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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Holzwerkstoff-Formteiles
unter Verwendung eines Holzwerkstoffgrundmaterials und eines wärmehärtbaren
Bindemittels durch Pressen, wobei zum Aushärten des Bindemittels eine
Wärmeübertragung
in das Holzwerkstoff-Formteil
in Form eines Dampfstoßes
erfolgt.
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Derartige
Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Dauer der
Preßzeit
wird dabei in erster Linie davon beeinflußt, wie schnell das Bindemittel
aushärtet.
An dem Beispiel einer dreischichtig aufgebauten Holzwerkstoffplatte,
die aus einer Mittelschicht, einer oberen und einer unteren Deckschicht
besteht, werden nachfolgend die aus dem Stand der Technik bekannten
Lösungsansätze beschrieben.
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Zur
Herstellung der Platte wird eine dreischichtig aufgebauten Holzwerkstoffmatte
(Vlies), bestehend aus dem Holzwerkstoffgrundmaterial und einem
wärmehärtbaren
Bindemittel, einer Presse zugeführt.
Anschließend
findet ein Heißpreßvorgang statt.
Das Aushärten
des Bindemittels (Leim) in den äußeren Deckschichten
erfolgt durch direkte Wärmezufuhr über beheizbare
Preßplatten
oder -bänder. Aufgrund
der in die Platte eingebrachten Wärmeenergie einerseits und der
sich in der Platte befindenden Feuchtigkeit andererseits bildet
sich in der Platte ein Wasserdampfdruckgefälle aus.
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Die
zum Aushärten
der Mittelschicht benötigte
Wärmeenergie
wird über
den sogenannten Dampfstoß in
die Platte eingebracht. Hierzu werden die äußeren Preßplatten beispielsweise auf
200°Celsius
erhitzt. Beim Pressen wird dann das Wasser (Leimwasser) in den Deckschichten
erwärmt
und bei Erreichen der Siedetemperatur (100°C), schlagartig in die Dampfphase überführt. Dieser
Dampf schießt
wegen des Wasserdampfdruckgefälles
vertikal von beiden Seiten der Platte in Richtung Plattenmitte.
Dieser Vorgang wird als Dampfstoß bezeichnet.
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Aufgrund
des Temperaturgefälles
zwischen den Außenseiten
der Deckschichten und der Mitte der Mittelschicht (der Temperaturunterschied
beträgt beispielsweise
75°C) kondensiert
der Dampf in der noch kühlen
Mittelschicht. Dabei wird Kondensationswärme freigesetzt, wodurch sich
die Temperatur in der Mittelschicht erhöht. Die chemischen Aushärtungsreaktionen
in der Mittelschicht laufen schneller ab und es vergeht weniger
Zeit, bis das Bindemittel ausgehärtet
ist, wodurch sich im Ergebnis die benötigte Preßzeit verkürzt. Dieses Dampfstoß-Prinzip wird
bei der Herstellung von zahlreichen Holzwerkstoff-Formteilen eingesetzt,
beispielsweise bei der Herstellung von Spanplatten, MDF, OSB etc.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, das Dampfstoß-Prinzip dadurch zu
optimieren, daß der
Wasserdampf zuvor erhitzt und als Heißdampf unter Druck in das Holzwerkstoff-Formteil eingeblasen
wird. Man spricht dabei auch von der Dampfinjektionstechnik. Hierdurch
ist in bedingtem Maße auch
eine Verkürzung
der Preßzeit
möglich.
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Von
Nachteil ist es jedoch, daß bei
der Dampfinjektionstechnik auch mehr Wasser in das Innere des Holzwerkstoff-Formteiles
gelangt. Wegen des Grundprinzips von Druck und Gegendruck wird bei
der Dampfinjektionstechnik der Innendruck in dem Holzwerkstoff-Formteil
stark erhöht.
Wenn sich die Presse öffnet,
muß das
Bindemittel im Inneren des Formteils bereits so weit ausgehärtet sein,
daß der
innere Dampfdruck nicht zu einer Beschädigung (Abplatzen von Teilen)
oder Zerstörung
des Formteils (Delaminieren) führt.
