DE102008050428A1

DE102008050428A1 - Verfahren zur Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF) mit alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen

Info

Publication number: DE102008050428A1
Application number: DE200810050428
Authority: DE
Inventors: Edmone Roffael
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mitteldichten Faserplatten aus Lignocellulosen mit alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen als Bindemittel, bei dem die Lignocellulosen thermo-mechanisch oder chemo-thermo-mechanisch behandelt und anschließend in einem Refiner zu Fasern aufgeschlossen, beleimt und anschließend zu Fasermatten gestreut und zu Faserplatten gepresst werden, wobei der Härtungsbeschleuniger für das Phenolharz vor dem Aufschluss im Refiner zugegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mitteldichten Faserplatten mit alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen als Bindemittel. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Beschleunigung der Härtungsgeschwindigkeit von alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen (PF-Harze), die als Bindemittel bei der Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF) verwendet werden. Alkalisch härtende PF-Harze im Sinne der Erfindung sind Kondensationsprodukte von einer Phenolkomponente mit dem Formaldehyd unter Verwendung von Alkali, insbesondere von Natriumhydroxid als Katalysator. Als Phenolkomponente können z. B. Phenole, Kresole, Resorcine, Tannine und Lignine oder Gemische hiervon verwendet werden. Den alkalisch härtenden PF-Harzen können weitere Zusatzstoffe wie Stärke und Harnstoff zugesetzt werden, die die Viskosität reduzieren (Harnstoff) und/oder das Bindemittel verbilligen (Stärke). Das Molverhältnis Formaldehyd: Phenol kann über einen großen Bereich variieren. Auch der Alkaligehalt im PF-Harz kann meist zwischen 2% und 15% liegen.
Unter mitteldichten Faserplatten (MDF) werden erfindungsgemäß Faserplatten verstanden, die nach dem Trockenverfahren hergestellt werden. MDF werden je nach Rohdichte unterteilt in leichte MDF mit Rohdichten unter 650 kg/m³ und Platten, die eine Rohdichte zwischen ca. 650 kg/m³ und rd. 800 kg/m³ aufweisen. Faserplatten mit Rohdichten über 800 kg/m³ werden als HDF (high density fibreboards) bezeichnet. Faserplatten mit Rohdichten unter 550 kg/m³ werden als UL-MDF (ultra leichte Faserplatten) bezeichnet (EN 316): Als Rohstoff für MDF sind im Prinzip Holz, Einjahrespflanzen und Gebrauchtspan- und Faserplatten geeignet.
Für die Herstellung von mitteldichten Faserplatten (MDF) werden in Europa vorwiegend Nadelhölzer, insbesondere Fichten- und Kiefernholz (Waldindustrieholz) eingesetzt. Darüber hinaus wird auch Industrierestholz der Kiefer und der Fichte als Rohstoff verwendet. Beim Einsatz von Waldindustrieholz wird das Holz zunächst zu Hackschnitzeln zerkleinert. Die Holzhackschnitzel werden gewaschen, um eventuell anhaftende Fremdkörper, insbesondere Sandpartikel zu entfernen. Nach dem Waschen werden die Hackschnitzel in der Regel bei Temperaturen von 60°C bis 80°C für einige Minuten vorgedämpft, um eventuelle Feuchteunterschiede zwischen den Hackschnitzeln zu egalisieren. Anschließend gelangen die Hackschnitzel über Schneckenförderung in einen Kocher (Digester), wo sie unter Dampfdruck und üblicherweise bei Temperaturen zwischen 160°C und 180°C thermohydrolytisch aufgeschlossen werden. Dieses Verfahren zur Herstellung des Faserstoffs wird als thermomechanischer Aufschluss (thermo-mechanical pulping)(TMP) bezeichnet. Nach dem Aufschluss gelangen die Hackschnitzel in einen Druckrefiner (Defibrator), wo sie zwischen Mahlscheiben unter Druck bei Temperaturen von ebenfalls 160°C bis 180°C zu Einzelfasern oder Faserbündeln zerfasert werden. Dem Zerfasern im Druckrefiner kann eine weitere Refinerstufe folgen. Der Holzaufschluss kann chemothermo-mechanisch (CTMP) erfolgen ( WO 93/25358 ). Die Aufschlusstemperatur während des CTMP-Verfahrens kann weit über 180°C erhöht werden ( DE-OS 10160316 ). Das TMP-Verfahren und das CTMP-Verfahren lassen sich auch auf andere Lignocellulosen wie Einjahrespflanzen und Gebrauchtspanplatten anwenden.
Nach der Zerfaserung wird der Faserstoff durch den im Refiner herrschenden Druck in eine Glasleitung bzw. in ein Beleimungsrohr (Blowline) befördert. Üblicherweise werden in der Glasleitung die noch feuchten Fasern mit Bindemitteln wie Harnstoffformaldehydharzen (UF-Harze) oder Melamin-Harnstoffformaldehydharzen (MUF-Harze) beleimt (Blowline-Beleimung). Harnstoffformaldehydharze (UF-Harze) sind die am meisten verwendeten Beleimungsarten. Auch alkalisch härtende Phenolformaldehydharze (PF-Harze) und Klebstoffe auf der Basis von polymeren Diisocyanaten (PMDI) können verwendet werden. Diese Vorgehensweise ist auch für die Herstellung von Faserformteilen geeignet.
