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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserwerkstoffen und naturfaserverstärkten Kunstoffen nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin Werkstoffe die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind.
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Faserwerkstoffe in Form von MDF (Medium-Density-Fiber-Boards), HDF (High-Density-Fibre-Boards), LDF (Low-Density-Fiber-Boards) oder Faserdämmplatten werden vielfältig in der Möbel- und Verpackungsindustrie, im Baugewerbe und im Automobilbau eingesetzt. Diese Werkstoffe werden im allgemeinen aus Faserstoff hergestellt, der durch thermo-mechanischen Aufschluss (TMP) oder chemothermomechanischen Aufschluss (CTMP) im Defibrator oder Refiner aus Holzhackschnitzeln oder anderem lignozellulosen Pflanzenmaterial gewonnen wird. Der Faserstoff wird mit synthetischen Harzen, z. B. Harnstoff-, Phenol- bzw. Melaminformaldehydharz oder Diisocyanten beleimt, getrocknet und zu einem Vlies geformt. Der Bindemittelanteil beträgt üblicherweise 3 bis 20 Gew.-% bezogen auf die Fasermasse (atro). Das Verpressen zu plattenförmigen Werkstoffen erfolgt in kontinuierlichen und diskontinuierlichen Verfahren. In Abhängigkeit von der Dichte werden Dämmplatten (ca. 200 bis 400 kg/m3), mittelharte Faserplatten (350 bis 800 kg/m3), MDF (650 bis 900 kg/m3) und HDF (800 bis 1200 kg/m3) produziert.
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Bei der konventionellen Herstellung von Holzfaserwerkstoffen werden die Holzhackschnitzel zunächst gewaschen und dann einem Vordämpfer zugeführt in dem bei Temperaturen zwischen 140 und 180°C unter Druck eine Vorplastifizierung erfolgt. Danach werden die Hackschnitzel über eine Schnecke den Mahlscheiben eines Refiners zugeführt und zerfasert. Über eine Blowline wird der Faserstoff ausgetragen, beleimt und einem Trockner zugeführt. Bei der Herstellung von Faserplatten wird i. d. R. Faserstoff aus der ersten Zerfaserungsstufe eingesetzt. Dabei ist ein erheblicher spezifischer Energiebedarf in Form von Antriebsenergie für die Mahlscheiben und thermischer Energie für das Vordämpfen der Holzhackschnitzel notwendig. Der Aufwand an elektrischer Mahlarbeit liegt bei ca. 120 bis 200 kWh/t otro Fasern und damit bei ca. 50% des Gesamtenergieverbrauches für die MDF-Herstellung (Buchholz, P.: Einfluß der chemischen Hackschnitzelbehandlung bei der MDF-Herstellung (1), WKI-Mitteilung 708/1998, Holzzentralblatt Nr. 7, S. 90, 93, 94). Dieser Energieverbrauch stellt einen entscheidenden Kostenfaktor dar und belastet die Ökobilanz durch eine hohe CO2-Belastung der Produkte.
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In jüngster Zeit werden lignozellulose Faserstoffe auch zur Herstellung von Wood Polymer (Plastic) Composites (WPC) oder Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) mit verstärkender oder füllender Wirkung eingesetzt. Insbesondere bei WPC werden Faseranteile von bis zu 90% eingesetzt. Auch ist hier eine kostengünstige Faserherstellung von Bedeutung.
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Der aufzuwendende Mahlenergieverbrauch zur Gewinnung von Faserstoff wird von einer Reihe von Parametern beeinflusst. Insbesondere die Plastifizierungstemperatur spielt eine entscheidende Rolle. So reduziert sich der Energieverbrauch im Temperaturbereich zwischen 150°C und 170°C von 700 kWh/t auf ca. 200 kWh/t (Deppe, H. J.; Ernst, K.: MDF-Mitteldichte Faserplatten. Leinfelden-Echterdingen, DRW-Verlag, 1996). Der Temperaturerhöhung sind jedoch enge Grenzen gesetzt, da mit steigender Temperatur die Hydrolyse der Holzbestandteile, insbesondere der Hemicellulosen stark zunimmt mit negativen Folgen für die Ausbeute und die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Werkstoffe.