Es wird versucht, diesem Nachteil mit aufwendigen Kühlvorrichtungen
zum Kühlen der
Formteile nach dem Heißpressen
zu begegnen. Dennoch muß die
Presse bei der Dampfinjektionstechnik vergleichsweise lange geschlossen
bleiben, so daß der
zeitliche Vorteil der schnellen Aushärtung des Bindemittels teilweise
wieder aufgehoben wird.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Technik zur Herstellung
eines Holzwerkstoff-Formteiles bereitzustellen, mit deren Hilfe
die Preßzeit
ohne die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik verkürzt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine
Presse nach Anspruch 4 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, daß vor
der Wärmeübertragung
in Form eines Dampfstoßes
der im Preßraum
herrschende Prozeß-Luftdruck
gegenüber
dem außerhalb
des Preßraums
herrschenden atmosphärischen Luftdruck
erhöht
wird, ohne jedoch darüber
hinaus dem Holzwerkstoff-Formteil Feuchtigkeit, insbesondere in
Form von Wasserdampf, zuzuführen.
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Eine
für die
Herstellung eines solchen Holzwerkstoff-Formteiles vorgesehene Presse ist gekennzeichnet
durch einen Preßraum
und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Überdrucks derart, daß vor der
Wärmeübertragung
in Form eines Dampfstoßes
der im Preßraum
herrschende Prozeß-Luftdruck gegenüber dem
außerhalb
des Preßraums
herrschenden atmosphärischen
Luftdruck erhöht
werden kann, ohne jedoch darüber
hinaus dem Holzwerkstoff-Formteil Feuchtigkeit, insbesondere in
Form von Wasserdampf, zuzuführen.
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Eine
Grundidee der Erfindung ist es zunächst, die in eine technologische
Sackgasse führende
Dampfinjektionstechnik, bei der heißer Wasserdampf unter Druck
in das Formteil eingepreßt
wird, nicht mehr weiterzuverfolgen. Statt dessen erfolgt eine Rückkehr zu
der ursprünglichen
Dampfstoß-Technik,
bei welcher der Dampfstoß selbsttätig bei
Erreichen der Siedetemperatur erfolgt. Die Dampfstoß-Technik
wird erfindungsgemäß dadurch verbessert,
daß während des
Preßvorgangs
zumindest im Preßraum
der Presse der Luftdruck größer ist als
der Atmosphärendruck
der Umgebung. Der Preßvorgang
findet mit anderen Worten unter Überdruck statt,
z. B. bei 1,5 bar. Bei einem solchen Überdruck verdampft das Wasser
bei höheren
Temperaturen, beispielsweise bei 110°C. Der Dampfstoß erfolgt
immer noch selbsttätig,
diesmal allerdings bei einer höheren
Temperatur. Im Vergleich mit einem unter Atmosphärendruck ablaufenden Verfahren
erfolgt der Dampfstoß unter
Umständen
zwar zu einem etwas späteren
Zeitpunkt, jedoch mit einem entsprechend der höheren Siedetemperatur wesentlich
höheren Energiegehalt.
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Die
Erfindung macht sich die Abhängigkeit von
Siedetemperatur und Siededruck voneinander zu Nutze. Durch eine
Druckerhöhung
von beispielsweise 0,5 bar = 500 hPa wird eine Erhöhung der Siedetemperatur
des Wassers von 100°C
auf ungefähr 110°C erreicht.
Dadurch erhöht
sich der Energiegehalt des Wasserdampfes gegenüber einem bei Atmosphärendruck
ablaufenden Verfahren. Bei Einsatz der gleichen Menge Wasser kann
mit Hilfe des Dampfstoßes
mehr Wärme
in das Innere des Holzwerkstoff-Formteils übertragen werden. Dadurch erhöht sich
die erreichbare Temperatur in der Mittelschicht. Gemäß der van't-Hoffschen Regel
(RGT-Regel), wonach sich die Reaktionsgeschwindigkeit etwa verdoppelt,
wenn die Temperatur um 10°C
erhöht wird,
ergibt sich damit eine deutlich erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit
für die
chemischen Aushärtungsreaktionen
des Bindemittels. Im Ergebnis läßt sich
die Preßzeit
deutlich verkürzen,
wobei die Gefahr einer Delaminierung nicht mehr vorhanden ist, da
kein zusätzlicher
Wasserdampf in das Formteil eingebracht wird.
