DE102019120050A1 - Holzkompositwerkstoff - Google Patents

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Wolfgang Viöl
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Hawk Hochschule fur Angewandte Wss und Kunst Hildesheim/holzminden/goettingen
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Holzkompositwerkstoff, umfassend Holzfurnier- und Gewebelagen aus Naturfasern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Holzwerkstoffe und Holzkompositwerkstoffe
  • Der Werkstoff Holz selbst ist anisotrop und weist je nach Art, Herkunft und Alter unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. Dies gilt auch für verbreitete Holzwerkstoffe wie z.B. bei Lagenholz und hier insbesondere Sperrholz. Bei Sperrholz handelt es sich dabei gängigerweise um mindestens drei sich im Faserverlauf kreuzende Furniere, welche mit Kunstharzen imprägniert und durch Verpressen bei bestimmten Temperaturen zu Platten verklebt sind. Der Aufbau einer Sperrholzplatte ist zur Mittellage symmetrisch, wobei die Deckfurniere gleichgerichteten Faserverlauf aufweisen und damit die Richtung für die orthotropen Eigenschaften angibt.
  • Typisch für z.B. Sperrholz sind die signifikanten Unterschiede in der Richtungsabhängigkeit des Faserverlaufs: Die Zugfestigkeit (Zug- und Scherzugfestigkeiten) sind in Faserrichtung der Decklagen meistens deutlich höher als in Gegen-Faserrichtung („quer zur Faser“) der Decklagen. Somit ist der Werkstoff bezüglich seiner mechanischen Eigenschaften nicht isotrop und in der Verwendung bei bestimmten baulichen Maßnahmen eingeschränkt.
  • Es stellt sich somit die Aufgabe, neue Holzkompositwerkstoffe, insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen bestehende Holzkompositwerkstoffe zu schaffen, bei denen die Anisotropie vermindert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Holz- und/oder Holzkompositwerkstoff gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Demgemäß wird ein Holz und/oder Holzkompositwerkstoff vorgeschlagen, umfassend
    • - mindestens zwei Lagen Holzfurnier, sowie
    • - mindestens eine, zwischen zwei Lagen Holzfurnier angeordnete Gewebelage, umfassend eine zellulosehaltige Faser
    wobei sowohl die Holzfurnierlagen wie die Gewebelage(n) mit einem Bindemittel beleimt, vorzugsweise imprägniert sind.
  • Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass so ein Holzkompositwerkstoff erhalten werden kann, bei der die Anisotropie zumindest einiger mechanischer Eigenschaften vermindert ist.
  • Weiterhin hat es sich herausgestellt, dass für die meisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung einer oder mehrere der folgenden Vorteile erzielt werden kann:
    • - Der Holzkompositwerkstoff ist aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar
    • - Der Holzkompositwerkstoff kann eine signifikant höhere Dimensionsstabilität und Witterungsbeständigkeit sowie eine geringere Suszeptibilität gegenüber biologische Degradierung als nicht modifiziertes Lagenholz besitzen
    • - Der Holzkompositwerkstoff weist bei mechanischer Bealstung eine geringere Varianz auf als herkömmliches Lagenholz
    • - Man beobachtet häufig eine Nivellierung der für Schichtholzerzeugnisse typischen, orthotropischen Differenzen. Diese Nivellierung der orthotropischen Unterschiede sowie die genannte Homogenisierung kann vor allem in konstruktiven Bereichen (Automotive, Leichtbau, Bau etc.), bei denen richtungsunabhängige
  • Materialeigenschaften von großer Bedeutung sind, das Anwendungsportfolio für diesen Werkstoff — im Vergleich zu herkömmlichen Lagenholzprodukten — deutlich erweitern.
  • Unter „Holzfurnier“ werden insbesondere Holzschichten mit einer Dicke von ≥ 0,5 mm bis ≤ 8 mm verstanden, wobei Dicken von ≥ 0,8 mm bis ≤ 2 mm, insbesondere ≥ 1 mm bis ≤ 1,5 mm besonders bevorzugt sind.
  • Besonders bevorzugte Holzarten sind dabei Esche (Fraxinus), Birke (Betula), Buche (Fagaceae), Erle (Alnus), Linde (Tilia), Ahorn (Acer), Eibe (Taxus), Kiefer (Pinus) oder Eiche (Quercus).
  • Unter „Gewebelage“ werden insbesondere gewebte Textilien verstanden, bevorzugt solche, bei denen sich die Fasern im Winkel ca. 90° kreuzen verstanden.
  • Bevorzugt bestehen die Gewebelage im Wesentlichen aus einer zellulosehaltigen Faser.