Nach der Beleimung wird der Faserstoff im Rohrtrockner getrocknet. Im Trockner erreichen die beleimten Fasern kurzfristig Temperaturen von 70°C bis 80°C, worauf die Feuchte der Fasern auf 5%...15% absinkt. Der beleimte und getrocknete Faserstoff wird einer Formmaschine zugeführt, wo er auf ein Sieb gestreut wird, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Die so geformten Matten werden anschließend zu Platten gepresst. Zur Verkürzung der Presszeit wird auch vorgeschlagen, die Matten vor dem Pressen mit Wasser oder Wasserdampf zu behandeln oder anderweitig thermisch zu erwärmen, wodurch die Temperatur der Matten vor dem Pressen etwa 100°C erreicht. Mitteldichte Faserplatten werden ein- oder mehrschichtig hergestellt, wobei in den verschiedenen Schichten unterschiedliche Bindemittel eingesetzt werden können. Im Prinzip kann die Beleimung der Fasern nach dem Trocknen erfolgen. Während der Beleimung oder vorher kann den Fasern ein Hydrophobierungsmittel in Form von Wachsdispersion oder in Form von anderen hydrophobierenden Stoffen zugegeben werden.
Die mit PF-Harzen als Bindemittel nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten mitteldichten Faserplatten weisen eine hohe Feuchtebeständigkeit und Hydrolyseresistenz der Verleimung und darüber hinaus meist eine sehr geringe Formaldehydemission auf. Die Formaldehydemission nimmt nach einer Stapelung der Platten ab. Trotz ihrer Vorteile haben alkalisch härtende PF-Harze kaum oder wenig Einsatz in der Industrie für die Herstellung von MDF gefunden. Die Gründe dafür liegen an der relativ dunklen Farbe der alkalisch härtenden Harze bzw. der damit gebundenen MDF, aber vor allem an den relativ langen Presszeiten, die die alkalisch härtenden PF-Harze benötigen, um ausreichend auszukondensieren bzw. auszuhärten, um die volle Festigkeit der damit gebundenen Platten zu entwickeln. Es werden zwar Härtungsbeschleuniger für alkalisch härtende Phenolformaldehydharze wie Kaliumcarbonat und Natriumcarbonat industriell verwendet, ihre Wirkung ist jedoch nicht völlig ausreichend, um die Härtungsgeschwindigkeit der PF-Harze auf das Niveau der Säure härtenden Harnstoffformaldehydharze (UF-Harze) zu erhöhen, mit denen der Hauptanteil von mitteldichten Faserplatten hergestellt wird (vgl. Dunky und Nietuz: Holzwerkstoffe und Holzleime, S 342, ISBN 3-540-42980-8).
Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, die Härtungsgeschwindigkeit der PF-Harze weiter zu erhöhen, ohne die physikalisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten Platten in Mitleidenschaft zu ziehen.
Es wurde nun überraschend festgestellt, dass die Härtungsgeschwindigkeit der alkalisch härtenden PF-Harze erheblich erhöht werden kann, wenn dem Härtungsbeschleuniger in Form von Kaliumcarbonat oder Natriumcarbonat oder Gemische hiervon dem Holz bzw. dessen Zerkleinerungsprodukten vor oder während des Holzaufschlusses (Kochen und Zerfasern) zugesetzt werden. Es wurde darüber hinaus überraschend gefunden, dass hierdurch die physikalisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten Platten deutlich verbessert werden. Der Einsatz von Härtungsbeschleuniger vor dem Aufschluss lässt sich auch auf Einjahrespflanzen und Gebrauchtspan- und -faserplatten als Rohstoff für die MDF-Herstellung einsetzen. Das Verfahren kombiniert durch die alkalische Reaktion von Kaliumcarbonat in sinnvoller Weise die Herstellung von Faserstoff nach dem CTMP-Verfahren mit der Beschleunigung der Härtung von alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen.
Es ist weithin bekannt, dass das CTMP-Verfahren für die Herstellung von Holzfaserplatten mit alkalisch härtenden PF-Harzen weitaus besser geeignet ist als das TMP-Verfahren (Roffael et al., 2006: Zur Feuchtigkeitsbeständigkeit und Hydrolyseresistenz von mitteldichten Faserplatten (MDF), Teil 1 – Einfluss des Aufschlussverfahrens und des Bindemittels auf die physikalisch-technologischen Eigenschaften von MDF, Holzechnologie 47, 13–19) Mit anderen Wortenes wird durch dieses erfindungsgemäße Verfahren das Holz quasi durch den Einsatz von Kaliumcarbonat oder Natriumcarbonat während des Aufschlusses unter CTMP-Bedingungen aufgeschlossen, ohne in das System mehr Alkali einzutragen als im Falle der Beleimung von thermo-mechanischen Holzstoffen (TMP) mit alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen unter Zugabe von dem Härtungsbeschleuniger Kaliumcarbonat oder Natriumcarbonat der Fall ist. Natürlich kann die Menge des Härtungsbeschleunigers den Gegebenheiten des Rohstoffes angepasst werden. Es wird lediglich der Zeitpunkt der Zugabe des Härtungsbeschleunigers vorverlegt. Es ist selbstverständlich ach möglich, anstelle von Kaliumcarbonat andere Stoffe als Härtungsbeschleuniger einzusetzen, die infolge Hydrolyse zur Bildung von Kaliumcarbonat führen können.