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Im
Gegensatz zu dem oben geschilderten Stand der Technik, bei dem die
in das Holzwerkstoff-Formteil eingebrachte Wärmeenergie im Wesentlichen
dadurch erhöht
wird, daß die
Menge des verwendeten Wasserdampfes vergrößert wird, gründet die
vorliegende Erfindung auf der Überlegung,
die Reaktionsgeschwindigkeit der Aushärtungsreaktionen des Bindemittels
dadurch zu erhöhen,
daß mit
einer gleichen Menge Wasserdampf mehr Wärmeenergie übertragen wir. Dadurch kann
ohne die Nachteile eines erhöhten
Innendrucks eine hohe Prozeßtemperatur
erreicht werden.
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Bei
dem entstehenden Wasserdampf handelt es sich um diejenigen Feuchtigkeitsanteile
der Luft, die – vorausgesetzt,
daß keine
trockene Luft als Prozeßatmosphäre verwendet
wird – ohnehin
bereits in der Luft enthalten sind, als auch um den Wasserdampf,
der seinen Ursprung in dem Leimwasser der Deckschichten hat. Wird
also „normale” Luft als
Prozeßatmosphäre eingesetzt,
dann entsprechen die Partialdruckverhältnisse im Preßraum bzw.
in der Druckkammer bis zum Zeitpunkt des Dampfstoßes im wesentlichen
den Partialdruckverhältnissen
außerhalb
des Preßraumes
bzw. der Druckkammer.
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Folgende
Darstellung soll noch einmal den Unterschied zwischen der bekannten
Dampfinjektionstechnik und der vorliegenden Erfindung verdeutlichen:
Bei
der herkömmlichen
Dampfinjektionstechnik ergeben sich die Partialdruckverhältnisse
aus einer Kombination von (feuchter) Luft einerseits und zusätzlich in
das System eingebrachtem überhitzten
Wasserdampf andererseits: pgesamt =
p(Luft) + p(H2O)
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Bei
Erreichen der Siedetemperatur von 100°C ergibt sich der Dampfstoß aus dem
in der feuchten Luft enthaltenen Wasserdampf sowie aus dem Wasserdampf,
der seinen Ursprung in dem Leimwasser der Deckschichten hat, sowie
aus dem zusätzlich
eingebrachten überhitzten
Wasserdampf.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird auf das Einbringen von überhitztem
Wasserdampf verzichtet. In der Druckkammer befindet sich nur die übliche Prozeßatmosphäre, in der
Regel Luft in üblicher
Zusammensetzung (78% Stickstoff, 21% Sauerstoff, ...). Es folgt: pgesamt = p(Luft)
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Der
Dampfstoß,
der sich bei Erreichen der (erhöhten)
Siedetemperatur von beispielsweise 110°C ergibt, enthält deutlich
weniger Feuchtigkeit und zugleich eine höhere Wärmeenergie, was zu den oben
geschilderten Vorteilen führt.
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Da
der Preßvorgang
unter Überdruck
abläuft,
ist eine Druckkammer vorgesehen, in welcher der gewünschte Überdruck
herrscht. Unter dem atmosphärischen
Luftdruck ist dann der außerhalb
der Druckkammer in der Atmosphäre
herrschende, durch das Gewicht der Luft verursachte Luftdruck zu
verstehen. Unter Prozeß-Luftdruck
ist hingegen der Luftdruck derjenigen Umgebung zu verstehen, in
welcher der Preßvorgang
stattfindet. Da der Preßvorgang stets
in einem Preßraum
stattfindet, beispielsweise in dem zwischen Preßplatten oder -bändern angeordneten
Preßspalt,
ist der Prozeß-Luftdruck
mit anderen Worten der (zumindest) im Preßraum herrschende Luftdruck,
dem das herzustellende Holzwerkstoff-Formteil ausgesetzt ist. In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Preßraum,
insbesondere in Gestalt des Preßspaltes,
zum Erreichen des gewünschten Überdrucks
als eine im wesentlichen geschlossene Druckkammer ausgeführt. In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist eine Druckkammer vorgesehen, die neben dem eigentlichen Preßraum weitere
Teile der Presse umschließt.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die Presse eine sie vollständig umgebende Druckkammer
auf; die gesamte Presse befindet sich dann innerhalb der Druckkammer.
