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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Dickenquellung und Wasseraufnahme von Faserplatten, insbesondere von mitteldichten Faserplatten (MDF) durch Mitaufschluss von Wood-Plastic-Composites (WPC).
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Unter WPC versteht man Verbundwerkstoffe von Lignocellulosen wie Holzfasern, Holzmehl und Holzspäne und Thermoplasten wie Polyethylen und Polypropylen oder Gemische hiervon. Auch andere Thermoplaste wie Polystyrol und Polyvinylchlorid kommen für die Herstellung von WPC in Betracht. Die Bindung zwischen den Thermoplasten und den Lignocellulosen wird durch sogenannte Haftvermittler wie Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid oder Melamin zustande gebracht. Der Haftvermittler erhöht die Kompatibilität zwischen den hydrophilen Lignocellulosen und den hydrophoben Thermoplasten wie Polyethylen und Polypropylen. WPC werden auch als Holzpolymerwerkstoffe bezeichnet (CEN-TS 15534-1). Der Anteil an Lignocellulosen in WPC kann erheblich variieren, er liegt meistens zwischen 50% und 70%. Insofern enthalten WPC zwischen 30% und 50% Thermoplaste wie Polypropylen und Polyethylen. Die Teilchengröße der verwendeten Lignocellulosen liegt meist zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. Lignocellulosen im Sinne der Erfindung können Holzzerkleinerungsprodukte, Recyclingspäne, Recyclingfasern und daraus hergestellte Span- und/oder Fasermehle sein. Als Recycling-Lignocellulosen können ferner Altpapiere wie Zeitungsdruckpapiere oder daraus hergestellte Stoffe wie Deinkingpulps (DIP) in Frage kommen.
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Für die Herstellung von MDF werden als Rohstoffe überwiegend Nadelhölzer, insbesondere Fichten- und Kiefernholz eingesetzt. Auch Einjahrespflanzen wie Stroh und Bagasse können für die Herstellung von MDF verwendet werden. Nach dem jetzigen Stand der Technik wird der Faserstoff für die MDF-Herstellung nach dem thermo-mechanischen Holzaufschlussverfahren (TMP-Verfahren) hergestellt. Dabei werden die Holzhackschnitzel oder andere lignocellulosische Zerkleinerungsprodukte zuerst gewaschen, um eventuell vorhandene Sandpartikel zu entfernen. Nach dem Waschen werden die Hackschnitzel in einem Vorwärmer in der Regel bei Temperaturen von 60...80°C für etwa 15 min vorgedämpft, um eventuell vorhandene Feuchteunterschiede zwischen den Hackschnitzeln zu egalisieren. Anschließend gelangen die vorgedämpften Hackschnitzel über eine Schneckenförderung, die auch der Entfernung des überschüssigen Wassers dient, in den Kocher, wo sie üblicherweise unter Druck und Temperatur thermohydrolytisch aufgeschlossen werden. Nach dem Aufschluss gelangen die Hackschnitzel in einen Druckrefiner, wo sie ebenfalls unter Druck bei Temperaturen von ebenfalls 160...180°C zerfasert werden. Insofern erfolgt die Herstellung der Fasern aus den Lignocellulosen durch thermo-mechanischen Aufschluss (TMP). Bei Verwendung von Lignocellulosen wie Recyclingpapier und/oder daraus hergestellten DIP kann auf die Aufschlussstufe und/oder Zerfaserungsstufe verzichtet werden, wenn diese Stoffe bereits zerfasert vorliegen. Der Aufschluss der Lignocellulosen bzw. Hackschnitzel kann auch nach dem CTMP-Verfahren erfolgen (
EP 0639434 B1 ). Hier werden die Hackschnitzel mit Chemikalien wie Natriumsulfit (Na
2SO
3) und/oder Natriumhydroxid (NaOH) aufgeschlossen, ehe sie im Refiner zerfasert werden. Nach der Zerfaserung werden die Fasern durch den im Refiner herrschenden Druck in eine Glasleitung (Blowline) befördert, in der sie üblicherweise mit einem Bindemittel oder mehreren Bindemitteln (
