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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer quellreduzierten Faserplatte sowie nach diesem Verfahren hergestellte Faserplatten.
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Holzwerkstoffe finden beispielsweise im Bauwesen als isolierendes, konstruktives oder verkleidendes Element sowie als Bodenbelag Verwendung.
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Bei der Herstellung von Holzwerkstoffen kann eine hohe stoffliche Verwertung des Holzes sichergestellt werden. So findet neben Waldholz, Restholz aus der Industrie und Gebrauchtholz seinen Einsatz. Holzwerkstoffe werden aus Holzspänen, Holzschnitzeln oder Holzfasern sowie aus Schnittholz oder Furnieren verschiedener Holzarten unter Hinzufügung natürlicher und/oder synthetischer Bindemittel sowie weiterer Additive hergestellt.
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Die Eigenschaften des Holzes werden bekanntermaßen wesentlich durch die Holzfeuchte bestimmt. Bei zunehmender Wasseraufnahme steigt in der Regel die Holzfeuchte, die Festigkeit und Dimensionsstabilität des Holzes sinken und die Anfälligkeit gegenüber holzzerstörenden Mikroorganismen steigt.
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Bei der Herstellung von Holzwerkstoffen tritt die Minimierung der natürlichen Nachteile von Holz in den Vordergrund. Die Beständigkeit von Holz gegenüber Wasser ist durch Quellung und Schwindung bestimmt und kann aufgrund dieser Dimensionsänderung zu Problemen bei der Verarbeitung als auch beim täglichen Gebrauch führen.
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Bei Verwendung im Außenbereich weisen Holzprodukte unter anderem den Nachteil auf, dass durch die Aufnahme von Wasser in die Zellwände eine Quellung des Holzes in alle drei Raumrichtungen erfolgt. Die wiederkehrende Abfolge von Quellung und Schwindung kann bei Massivholz zu Rissbildung sowie bei Holzwerkstoffen wie Span- und Faserplatten zu einer irreversiblen Quellung führen. Die Quellung bei kraftschlüssig verbundenen Holzwerkstoffen, insbesondere bei Bodenbelägen, ist besonders problematisch. Bei Holzwerkstoffen, die senkrecht zueinander verklebte Schichten aufweisen, wird das Holz beim Quellen und Schwinden behindert, so dass Spannungen entstehen können, die zur plastischen Verformungen führen. Durch das Eindringen von Wasser, beispielsweise bei Bodenbelägen, können die kraftschlüssigen Verbindungen zerstört werden, es kann zur Quellung der Schnittkanten kommen. Die vorstehenden Fasern werden dann mechanisch abgerissen, wodurch der Bodenbelag optisch klar erkennbare Schäden aufweist, die zu einem erhöhten und beschleunigten Verschleiß führen. Weiterhin hat dieses Verhalten eine entscheidende Bedeutung bei Baustoffen. Bei Quellung kann neben vermehrter Spannung auch ein erhöhter innerer Quelldruck entstehen, welcher der äußeren mechanischen Last entgegenwirkt und auch einen Einfluss auf die Belastbarkeit der unter Dauerbelastung stehenden Holzkonstruktion hat.
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Holz weist im Allgemeinen als Gerüstsubstanzen hauptsächlich Cellulose, Hemicellulosen und Lignin auf. In den Zellwandpolymeren sind freie Hydroxylgruppen zu finden, die mit Wassermolekülen starke Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können, die die Wassermoleküle in den Zellen festhalten und dadurch Quellung herbeiführen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungsverfahren und weitere chemische Methoden zur Modifikation von Holz oder Holzoberflächen zur Verminderung des Eindringens von Wasser bekannt.
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In
„Chemical Modification of Wood" (S. 419–430, „Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources", 1. Auflage, 2008) beschreiben Belgacem und Gandini unterschiedliche chemische Behandlungsmethoden von Holz zur Verbesserung des Widerstands gegen atmosphärischen und biologischen Abbau sowie zur Erzielung einer geringeren Benetzbarkeit. Hierin werden Holzoberflächen mit Plasma, Isocyanaten, Siloxanen und Furfurylalkohol behandelt, sowie die freien Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere des Holzmaterials werden durch Verestern mit beispielsweise Octanylchlorid oder Verethern mit beispielsweise Glycidylmethacrylat substituiert. Dadurch soll die Eigenschaft des Holzes, Wasser aufzunehmen bzw. abzugeben, eingeschränkt werden.