  • „Im Wesentlichen“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet einen Anteil von ≥95 % (wenn anwendbar Gewicht/Gewicht), bevorzugt ≥97 %, noch bevorzugt ≥99%.
  • Bevorzugte zellulosehaltige Fasern sind dabei Naturfasern, insbesondere von Leinpflanzen (Linum usitatissimum, Linum angustifolium oder Cannabis sativa), d.h. Flachs oder Hanf. Am meisten bevorzugt ist Flachs.
  • Die Dicke der Gewebelagen beträgt bevorzugt zwischen von ≥ 0,2 mm bis ≤ 8 mm, wobei Dicken (vor dem Pressen) von ≥ 0,4 mm bis ≤ 2 mm, insbesondere ≥ 0,5 mm bis ≤ 1,2 mm am meisten bevorzugt sind
  • Die Fasern der Gewebelage besitzen bevorzugt eine mittlere Länge, die mindestens die Hälfte der längsten Seite der jeweiligen Gewebelage beträgt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Holzkompositwerkstoff mehr als zwei Lagen Holzfurnier.
  • In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, dass nicht alle Furniere parallel zu einander angeordnet sind, d.h. die Holzfasern, welche die jeweilige Furnierschicht ausbilden nicht in dieselbe oder im wesentlichen dieselbe Richtung verlaufen.
  • Weiterhin ist es in diesem Fall eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, dass zwischen allen Holzfurnierlagen eine Gewebelage angeordnet ist.
  • Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, es ist dann alternativ eine bevorzugte Ausführungsform, dass die Anzahl der Gewebelagen mindestens die Hälfte der Anzahl der Holzfurnierlagen beträgt.
  • In diesem Fall ist es dann eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dass der Schichtaufbau des Holzkompositwerkstoffs zur Mittellage symmetrisch ist.
  • Für den Fall, dass der Holzkompositwerkstoff zwei Lagen Holzfurnier umfasst, ist es bevorzugt, dass die beiden Furnierschicht parallel oder im wesentlichen parallel zu einander angeordnet sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Holzfurnier- wie Gewebelagen mit Bindemittel beleimt, vorzugsweise imprägniert.
  • Als Bindemittel sind insbesondere Thermoplasten, Duroplasten, Aminoplasten, Phenoplasten, Isocyanate, Proteine, Tannine, Stärke, synthetische Bindemittel oder naturnahe Bindemittel, biologisch abbaubare Klebstoffe oder Mischungen von Bindemitteln, wie z.B. Harnstoffformaldehyd-Harz, Melaminformaldehyd-Harz, Melaminverstärktes Harnstoffformaldehyd-Harz, Taninformaldehyd-Harz, Phenolformaldehydharz, polymeres Diphenylmethandiisocyanat oder Mischungen daraus bevorzugt. Besonders bevorzugte Bindemittel sind melaminhaltige Bindemittel.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wurden die Holzfurnier- und Gewebelagen vor der Beleimung oder Imprägnierung einer Plasmabehandlung unterzogen.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Holzkompositwerkstoffes, umfassend die Schritte
    1. a) Bereitstellen mindestens zwei Holzfurnierlagen und einer Gewebelage, umfassend eine zellulosehaltige Faser
    2. b) Imprägnieren der Holzfurnier- und Gewebelagen mit dem Bindemittel
    3. c) Schichtweises Anordnen der Lagen so, dass jede Gewebelage zwischen zwei Holzfurnierlagen angeordnet ist; sowie
    4. d) Verpressen
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren noch einen Schritt a1) der nach Schritt a) durchgeführt wird:
    • a1) Plasmabehandlung der Holzfurnier - und Gewebelagen
  • Bevorzugt wird bei Schritt a1) ein kaltes Plasma verwendet. Darunter wird insbesondere verstanden, dass das Plasma auf Basis einer dielektrisch behinderten Entladung (DBD = dielectric barrier discharge) erzeugt wird. Unter einer dielektrisch behinderten Entladung versteht man insbesondere eine Entladung, die in einem Gas beim Anlegen einer Spannung an die verwendeten Elektroden auftritt, wobei mindestens eine Elektrode mit einem Dielektrikum belegt sein muss. Bedingt durch dielektrische Barrieren, besitzt die Energieeinkopplung in die Entladung einen kapazitiven Charakter, sodass der Ladungstransfer und der Stromfluss begrenzt werden. Beim Anlegen einer Spannung an eine gegebene Geometrie entsteht ein elektrisches Feld, in dem Elektronen zunächst zur Anode getrieben werden. Beim Gasdurchbruch entstehen transiente Mikroentladungen (leitfähige Plasmakanäle), die innerhalb des Entladungsraumes zeitlich und räumlich stochastisch verteilt sind. Die Ionen behalten gewissermaßen ihre stationäre Position aufgrund ihrer geringen Mobilität bei bzw. bewegen sich langsam. Durch die Ladungstrennung entsteht eine Oberflächenladung auf den dielektrischen Oberflächen. Das dadurch induzierte elektrische Feld wirkt dem von außen angelegten Feld entgegen. Die Pulslänge einer DBD-Entladung ist zeitlich begrenzt (parameterabhängig zwischen ca. 10 ns und 100 ns). Aus diesem Grund sind für diese Entladungsform einerseits eine relativ hohe mittlere Elektronenenergie (1-10 eV) und anderseits eine niedrige Gastemperatur, die ungefähr der Temperatur der Elektroden gleicht, charakteristisch: Man spricht bei einer DBD-Entladung von einem Nichtgleichgewichtsplasma und einem „kalten Plasma“.
