DE102010043787A1 - Bindemittel für Holzwerkstoffe - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bindemittel für Holzwerkstoffe, ein Verfahren zur Herstellung von Holzwerkstoffen unter Verwendung des Bindemittels, sowie Holzwerkstoffe, die das durch Behandlung bei erhöhter Temperatur vernetzte Bindemittel enthalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bindemittel für Holzwerkstoffe, ein Verfahren zur Herstellung von Holzwerkstoffen unter Verwendung des Bindemittels, sowie Holzwerkstoffe, die das durch Behandlung bei erhöhter Temperatur vernetzte Bindemittel enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Bindemittels zeichnet sich dadurch aus, dass es in seiner Zusammensetzung als einen Bestandteil einen Hydroxylgruppen-haltigen und/oder Amidgruppen-haltigen Naturstoff, z. B. Protein enthält, beispielsweise ein Protein pflanzlichen Ursprungs, insbesondere Weizenprotein, in wässriger Lösung oder Suspension und in Kombination mit einem Vernetzungsmittel und mit einem katalytischen Bestandteil. In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Bindemittel ein aminofunktionelles Silan auf, und in einer anderen Ausführungsform besteht das Bindemittel aus einem Hydroxylgruppen-haltigen und/oder Amidgruppenhaltigen Naturstoff, dem Vernetzungsmittel und einem Katalysator als reaktiven bzw. vernetzbaren Bestandteilen, sodass es kein Silan enthält.
  • Besonders bevorzugt ist die Zusammensetzung halogenfrei, insbesondere chloridfrei, und ist eine wässrige Zusammensetzung, die frei von organischen Lösungsmitteln ist, insbesondere frei von flüchtigen organischen Lösungsmitteln, z. B. alkoholfrei, um die Freisetzung von VOC während des Pressens und Vernetzens bei erhöhter Temperatur zu vermeiden.
  • Stand der Technik
  • Die WO 2007/023008 beschreibt ein Bindemittel für Holzpartikel, das wenigstens ein Aminoalkylsilan enthält, sowie ein organisches Harz, insbesondere ein Formaldehyd-Harz oder Phenylmethandiisocyanat-Harz (PMDI-Harz) und/oder ein Protein, Lignin, Tannin oder Tomatenpülpe.
  • Militz und Hill beschreiben im Tagungsband zur zweiten europäischen Konferenz zur Holzmodifikation „Wood Modification: Processes, Properties and Commercialisation” (Oktober 2005) die Behandlung von Furnierholz mit DMDHEU oder mit methyliertem DMDHEU mit 5% Magnesiumchlorid, die bei 140°C auf dem Holz ausgehärtet wurde. Bei der Herstellung von Schichtholz wurde ein heißschmelzendes Phenol-Formaldehyd-Harz als Kleber eingesetzt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein alternatives Bindemittel bereitzustellen, das bei der Vernetzung bei erhöhten Temperaturen im Wesentlichen keine organischen Lösungsmittel (VOC) freisetzt, einem Holzwerkstoff eine hohe Festigkeit verleiht und insbesondere gegen Feuchtigkeit stabil ist, sowie vorzugsweise keinen oder einen geringen Gehalt an Silan aufweist.
  • Allgemeine Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche, insbesondere mit einem Bindemittel das aufweist oder besteht aus
    einem Hydroxylgruppen-haltigen und/oder Amidgruppen-haltigen Naturstoff, insbesondere Protein,
    bezogen auf den Naturstoff 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 40 Gew.-% DMDHEU und/oder mDMDHEU,
    optional und bevorzugt Mg2 +, insbesondere bezogen auf den Naturstoff zu 0,5 bis 3 Gew.-%, bevorzugt 0,8 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere als chloridfreies Salz, sowie optional Aminoalkylsilan, bezogen auf den Naturstoff zu 0 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 10 Gew.-%, in einer flüssigen Zusammensetzung, vorzugsweise in einer wässrigen Zusammensetzung, die besonders bevorzugt im Wesentlichen kein organisches Lösungsmittel enthält.