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In der
EP 2 032 323 B1 werden zur Herstellung von modifizierten Holzwerkstoffen Holzfasern mit Wachsdispersionen hydrophobisiert. Hierdurch soll die Dickenquellungs- und die Wasseraufnahmegeschwindigkeit der damit hergestellten Holzwerkstoffe verzögert werden.
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Auch eine Reduzierung der quellbaren Anteile in den entsprechenden Holzprodukten ist eine bekannte Strategie. Diesbezüglich wird in der
DE 102 008 056 650 A1 vorgeschlagen, Holzfasern mit holzfremden Bestandsteilen wie Glas, Metall, Keramik und/oder Kunststoffen zu Holzwerkstoffen zu verpressen. Durch diesen Zusatz nicht quellender Anteile soll eine verzögerte Dickenquellung der Holzplatten erreicht werden.
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Die
EP 1 762 671 B1 beschreibt eine Bauplatte, die ein vermindertes Quell- und Schwindverhalten aufweist und auf die eine wasserfeste Abschlussschicht aus Polyurethan, Kunststoff oder Lack oder aus Mischungen daraus aufgebracht ist.
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Die bekannten Verfahren haben gemein, dass durch die Beschichtung und chemische Modifikation eine Verzögerung der Quellung erreicht wird. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass eine Abschirmung, Besetzung bzw. Substitution der freien Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere vorgenommen und die Hygroskopizität gesenkt wird. Auf diese Weise wird vermutlich die Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und freien Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere verringert und dadurch eine Verminderung der Quellgeschwindigkeit erzielt.
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Nachteilig an den vorstehend beschriebenen Maßnahmen ist, dass dadurch nur eine Verzögerung der Aufnahme von Wasser erreicht wird. Zudem wird durch die oben beschriebene chemische Modifikation das Gewicht des Holzmaterials erhöht, was nachteilig bei der Verarbeitung und Eignung als Baumaterial sein kann.
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Dem Fachmann sind unterschiedliche Einbringverfahren für Holzschutzmittel bekannt. Hierzu gehören das Streichen, Spritzen, Tauchen und die Trogtränkung. Der Einsatz dieser Verfahren ist abhängig von Inhaltsstoffen, Anwendungsort und der späteren Verwendung. Nachteilig bei den bekannten Verfahren sind entweder eine geringe Eindringtiefe oder ein erhöhter Arbeitsaufwand und lange Wartezeiten bis zur Weiterverarbeitung. So können die Arbeitsschritte des Streichens, Spritzens oder Tauchens zwar eine kurze Zeitspanne erfordern, jedoch ist die geringe Eindringtiefe nachteilig. Bei der Trogtränkung und Kesseldruckimprägnierung (Tränkung des Holzes durch abwechselnden Unter- und Überdruck) können zwar tiefere Eindringtiefen erreicht werden, jedoch müssen in beiden Fällen weitere aufwendige Arbeitsschritte in den Herstellungsprozess integriert werden. Somit sind die Verfahren entweder aufwendig, kostenintensiv und/oder können gegebenenfalls nicht ohne weiteres in den in der Holzindustrie gebräuchlichen Verfahrensprozess ohne Erhöhung des Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwands integriert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives, kostengünstiges Verfahren bereitzustellen, mit dem quellreduzierte Holzwerkstoffe, insbesondere eine quellreduzierte Faserplatte, in der Holzindustrie gebräuchlichen Standardprozessen ohne erhöhten Zeit- und Kostenaufwand hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Faserplatte nach Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer quellreduzierten Faserplatte sieht vor, dass das lignocellulosehaltige Material vor dem Verleimen mit einer Säure behandelt wird, wobei die Behandlung bei einer Temperatur von 70 bis 200°C und einem Druck von 1 bis 12 bar erfolgt.
