rohholzsortiment begründet, da Hackschnitzel aus Sägeresthölzern oder durch Durchforstungsholz günstigeres Rohholzsortiment zur Verfügung stehen. Zum anderen ist der Energieeinsatz für die Produktion von langen, groben Fasern weitaus geringer als bei einem hochaufgefaserten Faserstoff, wie er bei MDF-Platten eingesetzt wird. Die Verweilzeit der Hackschnitzel im Vorkocher des Refiners verkürzt sich, ebenfalls die für die Zerfaserung nötige Verweilzeit des Holzes zwischen den Mahlscheiben des Refiners. Dieses begründet ebenfalls die niedrigern Kosten des hier dargestellten Verfahrens.

Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Holzfaserplatte ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.

Demnach kann das Bindemittel aus folgernder Gruppe ausgewählt sein: Klebstoffpartikel, wie thermoplastische Bindemittel als Fasern oder Granulat oder Kondensationsharze, Polymerisationsharze, duroplastische oder thermoplastisch härtende Harze, Diisocyanate, Polymere, Wachse, Stärke, Proteine, Ligninsulfonate, Tannine oder biologisch abbaubare thermoplastisch härtende Bindemittel.

Als Zusatzstoffe können Flammschutzmittel, Hydrophobierungsmittel und/oder Trennmittel beigemengt sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Fasern Holzfasern mit einer Länge von 1 mm bis 50 mm und einer Dicke von 0,1 mm bis 5 mm eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Holzfaserplatten weisen vorteilhafte eine Dichte > 500 kg/m³ auf.

Die erfindungsgemäßen Holzfaserplatten oder Holzfaserformkörper weisen eine Dicke von 5 bis 25 mm, vorzugsweise von 10 bis 20 mm, auf.

Erfindungsgemäß können die Holzfaserplatten oder Holzfaserformkörper zum tragenden Einsatz im Baubereich aber auch zum nicht tragenden Einsatz im Baubereich verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Holzfaserplatte oder eines Holzfaserformkörpers nach einem der vorangehenden Ansprüche mit folgenden Schritten gelöst:

– Zerfaserung;
– Zugabe von Bindemitteln im flüssigen Zustand über die Blowline;
– Trocknung der lignocellulosehaltigen Fasern;
– Alternativ Zumischen von Bindemitteln im trockenen oder feuchten Zustand nach der Fasertrocknung.

Ein Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in dem einfachen Abstreuen der Fasern. Bei der Produktion von OSB-Platten erfolgt ein aufwendiges Orientieren der Strands, welche mit einem hohen Technisierungsgrad des Verfahrens einhergeht. Diese technologisch aufwendige Ausrichtung der Strands bedingt ebenfalls höhere Produktionskosten des Verfahrens. Bei dem hier dargelegten Plattentyp wird der Plattenaufbau durch ein einfaches Abstreuen der Fasern auf herkömmlichen Streumaschinen realisiert, welches zur Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beiträgt.

Bezogen auf die momentan sehr intensiv geführte VOC-Emissionsproblematik bei Holzwerkstoffen weist die hier dargelegte Platte einen weiteren Vorteil auf. Im Gegensatz zu OSB-Platten und Spanplatten werden hier thermomechanisch behandelte Faserstoffe eingesetzt, welche keine meßbaren VOC-Emissionen mehr aufweisen. Dieses liegt in der Faseraufbereitung begründet, da während des Refiningprozesses diese relativ niedermolekularen, flüchtigen Verbindungen aus dem Holzverbund gelöst werden. Die Strands einer OSB-Platte bzw. die Späne einer Span platte hingegen werden keiner thermomechanischen Behandlung unterzogen, wodurch diese deutlich höhere VOC-Emissionen aufweisen.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Verfahrenanspruch 9 anschließenden Verfahrensunteransprüchen.

In einer besonderen Ausführung des Verfahrens kann mit drei Streumaschinen gearbeitet werden um zwei Deckschichten und eine Mittelschicht der Platte zu erzeugen. Hier kann dann mit unterschiedlichen Bindemittelanteilen in den einzelnen Schichten gearbeitet werden, wobei die Mittelschicht bevorzugt einen geringeren Bindemittelgehalt aufweisen kann. Dieses trägt ebenfalls zu einer besonders guten Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei.