  • Generell enthalten erfindungsgemäße Zusammensetzungen Magnesiumionen. Denn ein Gehalt an Magnesiumionen bewirkt vorteilhaft eine Wasserbeständigkeit der vernetzten Bindemittelzusammensetzung, wenn deren weitere reaktive Bestandteile aus Hydroxylgruppen-haltigem und/oder Amidgruppen-haltigem Naturstoff, der vorzugsweise Protein ist, und DMDHEU (1,3-Dimethylol-4,5-dihydroxyethylenharnstoff) und/oder mDMDHEU (d. h. mDMDHEU bedeutet modifiziertes DMDHEU gemäß 1,3-Dimethoxmethyl-4,5-dimethoxy-2-imidazolidinon, 1,3-Dimethoxmethyl-4-methoxy-5-hydroxy-2-imidazolidinon, 1-Methoxymethyl-3-hydroxymethyl-4,5-dimethoxy-2-imidazolidinon, 1,3-Dihydroxymethyl-4,5-dimethoxy-2-imidazolidinon, 1-Methoxymethyl-3-hydroxymethyl-4-methoxy-5-hydroxy-2-imidazolidinon, 1-Hydroxymethyl-3-methoxymethyl-4-methoxy-5-hydroxy-2-imidazolidinon, 1,3-Dimethoxymethyl-4,5-dihydroxy-2-imidazolidinon, 1-Hydroxymethyl-3-methoxymethyl-4,5-dihydroxy-2-imidazolidinon bzw. 1,3-Dihydroxymethyl-4-methoxy-5-hydroxy-2-imidazolidinon) bestehen. Weiterhin hat sich gezeigt, dass ein Gehalt an Magnesiumionen auch einer vernetzten Bindemittelzusammensetzung eine verbesserte Wasserfestigkeit verleiht, wenn diese Aminoalkylsilan enthält, insbesondere aus Hydroxylgruppen-haltigen und/oder Amidgruppen-haltigen Naturstoff, der vorzugsweise Protein ist, Aminoalkylsilan, DMDHEU und/oder mDMDHEU und Magnesiumionen als reaktiven Bestandteilen besteht.
  • Ein bevorzugtes Aminoalkylsilan hat die Formel R1R2N(CHR4)aSi(R)r(OR)3-r, wobei R, R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander eine lineare oder verzweigte C1- bis C20-Alkylgruppe oder Arylgruppe ist, insbesondere eine C1- bis C8-Alkylgruppe, Methyl oder Ethyl, oder Wasserstoff ist, und wobei a eine ganze Zahl von 1 bis 10, vorzugsweise 3 ist und r gleich 0, 1 oder 2 ist. Besonders bevorzugt sind wässrige 3-Aminopropylsilanhydrolysate. Es können auch wässrige Aminosilancokondensate, wie sie in EP0716127 (Beispiele 1–8), EP0716128 (Beispiele 1–4), EP0953591 (Beispiel 1), EP1031593 (Beispiele 1–5), EP0675128 (Beispiele 1 u. 2) oder auch Aminosilancokondensate, wie sie in EP0997469 (Beispiele 1 u. 2) beschrieben sind, eingesetzt werden.
  • Das Protein der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist vorzugsweise Weizenprotein, das beispielsweise eine wässrige Lösung oder Suspension mit einem Trockensubstanzgehalt an Protein von 20 bis 60 Gew.-%, bevorzugt ≥ 25 bis 55 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 50 Gew.-%, sowie alle dazwischen liegenden Zahlenwerte, u. a. 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, – um nur einige zu nennen.
  • Die erfindungsgemäße Bindemittelzusammensetzung hat den Vorteil, dass damit gebundene Holzpartikel dauerhaft mit einer geringen Menge Bindemittel gebunden werden können, insbesondere mit einer Wasserbeständigkeit des vernetzten Bindemittels gebunden werden. Dabei weist das Bindemittel in der einen Ausführungsform den Vorteil auf, dass diese keinen Gehalt an Silanen aufweist, und so ein lösungsmittelfreies, insbesondere formaldehydfreies Bindemittel ohne den Einsatz teurer Silane bereitgestellt wird, während in der anderen Ausführungsform das erfindungsgemäße Bindemittel dem damit hergestellten Holzwerkstoff die Vorteile der Aminoalkylsilane vermittelt, insbesondere in gebundenen Holzpartikeln eine hohe Wasserbeständigkeit des Verbunds verleiht, wobei ein verhältnismäßig geringer Anteil an Silanen in dem Bindemittel dieser Ausführungsform enthalten ist.