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Überraschend wurde gefunden, dass das Quellvermögen von Faserplatten auf besonders einfache und kostengünstige Weise verringert werden kann, wenn das lignocellulosehaltige Material vor dem Verleimen unter den genannten Druck- und Temperaturbedingungen mit einer Säure (z. B. Brönsted- oder Lewis-Säure) und/oder einer Mischung aus der Säure und ihrer Salze, Ester oder Addukte behandelt wird (nachfolgend „Säurebehandlung”). Die Zugabe der Säure kann zu jedem Zeitpunkt vor dem Verleimen erfolgen.
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Ohne sich auf eine bestimmte wissenschaftliche Theorie festlegen zu wollen, ist für die Verringerung des Quellvermögens vermutlich die durch die Säurebehandlung vermittelte Elimination der freistehenden Hydroxylgruppen der Zellwandpolymere verantwortlich, was zu einer geringeren Interaktion mit den Wassermolekülen führt und in einer Hydrophobierung des Materials resultiert.
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Vorteilhaft ist, dass sich die Säurebehandlung auf einfache Weise in die in der Holzindustrie üblichen Verfahren zur Herstellung von Faserplatten integrieren lässt, d. h. aufwändige Zwischenschritte (z. B. Trocknungen) oder Verfahrensunterbrechungen sind nicht erforderlich.
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Vorteilhaft ist ferner, dass die erfindungsgemäß eingesetzten Säuren (z. B. Phosphorsäure) kostengünstig erhältlich und leicht verfügbar sind.
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Unter dem Begriff ”Holzwerkstoff” werden erfindungsgemäß verschiedenste Werkstoffe verstanden, die aus Holz bestehen oder Holz enthalten. Beispiele für Holzwerkstoffe im Sinne der Erfindung sind Holzplatten, Laminate, Bodenbeläge, Arbeitsplatten, Tischplatten, Paletten und/oder Holzformteile, insbesondere Verbundwerkstoffe aus einzelnen Holzpartikeln. Solche Holzpartikel bzw. Strukturelemente können jegliche Zerkleinerungsprodukte von Cellulose enthaltenden Materialien sein, wie beispielsweise Holzpartikel, insbesondere Holzspäne, feinteiliges Holzmaterial, Holzstrands, Holzfasern, Hackschnitzel und/oder Holzfurniere. Holzwerkstoffe im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere solche auf Vollholzbasis, Furnierwerkstoffe, Spanwerkstoffe, Faserwerkstoffe, Faserplatten oder andere Verbundwerkstoffe.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung von gepressten Holzwerkstoffen, insbesondere zur Herstellung von Faserplatten. Als Faserplatte kommt beispielsweise eine UDF-, LDF-, MDF-, oder HDF-Platte in Betracht.
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Vorzugsweise besteht die Faserplatte, beziehungsweise das Vor- oder Zwischenprodukt der Faserplatte, im Wesentlichen aus lignocellulosehaltigem Material. Es ist jedoch möglich, dass die Faserplatte, beziehungsweise das Vor- oder Zwischenprodukt, weitere Zusatzstoffe enthält. Je nach Art der Faserplatte kann das lignocellulosehaltige Material, welches im erfindungsgemäßen Verfahren mit Säure behandelt wird, unterschiedlich sein. Die Faserplatte kann beispielsweise durch Zerkleinern von Cellulose enthaltenden Materialien und anschließendes Zusammenfügen der Strukturelemente erzeugt werden. Das Vor- oder Zwischenprodukt kann beispielsweise aus dem lignocellulosehaltigen Ausgangsmaterial und/oder den durch Zerkleinerung erhaltenen Strukturelementen, wie beispielsweise den Holzpartikeln, Holzspänen, Holzstrands, Hackschnitzeln, Holzfasern oder Holzfurnieren ausgewählt sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich quellreduzierte Faserplatten herstellen. Unter „quellreduziert” wird eine Verminderung der Quellung im Vergleich zum unbehandelten Material verstanden. Mit „Quellung” sind die Folgen des Kontakts der Holzfasern mit Wasser bzw. Wasserdampf gemeint. Durch den Kontakt mit Wasser können insbesondere eine Nassquellung und/oder eine Feuchtdehnung eintreten. Unter Quellung wird das Quellvermögen bzw. die Dickenquellung verstanden. Das Quellvermögen kann nach der europäischen Norm EN 317 „Spanplatten und Faserplatten" bestimmt werden. Die Dickenquellung kann „nach Wasserlagerung” bzw. ISO 24336 „Laminate floor coverings. Determination of thickness swelling after partial immersion in water." bestimmt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung der Quellung um mindestens 10%, bezogen auf das unbehandelte Material, erreicht. Die Quellung kann nach EN 317 bzw. ISO 24336 bestimmt werden.