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In (Buchholz, P.: Einfluß der chemischen Hackschnitzelbehandlung bei der MDF-Herstellung (1), WKI-Mitteilung 708/1998, Holzzentralblatt Nr. 7, S. 90, 93, 94) wird der Einsatz einer kombinierten Harnstoffbehandlung zur Vorplastifizierung und Formaldehydbindung untersucht. Bei Einsatz von 6% Harnstoff wurde neben der Abnahme der Formaldehydabgabe eine Verringerung der Leistungsaufnahme am Refiner um ca. 10% erreicht. Die Festigkeitswerte werden durch die Vorbehandlung in Abhängigkeit von der Holzart zwar verbessert, jedoch erhöhen sich generell die Quellwerte der hergestellten Werkstoffe (Buchholz, P.: Einfluß der chemischen Hackschnitzelbehandlung bei der MDF-Herstellung (2), WKI-Mitteilung 710/1998, Holzzentralblatt Nr. 19, 292–293).
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Als eine weitere Möglichkeit zur Verringerung des Mahlenergieaufwandes ist eine biotechnologische Vorbehandlung der Hackschnitzel mit Pilzkulturen oder extrazellulären Enzymen bekannt. Bei diesen Verfahren wird durch Einwirkung von holzabbauenden Pilzen oder extrazellulären Enzymen eine Strukturauflockerung des Holzes erreicht. Bei Einsatz von Pilzkulturen kann nach mehrwöchiger Inkubation eine Energieeinsparung von bis zu 40% erreicht werden. Allerdings erwies sich die Steuerung der Wachstums- und Abbauprozesse unter industriellen Bedingungen bisher als schwer beherrschbar (Wagenführ, A.: Praxisrelevante Untersuchungen zur Nutzung biotechnologischer Wirkprinzipien bei der Holzwerkstoffherstellung. Dissertation. TU Dresden, 1988; Unbehaun, H., Wolff, M., Kühne, G., Schindel, K., Hüttermann, A.: Hackschnitzelfermentation für die Holzwerkstoffherstellung, Holzforschung und Holzverwertung, Heft 2, 51. Jahrgang, Mai 1999, Seite 24/25).
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In der Papierindustrie sind verschiedene Verfahren zur Energieeinsparung durch Variation von Prozessparametern bei der TMP-Erzeugung bekannt (RTS-Verfahren, Thermopulp, Hackschnitzelpressung). So wird beim RTS-Verfahren (Retention Temperature Speed) die Drehzahl der Refiner von 1.500 min
–1 auf 2.300 min
–1 gesteigert und die Temperatur für kurze Zeit über den Ligninerweichungspunkt erhöht. Dies bewirkt eine Erhöhung der Mahlintensität und Verringerung des spezifischen Energiebedarfs um ca. 22% (Münster 1996). Bei Law, K.-N., Lanouette, R.: Effect of mechanical conditioning of chips on the quality of softwood TMP: Pulp & Paper Canada 101 (2000), Nr. 7, S. 31–35, 14./15. 