DE-OS 2006 054 1219 ) versehen werden (Blowline-Beleimung). Die Beleimung der Fasern mit einem oder mehreren Bindemitteln kann auch nach der Fasertrocknung erfolgen (Blender-Beleimung). Bekannt ist ferner eine Mischbeleimung (teils in der Blowline und teils im Blender). Auch eine doppelte Beleimung in der Blowline mit zwei unterschiedlichen Bindemitteln ist ebenfalls beschrieben worden (
DE-OS 102007054 123-A1 ). Nach der Beleimung werden die beleimten Fasern zu Matten geformt und in einer Heißpresse zu Faserplatten gepresst. Die unterschiedlichen Beleimungstechnologien haben Vor- und Nachteile. Bei der Anwendung der weit verbreiteten, energiesparenden Blowline-Technologie muss üblicherweise mit relativ hohen Bindemittelanteilen gearbeitet werden, da meist eine Teilvoraushärtung des Bindemittels in der Blowline stattfindet, die sich u. a. auf die Effizienz der Verleimung negativ auswirkt.
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Bei der Herstellung von Faserplatten nach dem Nassverfahren werden die Fasern nach dem Aufschluss, ohne vorher beleimt zu werden, entwässert und anschließend meist mit Phenolformaldehydharzen, die mit Hilfe von Schwefelsäure oder Aluminiumsulfat auf die Fasern ausgeflockt werden, beleimt. Die aus den Fasern hergestellten Fasermatten werden darauffolgend zu Faserplatten gepresst. Hartfaserplatten können auch ohne Zugabe von Bindemitteln hergestellt werden. Eine Ausführliche Abhandlung über die Herstellung von Hartfaserplatten hat Lemperts (1966) (Faserplatten, Rohstoffe, Herstellungsverfahren, Eigenschaften. VEB-Fachbuchverlag, Leipzig) veröffentlicht.
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Die nach dem Nassverfahren hergestellten Faserplatten können unterschiedliche Rohdichten aufweisen. Die MDF-Technologie (Trockenverfahren) eignet sich auch für die Herstellung von Platten unterschiedlicher Dichte und Dicke, die sich verschiedene Marktsegmente erschlossen haben. Aus Gründen der Vermarktung haben sich für MDF folgende rohdichtebezogene Bezeichnungen eingebürgert (vgl. EN 316):
- • Ultraleicht-MDF: MDF mit einer Rohdichte zwischen 450...550 kg/m3,
- • Leicht-MDF: MDF mit einer Rohdichte zwischen > 550...650 kg/m3,
- • MDF: > 650...< 800 kg/m3,
- • HDF: ≥ 800 kg/m3.
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Auch die Herstellung von Faserplatten nach dem Trockenverfahren mit niedrigerer Rohdichte als 450 kg/m3 ist ebenfalls möglich. Heutzutage werden Faserplatten mit Rohdichten von weniger als 200 kg/m3 industriell hergestellt.
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Als Bindemittel für die Herstellung von mitteldichten (MDF) und hochdichten Faserplatten (HDF) werden in Deutschland fast ausschließlich säurehärtende Harnstoff-Formaldehydharze (UF-Harze) und teilweise mit Melamin modifizierte Harnstoff-Formaldehydharze (MUF-Harze) eingesetzt. Darüber hinaus werden für die MDF-Herstellung geringe Mengen an Klebstoffen auf Basis von Diisocyanaten (PMDI) und Tanninformaldehydharze (TF-Harze) verwendet. Alkalisch härtende Phenolformaldehydharze (PF-Harze) können auch hierfür eingesetzt werden. Die feuchtebeständig verleimten Platten werden hauptsächlich für den Innenbereich des Bauwesens angeboten. Hierzu gehören insbesondere Trägerplatten für Laminatfußböden. Für den Außenbereich des Bauwesens sind bislang in Deutschland nur leichte, mit PMDI als Klebstoff hergestellte Fassadenplatten („Leicht-MDF” (L-MDF)) bekannt geworden, die bauaufsichtlich zugelassen sind. Je nach Plattentyp werden 10...20% Klebstoff (Festharz bezogen auf absolut trockenen (atro) Faserstoff) eingesetzt.