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Der Begriff „Säure” umfasst Brönsted-Säuren und/oder Lewis-Säuren. Erfindungsgemäß einsetzbare Brönsted-Säuren sind beispielsweise Mineralsäuren. Erfindungsgemäß einsetzbare Säuren weisen vorzugsweise einen pKs-Wert von kleiner 4, bevorzugt kleiner 3.5, 3, 2.75, 2.5, 2.3 oder 2 auf. Die Säure kann allein oder in Kombination mit einem ihrer Salze, Ester oder Addukte verwendet werden. Die Brönsted-Säuren können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Phosphorsäure, Phosphonsäure, Phosphinsäure, Schwefelsäure, Sulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure, Benzolsulfonsäure, Sulfobernsteinsäure, Methylsulfonsäure, Methylphosphonsäure und Ethylphosphonsäure. Vorzugsweise wird Phosphorsäure, insbesondere die ortho-Phosphorsäure, verwendet. Als vorteilhaft hat sich weiterhin eine Behandlung mit einer Mischung aus Phosphorsäure und einem Salz der Phosphorsäure erwiesen. Bei den Salzen kann es sich beispielsweise um Alkalisalze, Erdalkalisalze und/oder Ammoniumsalze handeln.
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Phosphorsäuren im Sinne dieser Erfindung sind in der Regel solche, die eine freie HO-P-Gruppe aufweisen. Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Phosphorsäuren sind ortho-Phosphorsäure, Phosphonsäure und/oder Phosphinsäure. Als Phosphorsäure kommt insbesondere ortho-Phosphorsäure in Betracht. Die Phosphorsäure kann als 10 bis 85 Gew.%-ige Lösung in Wasser eingesetzt werden. Wird die Behandlung mit Phosphorsäure im Refiner durchgeführt, wird vorzugsweise eine 50 bis 85 Gew.%-ige Lösung in Wasser, insbesondere eine 70 bis 85 Gew.%-ige Lösung in Wasser, eingesetzt. Wenn hier von Salzen der ortho-Phosphorsäure die Rede ist, sind insbesondere Phosphate, Hydrogenphosphate und/oder Dihydrogenphosphate gemeint. Die Salze der Phosphorsäure können beispielsweise ihre Alkalisalze, Erdalkalisalze und/oder Ammoniumsalze oder -verbindungen sein. Erfindungsgemäß einsetzbare Salze der Phosphorsäure sind weiterhin Phosphonate und/oder Phosphinate.
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Als Phosphorsäureester kommen insbesondere Alkylester in Betracht, wobei die Alkylkettenlänge vorzugsweise 1 bis 12 Kohlenstoffatome, bevorzugt 1 bis 10 Kohlenstoffatome, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatome und ganz besonders bevorzugt 1 bis 3 Kohlenstoffatome beträgt. Bei den Addukten der Phosphorsäure kann es sich beispielsweise um di-, tri- oder meta-Phosphate handeln.
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Erfindungsgemäß einsetzbare Lewis-Säuren sind beispielsweise Bortrifluorid, Bortichlorid, Aluminiumtrichlorid, Eisen(III)chlorid und/oder Zinkchlorid.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Gehalt der oben genannten Säuren 0.1 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 0.1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 7, 9, 10 oder 12 Gew.-%, bezogen auf die Trockenmasse (atro) des lignocellulosehaltigen Materials.
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Unter „lignocellulosehaltiges Material” wird jede Art von Material verstanden, das Lignocellulose enthält. Das lignocellulosehaltige Material kann in zerfasertem und/oder unzerfasertem Zustand vorliegen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das lignocellulosehaltige Material zunächst in unzerfasertem Zustand (beispielsweise als Hackschnitzel) zugegeben und erfährt dann im Laufe des Verfahrens eine Zerfaserung und/oder Zerkleinerung (beispielsweise im Refiner). Es ist aber auch möglich, das lignocellulosehaltige Material bereits in zerfasertem Zustand oder in einem Gemisch aus zerfasertem und unzerfasertem Material hinzuzugeben. Die Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials kann sowohl in zerfasertem, teilweise zerfasertem und/oder unzerfasertem Zustand erfolgen.