  • Daher haben die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bindemittels den Vorteil, eine einem Holzwerkstoff eine dauerhafte Bindung zu verleihen, die insbesondere wasserfest ist, und aus kostengünstigen Bestandteilen zu bestehen, insbesondere keinen oder einen relativ geringen Anteil an Aminoalkylsilan, Aminoalkylsilancokondensaten oder deren wässrigen Hydrolysaten aufzuweisen.
  • Generell kann das erfindungsgemäße Bindemittel eine lösungsmittelfreie Zusammensetzung, insbesondere eine wässrige Zusammensetzung sein. Dabei hat das Bindemittel in den Ausführungsformen ohne und mit Aminoalkylsilan den Vorteil, in wässriger Zusammensetzung lagerstabil zu sein.
  • Generell kann das erfindungsgemäße Bindemittel in den in der entsprechenden Industrie üblichen Verhältnissen von 3% bis 30%, bezogen auf das Cellulose oder Lignocellulose Material, wie Holzspäne oder Holzfasern, z. B. für Pressspanplatten, mitteldichte oder hochdichte Faserplatten (MDF, HDF) oder OSB eingesetzt werden, wodurch sich in der silanhaltigen Ausführungsform ein verhältnismäßig geringer Einsatz von Silan ergibt.
  • Generell eignen sich die Bindemittel zur Herstellung von Holzwerkstoffen, insbesondere Holzfaserplatten, Spanplatten einschließlich OSB, bei der Holzfasern und/oder Späne mit Bindemittel beleimt werden, zu einer Fasermatte angeordnet bzw. gestreut und thermisch verpresst werden. Dabei können die mit einem Bindemittel beleimten Holzfasern oder -späne mit kontinuierlich arbeitenden Walzenpressen oder satzweise arbeitenden Plattenpressen behandelt werden, wobei die Presswerkzeuge Temperaturen von zumindest 200°C aufweisen können. Das erfindungsgemäße Bindemittel ist zur Aushärtung bei den Temperaturen geeignet, die in der Praxis abhängig von der Pressdauer innerhalb der Platte maximal erreicht werden, z. B. zur Aushärtung bzw. Vernetzung bei zumindest 140 bis 150°C.
  • Bei der Herstellung von Holzspanplatten aus Holzspänen, die mit den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, insbesondere gemäß den Beispielen beleimt waren, durch kontinuierliches Pressen mittels Walzen bei einer Verweilzeit, die zum Erreichen von 150°C im Innern der Platte ausreichend waren, hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Bindemittelzusammensetzungen den Spanplatten hohe Festigkeit, eine gute Dauerhaltbarkeit und Wasserfestigkeit gaben.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen beschrieben. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen von Vergleichsbeispielen und Tabelle 2 die Zusammensetzungen erfindungsgemäßer Beispiele.
  • In Entsprechung zu der Eigenschaft des Bindemittels, bei den minimal beim Pressen von Holzwerkstoffen erreichten Temperaturen auszuhärten, wird das Bindemittel in den Beispielen auf eine Glasplatte zu einer Schichtdicke von 24 μm aufgerakelt, zunächst bei Raumtemperatur trocknen gelassen und anschließend während 10 min bei 150°C in einem Ofen behandelt, um die Vernetzung der Zusammensetzung zu erreichen.