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Neben den Bindemitteln werden auch Hydrophobierungsmittel für die Plattenherstellung eingesetzt. Es handelt sich hierbei meist um Kohlenwasserstoffe, insbesondere Paraffine, die bei der Erdölraffination gewonnen werden oder um sogenannte Fischer-Tropsch-Wachse (FT-Wachse), die ein besonders ausgeprägtes Hydrophobierungsvermögen aufweisen. Die Hydrophobierungsmittel verlangsamen die Dickenquellung und Wasseraufnahme der hergestellten MDF und werden je nach Plattentyp in Mengen von im Durchschnitt 0,3% bis 2% eingesetzt. Die FT-Wachse können mit den Paraffinwachsen auf Erdölbasis kombiniert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Dickenquellung und Wasseraufnahme der Faserplatten zu vermindern, ohne die Menge an Hydrophobierungsmittel in den Platten zu erhöhen. Es wurde überraschend festgestellt, dass die Beimischung von WPC oder ihrer Zerkleinerungsprodukte vor dem Aufschluss der Lignocellulosen zu Fasern die Dickenquellung und die Wasseraufnahme der aus den Fasern hergestellten MDF oder Hartfaserplatten erheblich erniedrigt. Auch das Sorptionsvermögen der hergestellten MDF wird hierdurch deutlich verringert. Die Mengen an WPC, die dem Holz beigemengt werden, können von etwa 1% bis 40% betragen, vorteilhafterweise zwischen 2–20%, wobei die zuzugebende Menge von verschiedenen Einflussfaktoren wie Holzart, Aufschlussbedingungen sowie dem gewünschten Hydrophobierungsgrad der hergestellten Faserplatten abhängt. Selbstverständlich können Produktionsabfälle der Herstellung von Wood Plastic Composites für diesen Zweck herangezogen werden. Solche Produktionsabfälle oder Produktionsnebenprodukte können beim Sägen, Hobeln oder Abbürsten der hergestellten Wood Plastic Composites zwangsläufig anfallen. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass es auch möglich ist, die WPC-Späne mit unpolaren Lösungsmitteln wie Toluol zu extrahieren und den Extrakt bei der Herstellung von MDF als Hydrophobierungsmittel zu verwenden. Die Extraktion ist jedoch ein aufwändiger Prozess und mit erheblichen Kosten verbunden. Es ist ferner möglich, bei der Herstellung von MDF nicht nur WPC bzw. Rückstände der WPC-Herstellung einzusetzen, sondern auch eine Mischung von WPC-Rückständen und handelsüblichen Paraffinen aus der Erdölraffination oder synthetische FT-Wachse einzusetzen. Es hat sich hier interessanterweise herausgestellt, dass die den WPC-Rückständen beigemengten Paraffine einen erheblichen Anteil an Ol haben können. Zu dieser Kategorie gehören die sogenannten „Fonts oils”, die bei der Entölung von sogenannten „Slack waxes” oder direkt bei dem Prozess der Erdölraffination anfallen. Auch synthetische FT-Wachse, „Fischer-Tropsch-Waxes”, können hierfür Verwendung finden. Auch Mischungen aus diesen Wachsen können gemeinsam mit WPC-Rückständen der Produktion verwendet werden. Im Allgemeinen können die Paraffine den WPC und/oder WPC-Rückständen als Feststoff und/oder in Form von Wachsemulsionen, die anionisch, kationisch und/oder nicht ionogen stabilisiert sind, zugegeben werden.