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Ein Beispiel für erfindungsgemäß einsetzbares lignocellulosehaltiges Material sind Holzpartikel, z. B. jede Form von feinteiligem Holzmaterial, d. h. insbesondere Holzspäne, Hackschnitzel, OSB-Strands, Holzfasern und/oder Holzmehl. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Holzpartikel, insbesondere wenn es sich dabei um Späne, Fasern oder Strands handelt, überwiegend oder vollständig natives Holz. Als besonders geeignet haben sich Späne, Fasern und/oder Strands aus nativem Holz erwiesen.
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Die Zugabe der Säure kann an jeder Stelle im Verfahren vor dem Be- oder Verleimen erfolgen. Als vorteilhaft hat sich eine Behandlung im Vorwärmer und/oder im Kocher erwiesen. Die Behandlung kann unter erhöhtem Druck (gegenüber atmosphärischem Druck) und/oder unter erhöhter Temperatur (gegenüber Raumtemperatur) stattfinden. Im Vorwärmer (Vorkocher) findet die Behandlung normalerweise unter Normaldruck und/oder bei einer Temperatur von bis zu 100°C statt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Behandlung bei einer Temperatur von 70 bis 200°C, insbesondere 160 bis 200°C. Erfindungsgemäß erfolgt die Behandlung bei einem Druck von 1 bis 12 bar, insbesondere 2 bis 10 bar.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Säure vor und/oder während des Zerkleinerungsvorgangs im Refiner zugegeben. Die Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure in einem in der Industrie gebräuchlichen Refiner erfolgt in der Regel bei einer Prozesstemperatur von 160 bis 200°C und/oder einem Druck von 2 bis 10 bar, insbesondere von 5 bis 9 bar.
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Unter „Refiner” wird die in der Holzindustrie gebräuchliche Maschine verstanden, welche zur Zerkleinerung, insbesondere zur Zermahlung von Fasern verwendet wird. Beispiele für geeignete Refiner sind Scheibenrefiner, Kegelrefiner oder Zylinderrefiner. Im Refiner werden Holzpartikel bei einer Prozesstemperatur von 70 bis 200°C, insbesondere bei 120 bis 180°C, und/oder einem Druck zwischen 1 bis 10 bar, insbesondere bei 5 bis 9 bar, behandelt.
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Unter „Behandeln” wird die Verarbeitung oder das In-Kontakt-Bringen des lignocellulosehaltigen Materials (bzw. eines Vor- oder Zwischenprodukts davon) mit der Säure unter den beschriebenen Bedingungen verstanden. Das lignocellulosehaltige Material kann bei der Behandlung in unzerfasertem, zerfasertem und/oder teilweise zerfasertem Zustand vorliegen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure im Vorwärmer, Kocher und/oder Refiner erfolgt. Es wird angenommen, dass durch die Behandlung in Gegenwart von Feuchtigkeit, unter erhöhtem Druck, unter erhöhter Temperatur und/oder bei gleichzeitiger Zerkleinerung eine Erweiterung der Faserporen und damit einhergehend eine Vergrößerung der Faseroberfläche eintritt, sodass die erfindungsgemäß eingesetzte Säure leichter in den Faserkern diffundieren kann.
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Grundsätzlich ist die Reaktionsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens umso höher, je größer die Oberfläche des zu behandelnden lignocellulosehaltigen Materials (d. h. des Vor- oder Zwischenproduktes des Holzwerkstoffs) ist. Die Oberfläche nimmt bekanntermaßen mit abnehmender Partikelgröße zu. Somit wird im erfindungsgemäßen Verfahren eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit erzielt, wenn das zu behandelnde lignocellulosehaltige Material eine kleine Partikelgröße aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher das zu behandelnde Material unter gleichzeitiger Zerkleinerung mit der Säure in Kontakt gebracht.