  • Bevorzugt wird bei Schritt a1) ein Atmosphrendruckplasma verwendet.
  • Bevorzugt wird bei Schritt a1) ein DBD-Plasma verwendet. Darunter wird insbesondere eine Plasmaerzeugung unter Zuhilfenahme einer dielektrisch behinderten Entladung (DBD = dielectric barrier discharge) verstanden.
  • Es hat sich herausgestellt, dass so die Imprägnierung auf einfache Weise, insbesondere bei den meisten Anwendungen ohne Vakuumbehandlung, durchgeführt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Holzkompositwerkstoffs in und/oder bei:
    • - konstruktiven Bereichen (Automotive, Leichtbau, Bau etc.),
    • - im Außenbereich (Fassaden, Bootsbau, Gartenmöbel)
    • - in robuster Umgebung (Lagerhallen, Industriefahrzeuge etc.)
  • Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen - beispielhaft - ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Holzkompositwerkstoffs dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigt:
    • 1 ein Diagramm, aufzeigend die Dichte des Holzkompositwerkstoffs gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sowie eines Referenzbeispiels,
    • 2 ein Diagramm, aufzeigend die Zugfestigkeit des Holzkompositwerkstoffs sowie des Referenzbeispiels aus 1, jeweils in Längs- und Querrichtung; sowie
    • 3 ein Diagramm, aufzeigend die Scherzugfestigkeit des Holzkompositwerkstoffs sowie des Referenzbeispiels aus 1 und 2, jeweils in Längs- und Querrichtung.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Beispiels erläutert, welches rein illustrativ und nicht als beschränkend zu verstehen ist.
  • Als Ausgangswerkstoff des neuen Holzkompositwerkstoffs wurden thermisch modifizierte Buchenfurniere (1,2 mm Dicke) sowie Flachsgewebe (0,6 mm Dicke vor dem Verpressen) mit den Abmessungen 300*300 mm2 verwendet.
  • Als Bindemittel wurde eine Melaminharzlösung mit einem Feststoffanteil von 50% eingesetzt.
  • Vor der Imprägnierung wurden die Furniere und das Flachsgewebe einer Plasmabehandlung gemäß Wascher et al, Holztechnologie 2016, 12ff. unterzogen, die Plasmabehandlungszeit betrug 5 s.
  • Anschließend wurden sowohl die Furniere als auch das Gewebe in einem Melaminharzlösungsbad 1 s lang getränkt und mittels einer Abstreifvorrichtung die überschüssige Flüssigkeit vom Material entfernt. Das imprägnierte Material wurde für 24 Stunden konditioniert (getrocknet). Anschließend wurde das Material einsortiert, so dass sich jeweils eine imprägnierte Gewebelage zwischen zwei einzelnen Furnierlagen (5 Furnierlagen, 4 Gewebelagen) befand.
  • Für die „Referenz“ wurden 5 einzelne Furnierlagen im Faserverlauf kreuzend (90°) gestapelt, sodass die oberen und unteren Decklagen die gleiche Faserverlaufsrichtung aufweisen.
  • Anschließend wurden zwei Platten hergestellt. Die Herstellung der Platten erfolgte, indem die vorbereiteten Halbzeuge (imprägnierte Furniere bzw. imprägniertes Flachsgewebe) in einer hydraulischen Heizpresse bei einem Pressdruck von 250 N/cm2, einem Vorschub 3min/mm und einer Temperatur von 130°C verpresst wurden.
  • 1 zeigt die Dichte der erfindungsgemäßen Platte („Beispiel“) sowie der Referenz, gemessen gemäß DIN EN 323. Erwartungsgemäß ist die Dichte der erfindungsgemäßen Platte etwas höher.
  • 2 zeigt die Zugfestigkeit, 3 die Scherzugfestigkeit der beiden Platten, gemessen in Anlehnung an DIN 52377 bzw. DIN EN 314-1/2, jeweils in Längs- und Querrichtung.