1999 FAL Braunschweig werden die Hackschnitzel wiederholten statischen Presszyklen ausgesetzt und so eine Reduzierung des spezifischen Energiebedarfs um etwa 18% bis 25% erreicht. Im Thermopulp-Verfahren der Fa. Sunds wird der Faserstoff in der zweiten Refinerstufe ca. 10 s lang auf 160°C bis 170°C erwärmt. Damit lässt sich der spezifische Energiebedarf um 10% bis 20% reduzieren (Tienvieri, T., Huusari, E., Sundhol, J. Vuorio, P, Kortelainen, J. Nystedt, H. und Artamo A.: in: Sundholm, J. (Hrsg.): Papermaking Science and Technology: Book 5: Mechanical Pulping: Helsinki, FAPET Oy, 1999, S. 205; Bos, J. H.; Veenstra, P.; Verhoeven, H.; De Vos, P. D.: Das Papierbuch: 1. Auflage DB Routen: EPN Verlag, 1999, S. 78). Bei Sabourin, M. J.: Evaluation of a compressive pretreatment process in TMP properties and en-ergy requirements: Pulp & Paper Canada 101 (2000), Nr. 2, S. 50–56 wurden die Hackschnitzel in einem RT Pressafiner bei 1,52 bar während einer Verweilzeit von 8 bis 12 Sekunden auf ein Verhältnis von 5:1 verdichtet und anschließend zu TMP verarbeitet, wobei der spez. Energieverbrauch um ca. 10% gesenkt werden konnte. In der Papierindustrie wurde ebenfalls der Einsatz biotechnologischer Verfahren untersucht. In einem Biopulping-Prozess wurde eine 2 bis 6 wöchige Inkubation der Hackschnitzel mit selektiv ligninabbauenden Pilzkulturen durchgeführt, die eine Auflockerung der Holzstruktur und verbesserte Faserstoffeigenschaften bewirkte. Der Mahlenergieverbrauch konnte dabei um ca. 30% verringert werden (Akhtar, M., Scott, G. M., Houtman, C. J. 2001: Recent developments in biopulping technology, Abstract Book of 8th International Conference an Biotechnology in the Pulp and Paper In-dustry, June 4–8, 2001, Helsinki, Finland, p 39–41; Messner, K.: Vorbehandlung von Hackschnitzeln mit selektiv ligninabbauenden Pilzen und ultrastrukturelle Grundlagen der Enzymreaktion, in Miletzky, F., Borchers, B.: Enzymtechnik, der Einsatz von Enzymen in der Papiertechnik, PTS-Seminar 1995). Bei dem Einsatz von extrazellulären Enzymen wurde bei Einwirkzeiten von 1 bis 12 h in Kombination mit einer Pressafinerbehandlung Energieeinsparungen von 13 bis 15% erreicht (
US 2007/0151683 A1 ).
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Granfeld, Th.; Jackson, M.; Iverson, St; Chuaqui, Cl.; Free, D.: The effects of electron beam pretreatment of wood chips on energy consumption in high yield pulping: Tappi Journal 75 (1992), Nr. 6, S. 175–S. 182 untersuchte die Auswirkungen der Bestrahlung von Hackschnitzeln mit Elektronenstrahlen. Bei den Nadelholzfaserstoffen konnte der Energiebedarf gegenüber den unbehandelten Stoffen um 20% bis 25% reduziert werden. Dabei wurden die Eigenschaften des TMP, insbes. die Festigkeitseigenschaften von Papier, verschlechtert.
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Die genannten Verfahren wurden in der Papierindustrie bei mehrstufiger TMP-Herstellung eingesetzt und ausschließlich im Hinblick auf eine Papierherstellung untersucht. Der Einsatz dieser Verfahren für die einstufige Herstellung von TMP und dessen Weiterverarbeitung zu Faserwerkstoffen bzw. faserverstärkten Polymeren erfolgte nicht.