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Die Hydrophobierungswirkung der WPC-Rückstände entfaltet sich bei der Verwendung von natürlichen und synthetischen Bindemitteln. Zu den natürlichen Bindemitteln gehören die Tanninformaldehydharze (TF-Harze), die Lignine, die beim chemischen Holzaufschluss anfallen, sowie die Proteinharze, die pflanzlichen und tierischen Ursprung haben können. Auch Gemische dieser Klebstoffe untereinander können hierfür Verwendung finden. Als synthetische Harze sind die Klebstoffe auf Basis von polymeren Diisocyanaten (PMDI), Phenolformaldehydharze (PF-Harze), Harnstoffformaldehydharze (UF-Harze) und Melamin-Harnstoffformaldehydharze (MUF-Harze) einsetzbar. Auch Polyacrylharze können hierfür Verwendung finden. Die Beleimung der Fasern kann nach dem Blowline-Verfahren oder nach dem Blender-Verfahren erfolgen, auch ist es möglich, die Fasern teilweise im Blowline- und nach dem Trocknen teilweise nach dem Blender-Verfahren zu beleimen, ehe sie zu Matten gestreut werden und zu mitteldichten Faserplatten heißgepresst werden. Die Zugabe von mehreren Bindemitteln in der Blowline im Zuge einer Doppelbeleimung (
DE-OS 102007054123-A1 ) ist ebenfalls möglich.
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Das folgende Beispiel soll die Erfindung erläutern, ohne sie einzuschränken. In einem Versuch wurden Kiefernhackschnitzel nach dem thermo-mechanischen Verfahren aufgeschlossen. Der Aufschluss erfolgte bei 170°C für 5 Minuten. Nach dem Aufschluss wurden die erkochten Hackschnitzel in einem Refiner zerfasert. Die auf diese Weise hergestellten Fasern wurden anschließend im Blowline-Verfahren mit einem Harnstoffformaldehydharz (UF-Harz) in Mengen von 10% (Feststoff bezogen auf atro Fasermaterial) beleimt, anschließend getrocknet. Die beleimten Fasern sind zu Matten gestreut und anschließend zu 16 mm dicken MDF bei 220°C für 12 s/mm heißgepresst worden. Die hergestellten Platten (MDF) wurden auf ihre Dickenquellung und Wasseraufnahme nach den einschlägigen Normen geprüft. In einem zweiten Versuch wurden die im ersten Versuch verwendeten Hackschnitzel zu 15% durch WPC-Rückstände ersetzt. Anschließend wurde die Mischung aus Kiefernhackschnitzel (85%) und WPC (15%) thermo-mechanisch aufgeschlossen, zu Fasern im Refiner zerfasert, in der Blowline mit UF-Harz in Mengen von 10% (Feststoff bezogen auf atro Fasermaterial) beleimt und die hergestellten Fasern zu Matten gestreut und anschließend zu 16 mm dicken MDF bei 220°C für 12 s/mm heißgepresst. Die hergestellten MDF wurden ebenfalls auf ihre Dickenquellung und Wasseraufnahme nach den einschlägigen Normen geprüft. Die Ergebnisse sind in dargestellt. Daraus wird deutlich, dass der Ersatz der Kiefernhackschnitzel zu 15% durch WPC-Rückstände die Dickenquellung der hergestellten Platten erheblich vermindert. Auch die Wasseraufnahme der hergestellten Platten wurde entsprechend verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0639434 B1 [0003]
- DE 20060541219 [0003]
- DE 102007054 123 A1 [0003]
- DE 102007054123- A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Lemperts (1966) (Faserplatten, Rohstoffe, Herstellungsverfahren, Eigenschaften. VEB-Fachbuchverlag, Leipzig) [0004]