  • Der erfindungsgemäße Holzkompositwerkstoff zeigt dabei eine leichte Verbesserung der Proben „quer zur Faser“ (Zugrichtung) und eine geringfügige Abnahme der Zugfestigkeit „längs zur Faser“. Betrachtet man die Zugrichtungen innerhalb desselben Materials, so ist beim erfindungsgemäßen Werkstoff eine deutliche Nivellierung der Zugfestigkeit abhängig von der Zugrichtung im Vergleich zur Referenz zu beobachten.
  • Ähnliche Ergebnisse zeigen sich bei der Scherzugfestigkeit: Quer zur Faser zeigt das erfindungsgemäße Beispiel eine signifikante Erhöhung der Scherzugkraft im Vergleich zur Referenz, während auch bei diesem Test eine Verringerung der Scherzugfestigkeit längs zur Faser zu verzeichnen ist. Die Referenz zeigt im Vergleich zur Zugfestigkeit eine ausgeprägtere Divergenz bezüglich der Zugrichtung, während die Scherzugkraft in Abhängigkeit von der Zugrichtung beim erfindungsgemäßen Beispiel nivelliert wird
  • Die einzelnen Kombinationen der Bestandteile und der Merkmale von den bereits erwähnten Ausführungen sind exemplarisch; der Austausch und die Substitution dieser Lehren mit anderen Lehren, die in dieser Druckschrift enthalten sind mit den zitierten Druckschriften werden ebenfalls ausdrücklich erwogen. Der Fachmann erkennt, dass Variationen, Modifikationen und andere Ausführungen, die hier beschrieben werden, ebenfalls auftreten können ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist die obengenannte Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen. Das in den Ansprüchen verwendete Wort „umfassen“ schließt nicht andere Bestandteile oder Schritte aus. Der unbestimmte Artikel „ein“ schließt nicht die Bedeutung eines Plurals aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maße in gegenseitig verschiedenen Ansprüchen rezitiert werden, verdeutlicht nicht, dass eine Kombination von diesen Maßen nicht zum Vorteil benutzt werde kann. Der Umfang der Erfindung ist in den folgenden Ansprüchen definiert und den dazugehörigen Äquivalenten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN 323 [0042]
    • DIN 52377 [0043]
    • DIN EN 314-1/2 [0043]

Claims (10)

  1. Holz- und/oder Holzkompositwerkstoff, umfassend: - mindestens zwei Lagen Holzfurnier, sowie - mindestens eine, zwischen zwei Lagen Holzfurnier angeordnete Gewebelage, umfassend eine zellulosehaltige Faser wobei sowohl die Holzfurnierlagen wie die Gewebelage(n) mit einem Bindemittel beleimt sind
  2. Holz- und/oder Holzkompositwerkstoff gemäß Anspruch 1, wobei sowohl die Holzfurnierlagen wie die Gewebelage(n) mit einem Bindemittel imprägniert sind.
  3. Holz- und/oder Holzkompositwerkstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Gewebelage im Wesentlichen aus einer zellulosehaltigen Faser besteht
  4. Holz- und/oder Holzkompositwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke der Gewebelagen beträgt bevorzugt zwischen von ≥ 0,2 mm bis ≤ 8 beträgt.
  5. Holz- und/oder Holzkompositwerkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Holzfurnier- und Gewebelagen einer Plasmabehandlung unterzogen wurden.
  6. Verfahren zum Herstellen eines Holz- und/oder Holzkompositwerkstoff gemäß der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: a) Bereitstellen mindestens zwei Holzfurnierlagen und einer Gewebelage, umfassend eine zellulosehaltige Faser b) Imprägnieren der Holzfurnier- und Gewebelagen mit dem Bindemittel c) Schichtweises Anordnen der Lagen so, dass jede Gewebelage zwischen zwei Holzfurnierlagen angeordnet ist; sowie d) Verpressen
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, zusätzlich einen Schritt a1) der nach Schritt a) durchgeführt wird: a1) Plasmabehandlung der Holzfurnier - und Gewebelagen
  8. Verfahren nach Anspruch 7 , wobei bei Schritt a1) ein kaltes Plasma verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei bei Schritt a1) ein Atmosphärendruckplasma verwendet wird
  10. Verwendung eines Holzwerkstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder eines gemäß eines der Ansprüche 6 bis 9 hergestellten Holzwerkstoffes in und/oder bei: - konstruktiven Bereichen (Automotive, Leichtbau, Bau etc.), - im Außenbereich (Fassaden, Bootsbau, Gartenmöbel) - in robuster Umgebung (Lagerhallen, Industriefahrzeuge etc.)
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