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Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Holzverbundwerkstoffen, insbesondere einer Faserplatte, angewendet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Säurebehandlung dabei während der Zerkleinerung des lignocellulosehaltigen Materials (z. B. im Refiner). Dadurch, dass das lignocellulosehaltige Material die quellvermindernde Behandlung erfährt, wird eine Quellverminderung bis in den Kern des gesamten Holzwerkstoffs unter geringem Kosten- und Prozessaufwand und innerhalb der laufenden der Prozesskette sichergestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei so ausgestaltet sein, dass es mindestens folgende Schritte umfasst:
- a) Anwärmen des lignocellulosehaltigen Materials in einem Vorwärmbehälter;
- b) Aufschluss des lignocellulosehaltigen Materials in einem Kocher;
- c) Zerkleinerung des lignocellulosehaltigen Materials in einem Refiner;
- d) Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials mit der Säure und/oder einer Mischung aus der Säure und ihrem Salz vor oder in mindestens einem der Schritte a), b) und c);
- e) Beleimen des lignocellulosehaltigen Materials mit einem Bindemittel;
- f) optional: Trocknen der Mischung enthaltend das lignocellulosehaltige Material;
- g) Verpressen der Mischung enthaltend das lignocellulosehaltiges Material zu einem Holzwerkstoff.
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In Schritt a) wird das zu verarbeitende lignocellulosehaltige Material auf die gewünschte Temperatur vorgewärmt.
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In Schritt b) wird das lignocellulosehaltige Material im Kocher unter erhöhtem Druck und unter erhöhter Temperatur feucht aufgeschlossen. Vorzugsweise wird dabei eine Temperatur von 160 bis 200°C und/oder ein Druck von 1 bis 12 bar, insbesondere von 1,5 bis 12 bar, 2 bis 10 bar, 3 bis 10 bar oder 5 bis 9 bar, eingestellt.
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In Schritt c) erfolgt eine Zerkleinerung des lignocellulosehaltigen Materials (Refiner). Vorzugsweise wird dabei eine Prozesstemperatur von 160 bis 200°C und/oder ein Druck von 2 bis 10 bar, insbesondere von 3 bis 9 bar oder 5 bis 9 bar, eingestellt.
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Die Säurebehandlung kann in jedem Schritt vor dem Be- oder Verleimen erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Behandlung in mindestens einem der Schritte a), b) und c). Die Säurebehandlung kann auch vor oder nach mindestens einem der Schritte a), b) und c) erfolgen. Beispiele hierfür sind das Zuführen der Säure in Ein- oder Austragsschnecken, welche das lignocellulosehaltiges Material befördern. Alternativ kann die Zugabe der Säure direkt in den Vorwärmbehäter, Vorkocher und/oder Refiner erfolgen. Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens hat sich eine mehrfache Behandlung des lignocellulosehaltigen Materials als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Erfindungsgemäß wird vorzugsweise bei erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck gearbeitet, wobei der Druck bei 5 bis 9 bar und/oder die Temperatur zwischen 150 und 180°C liegen kann. Diese Bedingungen ermöglichen eine rasche Diffusion der Säuremoleküle bis in den Kern des lignocellulosehaltigen Materials.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Diffusionsprozess hierbei innerhalb weniger Minuten abläuft. Vorteilhaft ist weiterhin die kurze Behandlungsdauer im Vorwärmbehäter, Vorkocher und/oder Refiner. Diese beträgt in der Regel nicht länger als 15 Minuten, bevorzugt 0.01 bis 10 Minuten, besonders bevorzugt 0.1 bis 5 Minuten, insbesondere 0.3 bis 2 Minuten. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren mit gängigen Produktionsprozessen der Holzindustrie kompatibel. Es kann innerhalb einer laufenden Produktion ohne signifikante Änderung der Produktivität der genutzten Anlagen verwendet werden.