Ein weiterer Vorteil gegenüber MDF-Platten, OSB-Platten und Spanplatten liegt im weitaus geringerer Bindemittelanteil der Platte. Mit herkömmlichen Kondensationsharzen hergestellt MDF-, OSB- und Spanplatten weisen einen Bindemittelanteil von 25% bis zu maximal 30% auf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen kann mit Bindemittelanteilen von höchsten 15% gearbeitet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens mit einer Verwendung von thermoplastischen Bindemitteln können Platten hoher Festigkeit für einen Einsatz im Baubereich mit Bindemittelanteilen von 10 bis 12% hergestellt werden. Ein noch weitgehender Vorteil der Verleimung der Platten mit thermoplastischen Bindemitteln liegt in der absolut feuchtebeständigen Verleimung. Vor allem im tragenden Einsatz im Baubereich zeigt die erfindungsgemäß produzierte Platte hier deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Holzwerkstoffplatten. Im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren trägt auch dieser Umstand zur besonders guten Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei.

Gegenüber den herkömmlich produzierten MDF-Platten weisen die erfindungsgemäß produzierten Plattenwerkstoffe deutlich höhere Festigkeiten bedingt durch die längeren Fasern auf. Kürzere Fasern weisen im Verbund mit der Bindemittelmatrix generell geringere Festigkeiten auf als längere Fasern, da diese auf einer größeren Länge des Partikels fest in die Bindemittelmatrix eingebunden sind. Dieser Effekt kommt bei der erfindungsgemäßen Platte durch die gröberen, längeren Fasern zum Tragen. Generell zeigen Fasern größerer Dimension höhere Festigkeiten als Fasern mit geringerer Länge und geringerem Durchmesser. Hierdurch werden die für die Verwendung im Baubereich vorausgesetzten hohen Festigkeiten erzielt.

Die erfindungsgemäße Holzfaserplatte, die bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellt ist, wird insbesondere beim Einsatz von thermoplastischen Bindemitteln zu einer gesundheitlichen und ökologisch vollkommen unbedenklichen Platte. Sowohl Plattenwerkstoff, als auch Verfahren sind vollständig emissionsfrei. Eine Verleimung von MDF- oder OSB-Platten mit Diisocyanaten (Diphenlymethan-4,4'-diisocyanat bzw. polymeres Diphenlymethan-4,4'-diisocyanat) führt ebenfalls zu formaldehydfreien Plattenwerkstoffen, birgt aber durch die Eigenschaft der Diisocyanate vor der Polymerisation freie Monomere zu emittieren Risiken und weitere Aufwendungen in der Produktion. So müssen alle Anlagenteile vor der Heißpresse, in welcher die Polymerisation der Diisocyanate erfolgt, aufwendig eingehaust und abgesaugt werden, um eine Gesundheitsgefährdung des Personals durch die krebserregenden Monomere der Diisocyanate zu verhindern. Bei einem Einsatz von thermoplastischen Bindemitteln dagegen entfällt diese sehr kostenintensive Absaugung und ebenfalls notwendige Rauchgaswäsche komplett. Dies trägt zur besonderen Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei.