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Die
Presse weist hierfür
geeignete technische Einrichtungen auf, die dem Fachmann geläufig sind
und daher an dieser Stelle nicht im einzelnen aufgeführt werden
müssen.
Ist beispielsweise der Preßspalt
als Druckkammer ausgebildet, so sind Vorrichtungen zum Abdichten
des Preßspaltes
vorgesehen, z. B. seitlich angebrachte Dichtungsringe, Andruckvorrichtungen
etc. Bei diskontinuierlich arbeitenden Pressen, beispielsweise diskontinuierlich
arbeitenden Ein- oder Mehretagenpressen, ist es möglich, seitliche
Abdichtungsflächen
bereitstellen, die beim Schließen
der Presse alle vier Seiten abdichten. Neben den baulichen Elementen
und Dichtungen zur Abgrenzung der Druckkammer ist eine Vorrichtung zum
Erzeugen eines Überdrucks
bereitzustellen. Dabei kann es sich um einen Überdruckbehälter handeln, der einen Überdruck
von beispielsweise 0,5 bis 10 bar bereitstellt. Aus diesem kann über Druckleitungen
ein Überdruck
in die Druckkammer eingespeist wird. So kann der Siedepunkt des
Wassers auf z. B. 110°C
bis 150°C
eingestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist bei der Herstellung von zahlreichen Holzwerkstoff-Formteilen
einsetzbar, so beispielsweise bei der Herstellung von Spanplatten,
MDF, HDF, OSB etc. Dabei kann es sich bei den Holzwerkstoff-Formteilen
um Einzelteile oder um ein kontinuierlich durch die Presse laufendes
Endlosteil handeln. Das Verfahren kann sowohl auf diskontinuierlich,
als auch auf kontinuierlich arbeitenden Pressen eingesetzt werden,
beispielsweise auf Ein- oder Mehretagenpressen, Doppelbandpressen
usw.
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Je
nachdem, welche Art von Holzwerkstoff-Formteilen hergestellt werden
soll, handelt es sich bei dem Holzwerkstoffgrundmaterial um Späne, Fasern,
Stands usw. Als wärmehärtbaren
Bindemittel können
beispielsweise Harnstoff-, Melamin- oder Phenolharze bzw. Mischungen
daraus oder Mischungen dieser Harze mit polymeren Diisocyanaten
(PMDI) oder mit natürlichen
Bindemitteln, wie Tannin- und/oder Ligninharzen zum Einsatz kommen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei
zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung der vorliegenden
Erfindung anhand einer diskontinuierlich arbeitenden Einetagenpresse 1 mit Preßplatten 2 zur
Herstellung einer Spanplatte 3.
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Im
Falle einer Spanplatte 3 werden in einem ersten Verfahrensschritt
zuerst Holz, Holzreste, Holzformteile etc. zerspant, d. h. es wird
durch geeignete Zerkleinerungsverfahren unter Anwendung von Messerringzerspanern,
Langholzzerspanern etc. die gewünschte
optimale Spanform hergestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt
werden die so erzeugten Späne
getrocknet, bis Endfeuchten im Bereich von 0,5–2% erreicht sind. Anschließend werden
die Späne
fraktioniert, d. h. in Siebfraktionen aufgeteilt. Danach erfolgt
die separate Beleimung der sog. „Deck- und Mittelschichtspäne” mit wärmehärtbaren
Harzen, vornehmlich Harnstoff-, Melamin- oder Phenolharzen bzw.