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Bei Untersuchungen von Schneider, T., Roffael, E., Dix, B.: Einfluß von Holzaufschlussverfahren (TMP-, CTMP-Verfahren) und Aufschlußbedingungen auf die physikalisch-technologischen Eigenschaf-ten von mitteldichten Faserplatten, Holz als Roh- und Werkstoff 58, 2000, S. 277, Springer-Verlag wurde der Einfluss von Plastifizierungstemperaturen bis 180°C und die Zugabe von Chemikalien, wie Natriumsulfit und Natriumhydroxid auf die Faser- und Werkstoffeigenschaften von MDF untersucht. Ältere Arbeiten befassen sich mit dem Einfluss einer Ammoniakbehandlung auf bestimmte Eigenschaften von Faser- und Spanplatten (Kalnins, A. J., Darzins, T. A., Jukna, A. D., Berzins, G. W.: Physikalisch-mechanische Eigenschaften des mit Ammoniak chemisch plastifizierten Holzes, Holztechnologie 8/1967, 22–28; Roffael, E., Parameswaren, N.: Kenntnisstand und Untersuchungsergebnisse zur Wirkung von Ammoniak auf Holzspäne, Holz als Roh- und Werkstoff 42/1984, 327–333). Bei Krug, D., Kehr, E.: Einfluss des Aufschlussdruckes bei der Faserstoffherstellung auf die Quel-lungsvergütung von MDF, Holz als Roh- und Werkstoff 59 (2001) 342–343, Springer-Verlag 2001 wurden Zerfaserungstemperaturen bis 200°C angewandt. Die höheren Temperaturen führten zwar zu verbesserten Quelleigenschaften von MDF, die Festigkeitseigenschaften wurden jedoch aufgrund verstärkter Hydrolyse der Holzbestandteile negativ beeinflusst. Eine Untersuchung der notwendigen Mahlenergie erfolgte in den genannten Arbeiten nicht.
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Untersuchungen zur Vorbehandlung und Zerfaserung von Hackschnitzeln bei der Holzwerkstoffherstellung zielten in der Vergangenheit ausschließlich auf eine Verbesserung der Werkstoffeigenschaften ab. Entwicklungen zur Energieeinsparung im Zerfaserungsprozess erfolgten bisher kaum.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von lignocellulosen Faserwerkstoffen und naturfaserverstärkten Kunststoffen mit reduziertem Energieverbrauch und gleichen oder verbesserten Eigenschaften.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 7 betreffen bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Werkstoffe sind gekennzeichnet durch die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 und erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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Das dieser Anmeldung zugrundeliegende Verfahren basiert auf einer Vorbehandlung von Holzhackschnitzeln oder anderen lignozellulosen Ausgangstoffen mit energiereicher Strahlung, insbesondere unter Anwendung von Elektronenstahlen mit nachfolgender Zerfaserung und Weiterverarbeitung zu Faserwerkstoffen.
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Überraschenderweise führt die Behandlung von lignocellulosen Partikel mit energiereicher Strahlung in Kombination mit einer nachfolgenden Mahlung, nicht wie vermutet, zu einer Verschlechterung der mechanischen und hygroskopischen Eigenschaften von aus dem Faserstoff hergestellten Faserwerkstoffen, sondern es wird neben der Mahlenergieeinsparung auch eine signifikante Verbesserung der Festigkeiten und eine Verringerung von Dickenquellung und Wasseraufnahme der Werkstoffe erreicht.
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Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren dienen Partikel, vorzugsweise aus Holz, aber auch aus anderen lignocellulosen Stoffen wie Rapsstroh, Flachs- und Hanfstengel, Getreidestroh, Kokosfasern, Bambus, Reisstroh, Bagasse, u. a.
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Die genannten Ausgangsmaterialien, z. B. Holzhackschnitzel, werden vorzugsweise auf konventionelle Weise in einem Hacker hergestellt oder fallen als Nebensortimente bei der Profilzerspanung an. Stengelmaterial von Getreidestroh, Hanf oder Flachs wird in einem Häcksler vorzerkleinert. Bei Flachs und Hanf können die Schaben separat genutzt werden.
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Die lignozellulosen Partikel werden einer energiereichen Strahlung ausgesetzt. Dabei wird eine Lockerung des Holzgefüges erreicht. Die Strahlungsenergie kann in Form von Elektronenstrahlung, Gamma-Strahlung oder Röntgenstrahlung appliziert werden. Aufgrund einer größeren Eindringtiefe wird vorzugsweise Elektronenstrahlung eingesetzt, wobei die Strahlenenergiedosis im Bereich von 10 bis 50 kGy, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30 kGy und entweder in einem Arbeitsgang oder in mehreren Einzeldosen appliziert wird.