  • Unmittelbar nach der Abkühlung auf Raumtemperatur wurde der Trockengrad nach DIN 53150 bestimmt. Anschließend wurde jede beschichtete Glasplatte ca. eine Woche in einem Klimaschrank bei 25% relativer Luftfeuchte und 20°C konditioniert. Anschließend wurde der Trockengrad gemäß DIN 53150 erneut als Trockengrad nach Lagerung bestimmt. Danach wurde erneut konditioniert, nämlich bei 20°C und 95% relativer Luftfeuchtigkeit und anschließend der Trockengrad erneut gemäß der genannten DIN bestimmt, um die Wasserfestigkeit zu bestimmen. Tabelle 1: Vergleichsbeispiele Bindemittelzusammensetzungen
    Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2 Vergleichsbeispiel 3 Vergleichsbeispiel 4
    Protein 51 Gew.-% 8,61 g (16,89 g, 51 Gew.-%) 7,49 g (14,68 g, 51 Gew.-%) 8,62 g (16,90 g, 51 Gew.-%)
    DMDHEU 0 0 0 0
    Aminoalkylsilan (in g der Aminoalkylsilanlösung) 0 7 Gew.-% (3,10 g) 12 Gew.-% (3,10 g) 7 Gew.-%
    Mg2+ 0 0 0 0,8 Gew.-%
    1. Trockengrad 5 7 7 7
    Trockengrad nach Lagerung < 2 4 7 (konstant über weitere 4 Tage) 5
    Wasserfestigkeit Nein Nein feucht, klebrig, trübe, nicht abwischbar
    Tabelle 2: Erfindungsgemäße Bindemittelzusammensetzungen
    Beispiel 5 Beispiel 6 Beispiel 7 Beispiel 8
    Protein 7,18 g (14,08 g, 51 Gew.-%) 7,14 g (14,00 g, 51 Gew.-%) 7,15 g (14,03 g, 51 Gew.-%) 7,60 g (14,91 g, 51 Gew.-%)
    DMDHEU 39 Gew.-% (6,07 g, 75 Gew.-%) 38 Gew.-% (5,99 g, 75 Gew.-%) 39 Gew.-% 16 Gew.-%
    Mg2+ 0 1,2 Gew.-% 0,8 Gew.-% 0
    Aminoalkylsilan 0 0 0 7 Gew.-%
    1. Trockengrad 7 7 7 7
    Trockengrad nach Lagerung 6 7, stabil auch nach 8 Tagen Lagerung 20°C, 25% rel. Feuchte 5, rissig, abkratzbar, Trocknungs-grad 6, nach wiederholter Lagerung bei 20°C, 25% rel. Feuchte 7, stabil auch nach 8 Tagen oder längerer Lagerung bei 20°C, 25% rel. Feuchte
    Wasserfestigkeit abwischbar, rissig Ja ja ja
  • Die relativen Angaben in Gew.-%, z. B. für DMDHEU, Mg2+ und Aminoalkylsilan, sind als Trockensubstanz angegeben, ggf. zusätzlich als Masse der eingesetzten wässrigen Lösung, und beziehen sich auf den Feststoffgehalt der Zusammensetzung an Protein.
  • Die Proteinsuspension enthielt Weizenprotein mit einem Feststoffgehalt 51%, erhältlich als dunkelbraune wässrige Suspension.
  • Als wässrige Aminoalkylsilanlösung wurde Dynasylan® Hydrosil 1151 (erhältlich von Evonik) mit einem Feststoffgehalt von rd. 20% verwendet. Für die Zusammensetzungen, die Mg2+ und Aminoalkylsilan enthalten, wurde zunächst MgCl2 in der wässrigen Aminoalkylsilanlösung gelöst und als Mischung zugegeben.
  • Als Mg2 + wurde MgCl2 zugegeben. Alternativ hat Mg2+ die Form eines chloridfreien Magnesiumsalzes, z. B. aus der Gruppe, die Magnesiumsulfat, -phosphat oder ein organisches Magnesiumsalz enthält, z. B. Magnesiumcitrat.
  • DMDHEU wurde als wässrige Lösung mit 75% Feststoffgehalt zugegeben.