Das folgende Beispiel soll die Erfindung verdeutlichen ohne sie einzuschränken:
Beispiel
Hackschnitzel der Kiefer wurden zunächst bei 40°C gewaschen und anschließend nach dem thermo-mechanischen Verfahren (TMP) bei 180°C gekocht und anschließend in einem Einscheibenrefiner ebenfalls bei 180°C zerfasert. Die Faserstoffe wurden anschließend im Blow-Line mit 10% (Feststoff/atro Fasern) eines alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzes, dem ein Härtungsbeschleuniger (Kaliumcarbonat) in Mengen von 6% (Feststoff/bezogen auf atro Harz) zugegeben wurde, beleimt und anschließend bis zu einer Feuchte von 8% getrocknet, zu Matten gestreut und anschließend bei einer Temperatur von 200°C zu 16 mm-Platten gepresst. Die Presszeit betrug 12 s/mm. Die Platten hatten eine Rohdichte von 0,7 g/cm³, eine Querzugfestigkeit von 0,4 N/mm², eine Biegefestigketi von 30 N/mm² sowie eine Dickenquellung von 8% und 24% nach 2 h und 24 h nach Wasserlagerung.
In einem anderen Versuch wurden die gleichen Aufschluss- und Beleimungsbedingungen, wie vorerwähnt, verwendet mit der Ausnahme, dass der Härtungsbeschleuniger Kaliumcarbonat nicht dem Phenolformaldehydharz zugesetzt, sondern den Holzhackschnitzeln nach dem Waschen und vor dem Kochen zugegeben wurde. Mit anderen Worten, es wurden 6% Kaliumcarbonat (bezogen auf atro Bindemittel) bzw. 0,6% (bezogen auf atro Holz) den Holzhackschnitzeln vor dem Kochen zugegeben. Nach dem Beleimen mit dem Phenolformaldehydharz (in diesem Fall ohne Härtungsbeschleuniger) in Mengen von 10% (Feststoff/atro Fasern) wurden die Fasern bis zu einer Feuchte von 8% getrocknet und anschließend unter den gleichen Bedingungen bei 200°C zu 16 mm dicken Platten gepresst. Die Presszeit betrug 12 s/mm. Die Platten hatten eine Rohdichte von 0,7 g/cm³ und eine Querzugfestigkeit von 0,48 N/mm², die Biegefestigkeit lag bei 32 N/mm², die Dickenquellung bei 6% und 20% nach Wasserlagerung von 2 h und 24 h. In weiteren Untersuchungen wurde auch die Presszeit von 12 s/mm auf 11 s/mm ohne Nachteile für die physikalisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten Platten gesenkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 93/25358 [0003]
- DE 10160316 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 316 [0002]
- Dunky und Nietuz: Holzwerkstoffe und Holzleime, S 342, ISBN 3-540-42980-8 [0006]
- Roffael et al., 2006: Zur Feuchtigkeitsbeständigkeit und Hydrolyseresistenz von mitteldichten Faserplatten (MDF), Teil 1 – Einfluss des Aufschlussverfahrens und des Bindemittels auf die physikalisch-technologischen Eigenschaften von MDF, Holzechnologie 47, 13–19 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung von mitteldichten Faserplatten aus Lignocellulosen mit alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen als Bindemittel, bei dem die Lignocellulosen thermo-mechanisch oder chemo-thermo-mechanisch behandelt und anschließend in einem Refiner zu Fasern aufgeschlossen, beleimt, zu Fasermatten gestreut und zu Faserplatten gepresst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufschluss in Anwesenheit des Härtungsbeschleuniger für die alkalisch härtenden Phenolformaldehydharze in Form von Kaliumcarbonatnat und/oder Natriumcarbonat erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass den alkalisch härtenden Phenolformaldehydharzen Streckmittel wie Lignine, Tannine und/oder Stärke zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Härtungsbeschleuniger für die alkalisch-härtenden Phenolformaldehydharze in einer Paraffindispersion vorliegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Härtungsbeschleunigers während der themo-mechanischen oder chemo-thermo-mechanischen Behandlungsstufe erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Härtungsbeschleunigers während der Zerfaserungsstufe im Refiner erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Alkaligehalt der verwendeten Phenolformaldehydharze zwischen 3% und 15% bezogen auf den Feststoffgehalt des Phenolformaldehydharzes beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohstoff für die Plattenherstellung Gebraucht-Faser- und Spanplatten verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten mitteldichten Faserplatten nach dem Pressen gestapelt werden.