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Die Behandlung der Partikel mit energiereicher Strahlung kann auch in Kombination mit einer chemischen, enzymatischen oder mechanischen Vor- oder Nachbehandlung erfolgen. So kann eine Behandlung der Partikel z. B. mit Bisulphit, Natronlauge, hydrolytischen oder ligninoxidierenden Enzymen erfolgen. Außerdem ist eine Vorbehandlung von Hackschnitzeln mit holzabbauenden Pilzstämmen möglich. Des Weiteren können die Hackschnitzel einer quetschenden bzw. Druckbehandlung, z. B. im Pressafiner unterzogen werden. Durch eine Kombination der Hackschnitzelbestrahlung mit den genannten Verfahren kann eine weitere Lockerung des Holzgefüges und eine Energieeinsparung erreicht werden. Außerdem ist eine Erreichung spezieller Fasereigenschaften möglich.
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Anschließend werden die bestrahlten Partikel mit mechanischen oder thermomechanischen Verfahren in einem Defibrator, Extruder oder Refiner in ein oder mehreren Stufen gemahlen bzw. zerfasert. Vorzugsweise werden die Partikel nach einer Vordämpfung in einem Defibrator einstufig bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 180°C thermomechanisch zerfasert. Durch die Bestrahlung kann hierbei eine Reduzierung des spezifischen Nettomahlenergieverbrauches von ca. 30 bis 40% erreicht werden.
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Partikel aus anderen Faserpflanzen wie Raps-, Hanf-, Flachs-, und Getreidestroh können auch ohne thermische Vorbehandlung rein mechanisch im Refiner oder im Extruder zerfasert werden.
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Eine alternative Variante dazu ist das Dampfexplosionsverfahren nach Mason. Bei diesem Verfahren wird das Ausgangsmaterial nach Behandlung mit Dampf und Druck schnell entspannt und aufgrund des Berstdruckes werden die Fasern voneinander getrennt.
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Nach der Zerfaserung lassen sich die Fasern im Nass-, Trocken- und Halbtrockenverfahren zu Werkstoffen verarbeiten. Beim Trockenverfahren werden die Fasern auf eine Restfeuchte unter 25 Gew.-% (bezogen auf otro Fasermasse) getrocknet. Bei dem Halbtrockenverfahren beträgt die Restfeuchte 20 bis 35 Gew.-% und beim Nassverfahren bis zu 120%. Zur Erzielung der gewünschten Werkstoffeigenschaften können den Fasern vor und/oder nach der Trocknung synthetischen oder natürlichen Bindemittel, thermoplastische Bindefasern, faseraktivierende Enzyme und/oder andere Additive zugesetzt werden. Der Faserstoff wird zu Vliesen verarbeitet und unter Einfluss von Wärme und Druck verpresst. Bei der Herstellung von Dämmplatten erfolgte lediglich eine Kalibrierung der Vliese und eine Durchströmung mit Dampf oder Heißluft. Der gewonnene Faserstoff kann auch als füllende oder verstärkende Komponente zur Herstellung von Wood Polymer Composites (WPC) oder Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) mit Matrixmaterialien auf Thermoplast-, Duroplast- oder Biopolymerbasis eingesetzt werden.
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Die Dichte der hergestellten Werkstoffe kann im Bereich von 100 bis 1.200 kg/m3 liegen, bei MDF vorzugsweise im Bereich von 700 bis 900 kg/m3 und bei Dämmplatten im Bereich von 50 bis 450 kg/m3.
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Die Werkstoffe können vielfältig in der Möbel- und Bauindustrie, im Verpackungsbereich und im Automobilbau eingesetzt werden.
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Die Werkstoffe, insbesondere MDF hergestellt aus Faserstoffen die durch eine Kombination von Elektronenbestrahlung der Hackschnitzel mit einer anschließenden thermomechanischen Zerfaserung gewonnen wurden besitzen gegenüber Werkstoffen hergestellt nach konventioneller Verfahrensweise deutlich bessere Biege-, und Querzugfestigkeiten und eine verringerte Dickenquellung und Wasseraufnahme. Das führt zu Einsparungen an Produktionskosten und einer verbesserten ökologischen Bilanz.