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Grundsätzlich sind dem Fachmann verschiedene Methoden zur Herstellung von Holzwerkstoffen, wie beispielsweise Faserplatten, insbesondere HDF- oder MDF-Platten bekannt. Dadurch kann eine Behandlung mit der Säure problemlos bei einer Vielzahl von Produktionsprozessen, wie beispielsweise bei einem HDF- oder MDF-Standardprozess, vorgenommen werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Behandlung bei 100 bis 200°C, bevorzugt bei 120 bis 180°C, insbesondere 140 bis 180°C, und/oder bei 2 bis 10 bar, insbesondere 6 bis 10 bar (Überdruck). Der Überdruck wird vorzugsweise durch Heißdampf erzeugt. Der Gehalt an Säure beträgt bis zu 10 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 3% Gew.-%, bezogen auf die Menge des lignocellulosehaltigen Materials (atro). Die Penetrationszeit beträgt in der Regel weniger als 15 Minuten, bevorzugt reichen etwa 2 bis 3 Minuten, um eine ausreichende Diffusion zu ermöglichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den Refiner eine Blowline an. In der Blowline können neben den zugesetzten Bindemitteln und Hydrophobierungsmitteln optional auch noch Oberflächen-modifizierende Agenzien aufgesprüht werden, welche die Oberfläche neutralisieren und/oder die Faser verkapseln.
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Die Reaktion der Säure, insbesondere der Phosphorsäure, mit der Oberfläche des lignocellulosehaltigen Materials kann mit dem Einbringen der Säure im Vorwärmer bzw. dem Kocher beginnen. Durch die thermomechanischen Verhältnisse im Refiner wird die Verteilung und/oder die Reaktion beschleunigt. Durch das Ausschleusen von Wasser im Trockner und/oder die weitere thermisch induzierte Trocknung des Faservlieses während der Plattenbildung in der Presse kann die Reaktion weiter vorangetrieben werden. Die endgültige Reaktion ist häufig erst nach dem Abkühlen der fertigen Platte im Lager abgeschlossen
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Die Menge des beim Be- oder Verleimen eingesetzten Bindemittels beträgt vorzugsweise 0,1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 1,0 bis 16 Gew.-%, noch bevorzugter 4,0 bis 14,0 Gew.-%, bezogen auf das Holztrockengewicht (Festharz/atro). Für viele Anwendungen ist es besonders praxisgerecht, wenn das Bindemittel in einer Menge von 0,1 bis 15 Gew.-% bezogen auf das Holztrockengewicht (Festharz/atro) eingesetzt wird. Das Auftragen des Bindemittels kann beispielsweise in der dem Fachmann bekannten Blowline erfolgen.
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Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vielzahl von Bindemittel-Holzpartikel-Kombinationen geeignet. Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Bindemittel sind Aminoplaste, Phenoplaste, Vinylacetate, Isocyanate, Epoxidharze und/oder Acrylharze. Besonders bevorzugte Bindemittel sind Harnstoff-Formaldehyd-Harz (UF), Melamin-Formaldehyd-Harz, Phenol-Formaldehyd-Harz (PF), Polyvinylacetat und/oder Weissleim.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Bindemittel für die Verleimung ein System auf Basis von Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (UF), Melamin verstärkten Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (MUF), Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehyd-Harzen (MUPF), Phenol-Formaldehyd-Harzen (PF), polymere Diisocyanaten (PMDI) und/oder Isocyanaten eingesetzt.
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Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Bindemittel kann ferner Härter enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Härten auch durch Pressen des Verbundmaterials unter Wärmeeinwirkung erfolgen.
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Grundsätzlich sind dem Fachmann verschiedene Methoden bekannt, beleimte Holzpartikel zu einem Verbundwerkstoff zu verpressen. Optimale Ergebnisse können erzielt werden, wenn das Verpressen bei einer Presstemperatur von mindestens etwa 150°C durchgeführt wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner auch ein Holzwerkstoff, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt bzw. erhältlich ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Beispiel 1
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Es wird eine quellreduzierte Holzfaserplatte nach dem in der Holzindustrie gebräuchlichen MDF-Verfahren hergestellt.