Mischungen daraus bzw. mit polymeren Diisocyanaten (PMDI) oder auch
mit natürlichen
Bindemitteln wie Tannin- und/oder Ligninharzen. Nach Zerspanung,
Trocknung und Beleimung erfolgt als vierter Verfahrensschritt die
Streuung der beleimten Späne
mittels Wind- oder Wurfstreuung, durch welche eine sogenannte „Spanmatte” 4 bzw.
ein „Spanvlies” erzeugt
wird. Über
die Vlieshöhe
betrachtet sind oben und unten vornehmlich die kleineren bzw. feineren
Deckschichtspäne
angeordnet, während
sich die gröberen
Mittelschichtspäne
vornehmlich in der Mitte der Spanmatte 4 wiederfinden.
In dieser Anordnung wird die beleimte Spanmatte 4 nun der
Presse 1 zugeführt,
in welcher durch gleichzeitige Einwirkung von Hitze und Druck ein
Komprimieren der Spanmatte 4 bis zur endgültigen gewünschten
Spanplattendicke erfolgt bei gleichzeitigem Aushärten des wärmehärtbaren Bindemittels.
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Die
chemische Reaktivitäten
der in der Deck- und Mittelschicht eingesetzten Bindemittel (UF,
MF, PF, MUF, PMDI etc.) müssen
dabei auf die Erfordernisse der Verdichtungsreaktionen abgestimmt
sein. Umgekehrt muß auch
der Feuchtigkeitshaushalt der gerade entstehenden Spanplatte genau
so bemessen sein, daß eine
optimale Aushärtungsreaktion
in Deck- und Mittelschicht erfolgen kann und die Spanplatte 3 nicht
in dem Moment, wenn sie die Presse 1 verläßt und der äußere Preßdruck somit
wegfällt, durch
zu hohen inneren Dampfdruck delaminiert, d. h. zerplatzt. Die Dauer
der Preßzeit
wird dabei in erster Linie davon beeinflußt, wie schnell das Bindemittel
aushärtet.
Hier setzt nun die Erfindung an.
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Die
Spanmatte 4 wird der Presse 1 zugeführt, deren
Preßspalt 5 als
Druckkammer ausgebildet ist. Der Preßspalt 5 ist über Druckleitungen 6 mit einem Überdruckbehälter 7 verbunden,
mit dessen Hilfe nach dem Einbringen der Spanmatte 4 und
dem Verschließen
des Preßspaltes 5 durch
geeignete Dichtungen (nicht abgebildet) einen Überdruck von 1,5 bar in dem
Preßspalt 5 erzeugt
wird. Feuchtigkeit, insbesondere in Form von Wasserdampf, wird dem Preßspalt 5 bzw.
der Spanmatte 4 nicht zugeführt. Durch die Erhöhung des
Prozeß-Luftdruckes
kommt es zu einer Erhöhung
der Siedetemperatur innerhalb des Preßspaltes 5. Der bei
110°C entstehende
Wasserdampf trägt
einen deutlich höheren
Energieinhalt mit sich, mit der Folge, daß mit dem Dampfstoß auch entsprechend
deutlich mehr Kondensationswärme
in der Mittelschicht der Spanmatte 4 ankommt. Dies führt wiederum
dazu, daß die
Aushärtungsreaktionen des
Bindemittels in der Mittelschicht deutlich schneller ablaufen.
Somit wird in der Mittelschicht deutlich schneller eine ausreichende
Festigkeit erreicht.
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Damit
kann die Preßzeit
deutlich verkürzt bzw.
die Vorschubgeschwindigkeit der Presse 1 deutlich erhöht werden,
ohne daß Gefahr
besteht, daß die Spanplatte 3 beim
Ausfahren aus der Presse 1 delaminiert.
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Alle
in der Beschreibung, der Figur und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 1
- Presse
- 2
- Preßplatte
- 3
- Spanplatte
- 4
- Spanmatte
- 5
- Preßspalt
- 6
- Druckleitung
- 7
- Überdruckbehälter