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Es ist überraschend und nicht naheliegend, dass eine Behandlung von lignocellulosen Partikel mit energiereicher Strahlung in Kombination mit einer nachfolgenden Mahlung, nicht zu einer Verschlechterung der Eigenschaften von aus dem Faserstoff hergestellten Faserwerkstoffen führt, sondern das sowohl eine Mahlenergieeinsparung als auch eine signifikante Verbesserung der Festigkeitseigenschaften und eine positive Verringerung von Dickenquellung und Wasseraufnahme der Werkstoffe erreicht werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen erläutert.
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Beispiel 1:
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Holzhackschnitzel aus Fichtenholz (WA 46 m%) werden mittels einer Elektronenstrahlenquelle von 10 MeV mit einer Energiedosis von 30 KGy bestrahlt. Anschließend werden die Hackschnitzel bei 140°C 5 min vorgedämpft und in einem Defibrator mit einem Mahlspalt von 0,3 mm zerfasert. Zur Gewinnung eines Vergleichs- bzw. Referenzwertes werden Hackschnitzel ohne vorherige Bestrahlung zerfasert.
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Der gewonnene Faserstoff wird in einem Luftstromtrockner auf eine Feuchte von 4% getrocknet, mit 4% PMDI beleimt, zu einem Vlies gestreut und bei 180°C zu 5 mm dicken MDF mit einer Rohdichte von 800 kg/m3 verpresst.
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Die Eigenschaften der hergestellten MDF sind in folgender Tabelle aufgeführt.
| Meßgröße | Variante 1:
aus bestrahlten Hackschnitzeln | Variante 2:
Kontrolle unbestrahlt |
| Mahlenergiebedarf (kWh/t) | 262,8 | 388,7 |
| Dicke (mm) | 5,1 | 5,1 |
| Dichte (kg/m3) | 800 | 800 |
| Biegefestigkeit (N/mm2) | 46,01 | 38,49 |
| Querzugfestigkeit (N/mm2) | 1,86 | 1,62 |
| 24 h Quellung (%) | 22,69 | 24,48 |
| 24 h Wasseraufnahme (%) | 26,74 | 33,15 |
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Es kann eine deutliche Reduzierung des Mahlenergieverbrauchs durch eine Hackschnitzelbestrahlung erreicht werden. Sowohl die Festigkeits- als auch die Quelleigenschaften zeigen deutliche Verbesserungen aufgrund einer Bestrahlung der Hackschnitzel mit Elektronenstrahlung.
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Beispiel 2:
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Wie in Beispiel 1 werden Holzhackschnitzel bestrahlt bzw. ohne Bestrahlung als Kontrolle eingesetzt. Anschließend werden die Hackschnitzel bei einer erhöhten Temperatur von 155°C 5 min vorgedämpft und in einem Defibrator mit einem Mahlspalt von 0,3 mm zerfasert.
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Der gewonnene Faserstoff wurde wie in Bsp. 1 zu Werkstoffen weiterverarbeitet.
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Die Eigenschaften der hergestellten MDF sind in folgender Tabelle aufgeführt.
| Meßgröße | Variante 3:
aus bestrahlten Hackschnitzeln | Variante 4:
Kontrolle unbestrahlt |
| Mahlenergiebedarf (kWh/t) | 133 | 187 |
| Dicke (mm) | 5,0 | 5,0 |
| Dichte (kg/m3) | 800 | 800 |
| Biegefestigkeit (N/mm2) | 55,1 | 44,78 |
| Querzugfestigkeit (N/mm2) | 1,57 | 1,25 |
| 24 h Quellung (%) | 19,56 | 21,26 |
| 24 h Wasseraufnahme (%) | 26,89 | 33,25 |
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Auch bei erhöhten Zerfaserungstemperaturen wird eine deutliche Reduzierung des Mahlenergiebedarfs durch eine Hackschnitzelbestrahlung erreicht. Sowohl die Festigkeits- als auch die Quelleigenschaften zeigen auch hier deutliche Verbesserungen.