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Die Hackschnitzel gelangen zur hydrothermischen Vorbehandlung in einen Vorwärmbehälter, wo sie zusammen mit 1 Gew.-% ortho-Phosphorsäure (bezogen auf die Gesamtmenge Wasser und Hackschnitzel) bei atmosphärischem Druck bei einer Temperatur von bis zu 100°C „vorgedämpft” werden. Die teilweise plastifizierten und modifizierten Hackschnitzel gelangen dann über den Vibrationsaustragsboden und eine Förderschnecke in den Kocher. Die Steigung der Schneckenwendel verringert sich kontinuierlich, wodurch sie die Hackschnitzel zu einem relativ druckdichten Pfropfen komprimiert. Mit diesem Pfropfen findet die Abdichtung zum Kocher statt. Hier werden die Hackschnitzel bei einem Dampfdruck zwischen 6 und 10 bar bei 140 bis 180°C „gekocht”. Im Kocher bleiben die Hackschnitzel etwa 1 bis 6 Minuten, bevor sie durch eine Förderschnecke (Austragsschnecke) und über die Einspeiseschnecke in den Refiner (Zerfaserer) in gespeist und bei einem Dampfdruck von 6 bis 10 bar zu Fasern zermahlen werden. In der an den Refiner anschließenden Blowline können neben den zugesetzten Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehyd-Harz (Bindemittel) noch weitere Hydrophobierungsmitteln als auch Oberflächen-modifizierende Agenzien aufgesprüht werden, welche die Oberfläche neutralisieren oder die Faser verkapseln. Die beleimten Fasern gelangen nun in den Trockner und werden zur gewünschten Restfeuchte getrocknet. Durch Streuwalzen werden die Fasern auf ein umlaufendes Formband gestreut und die Höhe der so entstehenden Fasermatte wird durch Kalibrierwalzen (Skalper) eingestellt. Nach einer Vorverdichtung wird die endlose Fasermatte in einer kontinuierlichen Heißpresse bei 200°C und 30 bar für etwa 3 Minuten auf ihre gewünschte Dicke gepresst.
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Die so erhaltene Holzfaserplatte weist eine signifikant reduzierte Dickenquellung auf.
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Beispiel 2
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Es wird eine Holzfaserplatte nach dem in der Holzindustrie gebräuchlichen MDF-Verfahren hergestellt.
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Die Hackschnitzel gelangen zur hydrothermischen Vorbehandlung in einen Vorwärmbehälter, wo sie bei atmosphärischem Druck einer Temperatur von bis zu 100°C „vorgedämpft” werden. Die teilweise plastifizierten und modifizierten Hackschnitzel gelangen dann über den Vibrationsaustragsboden und/oder eine Förderschnecke in den Kocher. Die Steigung der Schneckenwendel verringert sich kontinuierlich, wodurch sie die Hackschnitzel zu einem relativ druckdichten Pfropfen komprimiert. Mit diesem Pfropfen findet die Abdichtung zum Kocher statt. Hier werden die Hackschnitzel bei einem Dampfdruck zwischen 6 und 10 bar bei 140 bis 180°C „gekocht”. Im Kocher bleiben die Hackschnitzel etwa 1 bis 6 Minuten, bevor sie durch eine Förderschnecke (Austragsschnecke) zusammen mit ortho-Phosphorsäure in einer Menge von 10 Gew.-%, bezogen auf die Menge des Holzmaterials, in den Refiner (Zerfaserer) eingespeist und bei einem Dampfdruck von 6 bis 10 bar zu Fasern zermahlen werden. In der an den Refiner anschließenden Blowline können neben den zugesetzten Melamin-Harnstoff-Phenol-Formaldehyd-Harz (Bindemittel) noch weitere Hydrophobierungsmitteln, als auch Oberflächen-modifizierende Agenzien aufgesprüht werden, welche die Oberfläche neutralisieren oder die Faser verkapseln. Die beleimten Fasern gelangen nun in den Trockner und werden zur gewünschten Restfeuchte getrocknet. Durch Streuwalzen werden die Fasern auf ein umlaufendes Formband gestreut und die Höhe der so entstehenden Fasermatte wird durch Kalibrierwalzen (Skalper) eingestellt. Nach einer Vorverdichtung wird die endlose Fasermatte in einer kontinuierlichen Heißpresse bei 200°C und 30 bar für etwa 3 Minuten auf ihre gewünschte Dicke gepresst.
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Die so erhaltene Holzfaserplatte weist eine signifikant reduzierte Dickenquellung auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2032323 B1 [0010]
- DE 102008056650 A1 [0011]
- EP 1762671 B1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Chemical Modification of Wood” (S. 419–430, „Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources”, 1. Auflage, 2008) [0009]
- europäischen Norm EN 317 „Spanplatten und Faserplatten” [0027]
- ISO 24336 „Laminate floor coverings. Determination of thickness swelling after partial immersion in water.” [0027]
- EN 317 [0028]
- ISO 24336 [0028]