  • Bei einem Trockengrad von 7 gilt die aus dem Bindemittel gebildete Beschichtung als ausgehärtet. Geringere Trockengrade zeigen Klebrigkeit der Schicht an und deuten auf eine nicht ausreichende Vernetzung hin. Ein Absinken des Trockengrades bei Konditionierung deutet auf das Aufquellen der Schicht durch Aufnahme von Luftfeuchtigkeit hin und wird als Indiz für eine nicht ausreichende Wasserfestigkeit der vernetzten Zusammensetzung angesehen. Eine ausreichend hohe Vernetzung von Wasserfestigkeit wird angenommen, wenn der erste Trockengrad, der unmittelbar nach der Vernetzung gemessen wird, als auch der Trockengrad nach der Lagerung bei 25% relativer Luftfeuchtigkeit und der Trockengrad nach anschließender Lagerung bei 95% relativer Luftfeuchtigkeit, der als Grad für die Wasserfestigkeit angesehen wird, einen Wert von 7 erreicht.
  • Der 1. Trockengrad wurde nach Auftragen der Zusammensetzung auf eine Glasplatte (Floatglas) mittels 24 μm Rakel und Erwärmen auf 150°C im Trockenschrank gemäß DIN 53 150 bestimmt, bei der eine höhere Zahl einen besseren Trockengrad bezeichnet.
  • Der Trockengrad nach Lagerung wurde nach Lagerung für 4 Tage bei 20°C in einer Atmosphäre mit 25% rel. Luftfeuchtigkeit gemäß DIN 53 150 bestimmt.
  • Zur Bestimmung der Wasserfestigkeit wurden die beschichteten Glasplatten zusätzlich zur Lagerung für 4 Tage bei 20°C in einer Atmosphäre mit 25% rel. Feuchtigkeit über 24 h bei 25°C in 95% rel. Luftfeuchtigkeit gelagert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2007/023008 [0004]
    • EP 0716127 [0009]
    • EP 0716128 [0009]
    • EP 0953591 [0009]
    • EP 1031593 [0009]
    • EP 0675128 [0009]
    • EP 0997469 [0009]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 53150 [0019]
    • DIN 53150 [0019]
    • DIN 53 150 [0026]
    • DIN 53 150 [0027]

Claims (10)

  1. Bindemittel für Holzwerkstoff mit einem Gehalt an zumindest einem Hydroxylgruppen-haltigen und/oder Amidgruppen-haltigen Naturstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel eine wässrige Zusammensetzung ist, die bezogen auf den Naturstoff einen Gehalt an 10 bis 50 Gew.-%, DMDHEU und/oder mDMDHEU und Magnesiumionen aufweist.
  2. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen vernetzbare Bestandteile aus Hydroxylgruppen-haltigem und/oder Amidgruppen-haltigem Naturstoff, DMDHEU und Magnesiumionen bestehen.
  3. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es, bezogen auf den Naturstoff, bis 20 Gew.-% zumindest eines Aminoalkylsilans enthält.
  4. Bindemittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aminoalkylsilan die Formel R1R2N(CHR4)aSi(R)r(OR)3-r hat, wobei R, R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander eine lineare oder verzweigte C1- bis C20-Alkylgruppe oder Arylgruppe ist, a eine ganze Zahl von 1 bis 10 und r gleich 0, 1 oder 2 ist.
  5. Bindemittel nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dessen vernetzbare Bestandteile aus Hydroxylgruppen-haltigem und/oder Amidgruppen-haltigem Naturstoff, DMDHEU, Aminoalkylsilan und Magnesiumionen bestehen.
  6. Bindemittel nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Zusammensetzung aus Wasser als Lösungsmittel besteht und keine organischen Lösungsmittel enthält.
  7. Bindemittel nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydroxylgruppen-haltige und/oder Amidgruppen-haltige Naturstoff Protein ist, insbesondere Weizenprotein.
  8. Verfahren zur Herstellung von Holzwerkstoffen, gekennzeichnet durch Beleimen von Holzpartikeln mit einem Bindemittel nach einem der voran stehenden Ansprüche und Erwärmen auf eine Temperatur von zumindest 150°C.
  9. Holzwerkstoff, der mittels eines vernetzten Bindemittels verleimt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel eines nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist, das vernetzt ist.
  10. Holzwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel durch Erwärmen auf eine Temperatur von zumindest 140°C vernetzt ist.
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