Die Verfahrensführung eines beispielhaften Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird anhand der Darstellung gemäß 1 erläutert.
Zunächst müssen die langen Fasern in einem Zerfaserungsschritt hergestellt werden. Dies kann in einem vorgelagerten Prozess oder aber unmittelbar vor der Anlage zur Herstellung der Holzfaserplatten erfolgen. Die entsprechend hergestellten groben, langen Holzfasern werden mit Zuschlagstoffen, wie beispielsweise Flammschutzmitteln und Hydrophobierungsmitteln beaufschlagt. Anschließend kann Bindemittel über eine Blowline zugegeben werden. Anschließend werden die Fasern mit den entsprechenden Zuschlagstoffen und der Faserbeleimung über einen Stromrohrtrockner getrocknet.
Alternativ ist in 1 eine Faserbeleimung mit festen oder flüssigen Bindemitteln nach der Fasertrocknung im Stromrohrtrockner dargestellt.
Anschließend wird das Fasergemisch zu einem endlosen Formstrang abgestreut, wobei hierzu auf ein entsprechendes Transportband aufgestreut wird. Das lose abgestreute Fasergemisch wird dann einer kalten Vorpresse zugeführt. Hier erfolgt eine kalte Vorverdichtung des Faservlieses.
Anschließend wird das Faservlies zu einer Platte mittels Heißpresse heiß verpresst. Die Pressbänder sind vorteilhaft mit einem Trennmittel beschichtet, um ein Anhaften der gebildeten Platte zu verhindern.
Beim Einsatz thermoplastisch härtender Bindemittel kann noch ein Kühlschritt nachgeschaltet, der mittels einer nachgeschalteten Kühlzone oder aber auch einer in der Heißpresse integrierten gekühlten Presse als Kühlzone folgen kann.
In einem nächsten Verfahrensschritt werden die endlos hergestellten Platten formatiert und zu Einzelplatten aufgetrennt und abschließend konfektioniert.

Claims

Holzfaserplatte oder Holzfaserformkörper mit lignocellulosehaltigen Fasern, vorzugsweise Holzfasern, als Grundfasern, die durch eine Bindemittelmatrix gebunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine grobe, langfaserige Struktur aufweisen.
Holzfaserplatte oder Holzfaserformkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Klebstoffpartikel, wie thermoplastische Bindemittel als Fasern oder Granulat oder Kondensationsharze, Polymerisationsharze, duroplastische oder thermoplastisch härtende Harze, Diisocyanate, Polymere, Wachse, Stärke, Proteine, Ligninsul fonate, Tannine oder biologisch abbaubare thermoplastisch härtende Bindemittel.
Holzfaserplatte oder Holzfaserformkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe Flammschutzmittel, Hydrophobierungsmittel und/oder Trennmittel beigemengt sind.
Holzfaserplatte oder Holzfaserformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern Holzfasern mit einer Länge von 1 mm bis 50 mm und einer Dicke von 0,1 mm bis 5 mm eingesetzt werden.
Holzfaserplatte oder Holzfaserformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Dichte von > 500 kg/m³ aufweist.
Holzfaserplatte oder Holzfaserformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 bis 25 mm, vorzugsweise 10 bis 20 mm, dick ist.
Verwendung einer Holzfaserplatte oder eines Holzfaserformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum tragenden Einsatz im Baubereich.
Verwendung einer Holzfaserplatte oder eines Holzfaserformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum nicht tragenden Einsatz im Baubereich.
Verfahren zur Herstellung einer Holzfaserplatte oder eines Holzfaserformkörpers nach einem der vorangehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: – Zerfaserung; – Zugabe von Bindemitteln im flüssigen Zustand über die Blowline; – Trocknung der lignocellulosehaltigen Fasern; – Alternativ Zumischen von Bindemitteln im trockenen oder feuchten Zustand nach der Fasertrocknung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als lignocellulosehaltige Fasern grobe, lange Holzfasern eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel vor dem Trockenschritt der Fasern in einer Blowline zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel nach der Fasertrocknung über eine Mischeinrichtung im festen oder flüssigen Aggregatzustand zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die lignocellulosehaltigen Fasern mit Flammschutzmitteln und/oder Hydrophobierungsmitteln beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuung über drei hintereinandergeschaltete Streumaschinen in Form einer Deckschicht, Mittelschicht, Deckschicht erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz thermoplastisch härtender Bindemittel die Platte mittels einer nachgeschalteten gekühlten Presse gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz thermoplastisch härtender Bindemittel die Platte mittels einer in die Heißpresse als Kühlzone integrierte gekühlte Presse gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellte Platte formatiert und zu Einzelplatten aufgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellte Platte heiß nachverformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte bzw. das Formteil abschließend konfektioniert wird.